李 琪，李 偉，施玉書(shū)，高思田，李 適，王鶴群，尹傳祥，2

（1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京　100029；2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽　合肥　230009）

248nm紫外顯微鏡微納線寬校準(zhǔn)方法的研究

李 琪1，李 偉1，施玉書(shū)1，高思田1，李 適1，王鶴群1，尹傳祥1，2

（1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029；2.合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥230009）

248nm波長(zhǎng)照明的紫外顯微鏡能夠獲得高達(dá)80nm的光學(xué)分辨率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)掩模板的線寬和一維/二維柵格參數(shù)的測(cè)量。作為測(cè)量?jī)x器的248nm紫外顯微鏡需要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。該顯微鏡測(cè)量范圍在nm量級(jí)，校準(zhǔn)使用400nm一維柵格標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，通過(guò)對(duì)儀器不確定度和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)自身不確定度的評(píng)估，得到采集圖像每個(gè)像素的擴(kuò)展不確定度為0.178nm，并給出了實(shí)際測(cè)量時(shí)的不確定度評(píng)價(jià)公式。

計(jì)量學(xué)；248nm；紫外顯微鏡；線寬校準(zhǔn)；柵格標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

1　引言

隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路制造工藝中芯片及掩模板的線寬和柵格的尺寸不斷縮小，對(duì)這些微納結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸的測(cè)量成為一個(gè)很大的挑戰(zhàn)［1，2］。根據(jù)國(guó)際權(quán)威的半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展路線圖（ITRS）的研究顯示，如果芯片器件出現(xiàn)十分之一的誤差，就會(huì)導(dǎo)致性能失效。目前，在線寬和柵格等二維微納幾何尺寸的測(cè)量中，可以采用的方法主要包括原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡和紫外光學(xué)顯微鏡等3種。其中前兩種測(cè)量設(shè)備雖然具有很高分辨率，但是掃描速度慢、范圍小，并且采用接觸式測(cè)量或者用帶電粒子束流轟擊樣品，所以在測(cè)量中采用最多的是紫外光學(xué)顯微鏡方法。紫外顯微鏡測(cè)量二維微納幾何尺寸是通過(guò)紫外照明光源和紫外透鏡組實(shí)現(xiàn)的［3］，根據(jù)衍射理論：

其中：δ為分辨率，λ為照明波長(zhǎng)，NA為顯微鏡數(shù)值孔徑。當(dāng)NA確定時(shí)，照射波長(zhǎng)越短，分辨率越高。因此紫外顯微鏡比普通白光顯微鏡具有更高的光學(xué)分辨率。此外，紫外顯微鏡還具有高速、非接觸、測(cè)量范圍僅受限于平臺(tái)移動(dòng)范圍的優(yōu)點(diǎn)［4］。本文研究了使用奧林巴斯的深紫外顯微鏡對(duì)微納尺度標(biāo)準(zhǔn)樣板進(jìn)行測(cè)量，介紹了深紫外顯微鏡組成及建立圖像測(cè)量標(biāo)尺的原理；對(duì)使用一維柵格標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)深紫外顯微鏡進(jìn)行了詳細(xì)的研究，通過(guò)對(duì)不確定度的來(lái)源進(jìn)行分析，得到深紫外顯微鏡測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)估。

2　深紫外顯微鏡的組成及測(cè)量原理

為實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片和掩模板尺寸的測(cè)量，采用奧林巴斯公司的MX51顯微鏡體和U-UVF248深紫外組件構(gòu)成的深紫外顯微鏡。它采用248nm波長(zhǎng)光源進(jìn)行照明，視場(chǎng)范圍50 μm，放大倍率250倍，分辨率達(dá)80nm。該顯微鏡最高80nm的分辨率大大超過(guò)了普通紫外顯微鏡的分辨率水平，保證了對(duì)微納尺度的芯片和掩模板的線寬及柵格關(guān)鍵尺寸的測(cè)量。奧林巴斯深紫外顯微鏡主要包括248nm紫外光源、紫外CCD相機(jī)、白光CCD相機(jī)、紫外聚束鏡組、白光聚束鏡組、紫外物鏡、白光物鏡以及載物臺(tái)等主要部件，見(jiàn)圖1。

圖1　奧林巴斯深紫外顯微鏡及一維柵格紫外光學(xué)成像

顯微鏡對(duì)線寬和柵格尺寸測(cè)量的步驟：首先建立顯微鏡圖像尺寸與實(shí)物尺寸對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺；然后用紫外顯微鏡對(duì)待測(cè)對(duì)象成像；最后用建立的標(biāo)尺測(cè)量出圖像中待測(cè)對(duì)象所對(duì)應(yīng)的實(shí)際幾何尺寸［5］。其中最重要的是建立標(biāo)尺的過(guò)程，首先使用標(biāo)準(zhǔn)樣板成像，然后用軟件畫(huà)出一條直線，使其兩端與標(biāo)準(zhǔn)樣板上兩條刻線重合，通過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)樣板上已知尺寸和尺寸對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)，得到每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際長(zhǎng)度（nm/pixel）［6，7］。

雖然通過(guò)建立標(biāo)尺實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際尺寸的測(cè)量，但是對(duì)測(cè)量結(jié)果的精確描述不只需要給出測(cè)量值，還必須能夠提供測(cè)量值的不確定度。而測(cè)量結(jié)果的不確定度需要對(duì)深紫外顯微鏡的校準(zhǔn)進(jìn)行研究?；诖?，研究使用了400nm一維柵格標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)深紫外顯微鏡進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)儀器不確定度和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)自身不確定度的評(píng)估，最終得到深紫外顯微鏡測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

3　校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及自身不確定度

在深紫外顯微鏡的校準(zhǔn)中，用作校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是國(guó)家納米科學(xué)中心研制的400nm一維柵格板標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，見(jiàn)圖2。該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)通過(guò)在硅基底上電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕得到。其圖案由標(biāo)格導(dǎo)引線以及中間尺寸為250 μm×250 μm的中心指示方框構(gòu)成。在指示方框的中心位置是40 μm×10 μm范圍，柵距為400nm的一維納米柵格特征結(jié)構(gòu)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相關(guān)資料可知，對(duì)于400nm的柵格，該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=1.33nm，有效自由度為νeff=79，取置信概率p=95％，查t分布得到：t0.95（79）=1.99。擴(kuò)展不確定度為：U95= k·uc=1.99×1.33=2.7nm

圖2　400nm一維柵格標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)圖案

4　不確定度評(píng)估和分析

248nm紫外顯微鏡的標(biāo)尺的誤差來(lái)源包含測(cè)量?jī)x器的不確定度和樣板引入的不確定度［8，9］。

（1）248nm紫外顯微鏡對(duì)400nm柵格樣板成像時(shí)，由于無(wú)法對(duì)焦到最精確的位置，導(dǎo)致的線寬邊緣展寬；以及由于物鏡等透鏡系統(tǒng)受到衍射效應(yīng)的影響導(dǎo)致的線寬邊緣展寬。

（2）紫外顯微鏡進(jìn)行線寬測(cè)量時(shí)，需要操作者使用軟件畫(huà)出一條對(duì)齊線寬兩端邊緣的線段對(duì)應(yīng)線寬，因?yàn)榫€寬由人手工確定，所以線寬受操作者觀察水平、細(xì)致程度和熟練程度的不同結(jié)果也不同，此誤差為示值誤差。

（3）樣板的安放與線寬測(cè)量方向不一致，因?yàn)榻嵌榷氲牟淮_定度誤差。

（4）根據(jù)一維柵格標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制報(bào)告中得到的擴(kuò)展不確定度值。

下面分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)儀器和儀器校準(zhǔn)線寬樣板兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析。

4.1紫外顯微鏡校準(zhǔn)

表1　10柵格對(duì)應(yīng)像素?cái)?shù)

在不確定度分量（1）和（2）中，紫外顯微鏡的儀器誤差與示值誤差因?yàn)樽罱K都對(duì)確定準(zhǔn)確邊緣產(chǎn)生影響，屬于多次測(cè)量重復(fù)性引入的誤差，因此可以歸為一類(lèi)。對(duì)該誤差的評(píng)估為通過(guò)10個(gè)線間隔多次測(cè)量得到像素?cái)?shù)變動(dòng)量的標(biāo)準(zhǔn)差u1。在上面建立標(biāo)尺的過(guò)程中，20次測(cè)量對(duì)應(yīng)的像素變動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差σn=0.887 pixel，10個(gè)柵格對(duì)應(yīng)的像素均值為219.45 pixel，又由于圖像上219.45個(gè)像素對(duì)應(yīng)10個(gè)400nm，所以測(cè)量誤差平均給每個(gè)像素引入的誤差：

在不確定度分量（3）中，樣板的安放與線寬測(cè)量方向夾角引入的不確定度根據(jù)多次測(cè)量經(jīng)驗(yàn)約為0.05nm，按均勻分布處理，包含因子估算相對(duì)不確定度為20％，采用B類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定為：

自由度為：

在不確定度分量（4）中，400nm柵格每周期的擴(kuò)展不確定度是2.7nm，因?yàn)槊總€(gè)柵格的不確定度分量來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)過(guò)程中各種隨機(jī)誤差的綜合作用，不同柵格之間可認(rèn)為是彼此獨(dú)立的分量，故柵格距離的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可采用相關(guān)系數(shù)r=0的A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)估方法［11，12］，其中m=10是柵格數(shù)，u（l）=2.7是1個(gè)柵格的擴(kuò)展不確定度。最后的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uCB=8.54nm。因此對(duì)于每個(gè)像素引入的不確定度為u3=8.54nm/219.45 pixel=0.039nm/pixel。

取靈敏系數(shù)ci=1，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到248nm紫外顯微鏡的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

最終得到標(biāo)尺每個(gè)像素的擴(kuò)展不確定度為U95=0.178nm（k=2）。

4.2實(shí)際線寬測(cè)量

當(dāng)用建立好的標(biāo)尺去測(cè)量實(shí)際線寬及線間隔等尺寸時(shí)，相應(yīng)測(cè)量值與測(cè)量不確定度分析如下：①對(duì)于線寬等尺寸的測(cè)量值，仍然采用與儀器校準(zhǔn)過(guò)程中相同的方法，通過(guò)多次測(cè)量減小隨機(jī)誤差的影響，最終的到測(cè)量值為L(zhǎng)=ˉn×δ，其中δ=18.227nm/ pixel。②對(duì)于測(cè)量不確定度，由標(biāo)尺每個(gè)像素的擴(kuò)展不確定度u和由于邊緣展寬產(chǎn)生的像素變動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差兩部分構(gòu)成。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

得到對(duì)線寬測(cè)量的擴(kuò)展不確定度為U95=2uc，k=2。例如實(shí)測(cè)15個(gè)線間隔，ˉn=329.84，σ=0.742，根據(jù)式（8）得到測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為144.736nm （k=2），與其他儀器測(cè)量結(jié)果近似，同時(shí)也符合不確定度隨測(cè)量范圍線性增長(zhǎng)的規(guī)律。

5　結(jié)論

248nm波長(zhǎng)紫外顯微鏡因?yàn)椴捎昧松钭贤庹彰骱凸鈱W(xué)系統(tǒng)，大大提高了紫外顯微鏡的分辨力，實(shí)現(xiàn)對(duì)微納線寬和線間隔的成像。對(duì)于這種高分辨率下光學(xué)測(cè)量?jī)x器的校準(zhǔn)尚未見(jiàn)過(guò)相關(guān)報(bào)道，故研究了該顯微鏡的測(cè)量不確定度評(píng)估公式，得到每個(gè)像素的擴(kuò)展不確定度為0.178nm，同時(shí)推導(dǎo)出了實(shí)際測(cè)量的擴(kuò)展不確定度公式，建立了對(duì)一維微納線寬和線間隔的校準(zhǔn)方法。

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The Research of Nanometer Linewidth Calibration Method Used by 248nm Ultraviolet Microscope

LI Qi1，LI Wei1，SHI Yu-shu1，GAO Si-tian1，LI Shi1，WANG He-qun1，YIN Chuan-xiang1，2

（1.National Institute of Metrology，Beijing 100029，China；2.Hefei University of Technology，Hefei，Anhui 230009，China）

When utilizing 248nm ultraviolet illumination，the microscope can attain as high as 80nm optical resolution，which can achieve the measurements of linewidth and one/two dimensional pitches of photomasks.But at present，the measurement uncertainty of 248nm UV microscope is not known yet，it is need to do calibration for the instrument.Since the measurement range of 248nm UV microscope is within nanometer range，it is reasonable to use 400nm one dimensional pitches standard materials to do calibration.Through the estimation of instrument uncertainty and standard materials own uncertainty，it can calculate the expansion uncertainty of a single pixel which equals to 0.178nm，and the uncertainty estimation formula of measurements are given.

Metrology；248nm；Ultraviolet microscope；Linewidth calibration；Pitches standard materials

TB921

A

1000-1158（2015）01-0006-04

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.01.02

2014-08-21；

2014-09-17

國(guó)家科學(xué)支撐計(jì)劃課題（2011BAK15B01；2011BAK15B02）

李琪（1982-），男，廣西桂林人，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院助理研究員，博士，主要從事微納幾何結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)量研究。liqi@nim.ac.cn高思田為本文通訊作者。gaost@nim.ac.cn