許曉青 李鎖印 趙 琳 張曉東

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

1 引 言

格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片是一種具有二維正交結(jié)構(gòu)的線(xiàn)距標(biāo)準(zhǔn)，在GB/T 27788—2011中，線(xiàn)距的定義為：樣品上最靠近的兩個(gè)相似特征之間的最小間隔，這種間隔在重復(fù)的樣式上是相等的。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(NIST)[1,2]、德國(guó)國(guó)家物理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(PTB)[3]、英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)[4]等國(guó)家機(jī)構(gòu)均已發(fā)布了多個(gè)不同線(xiàn)距的標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)(SRM)或?qū)嵨飿?biāo)準(zhǔn)(RM)。格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片不僅可以用于校準(zhǔn)SEM類(lèi)測(cè)量?jī)x器的圖像放大倍率，還可以用于校準(zhǔn)該類(lèi)儀器的圖形畸變[5,6]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列有關(guān)微納米尺寸長(zhǎng)度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研究。其中，微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片質(zhì)量參數(shù)的評(píng)價(jià)是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。本文提出了一種以線(xiàn)寬測(cè)試顯微鏡(CD-SEM)作為核心儀器進(jìn)行質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)的方法，并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。

2 微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量參數(shù)

作為校準(zhǔn)SEM類(lèi)測(cè)量?jī)x器圖像放大倍率和圖形畸變的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16700—2016的要求，必須滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件。

1)在SEM圖像中有較好的對(duì)比度；

2)線(xiàn)邊緣平直度良好；

3)樣片線(xiàn)距的統(tǒng)一性(一致性)良好；

4)長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好；

5)標(biāo)定量值必須可溯源到一個(gè)正確的物理量值上[7]。

由上述幾個(gè)基本特性的要求可知，格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的線(xiàn)邊緣平直度直接影響到線(xiàn)距尺寸的大小，該特征可歸結(jié)到樣片的均勻性中，因此，格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量參數(shù)主要?dú)w納為表面質(zhì)量、均勻性和穩(wěn)定性。

2.1 表面質(zhì)量

表面質(zhì)量主要包括標(biāo)準(zhǔn)樣片盤(pán)坯的表面質(zhì)量以及柵格的線(xiàn)條質(zhì)量。樣片盤(pán)坯的表面質(zhì)量主要是指是否有劃痕和崩邊。線(xiàn)條質(zhì)量包括線(xiàn)條是否有斷線(xiàn)，柵格的相鄰兩個(gè)邊是否垂直[8]。格柵的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 格柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the grid pattern

2.2 均勻性

樣片的均勻性主要是指不同區(qū)域線(xiàn)距尺寸的均勻性。在整個(gè)有效測(cè)量區(qū)域的不同位置選取五個(gè)區(qū)域作為均勻性考核區(qū)域，示意圖如圖2所示。在每個(gè)考核區(qū)域內(nèi)分別選擇n個(gè)周期的線(xiàn)距結(jié)構(gòu)(n的選擇與線(xiàn)距尺寸以及圖像放大倍率有關(guān)，微米尺度樣片建議1≤n≤5)，以成像區(qū)域中心線(xiàn)為中線(xiàn)測(cè)量線(xiàn)，根據(jù)實(shí)際成像結(jié)果在中線(xiàn)兩側(cè)各選取4條測(cè)量線(xiàn)，測(cè)量線(xiàn)選取位置示意圖如圖3所示。分別對(duì)成像區(qū)域中每條測(cè)量線(xiàn)上的線(xiàn)距尺寸進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算9次測(cè)量結(jié)果的平均值作為該區(qū)域測(cè)量結(jié)果，五個(gè)測(cè)量區(qū)域線(xiàn)距測(cè)量結(jié)果計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差作為該線(xiàn)距樣片的柵格均勻性[9]。

圖2 均勻性考核區(qū)域示意圖Fig.2 Sketch image of uniformity assessment area

圖3 區(qū)域均勻性選取位置示意圖Fig.3 Sketch image of selection for regional uniformity

2.3 穩(wěn)定性

(1)

3 質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)裝置

采用光學(xué)顯微鏡和CD-SEM對(duì)微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)裝置框圖如圖4所示。

首先，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的樣片盤(pán)坯的表面質(zhì)量進(jìn)行觀(guān)察，應(yīng)完好、無(wú)污漬、無(wú)變形及裂痕等表面缺陷。對(duì)盤(pán)坯表面質(zhì)量合格的樣片使用CD-SEM對(duì)線(xiàn)距尺寸的均勻性和穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

圖4 格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)裝置框圖Fig.4 Block diagram of quality parameter evaluation device for the grid pattern samples

CD-SEM測(cè)量原理為在高真空的環(huán)境下，通過(guò)電子槍高壓引出電流形成電子束轟擊樣品表面產(chǎn)生二次電子置換，再由光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成像方式，把集成電路圖形以光學(xué)顯微鏡所達(dá)不到的倍率高分辨率、高精度、高效率的方式展示出來(lái)，并通過(guò)專(zhuān)業(yè)量測(cè)軟件對(duì)需要量測(cè)的線(xiàn)條進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量原理如圖5所示。

圖5 CD-SEM測(cè)量原理圖Fig.5 Measurement schematic diagram of the CD-SEM

4 質(zhì)量參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)及驗(yàn)證

4.1 測(cè)量環(huán)境

格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片在進(jìn)行線(xiàn)距尺寸的測(cè)量時(shí)需要相當(dāng)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。溫度的變化、塵埃粒子的數(shù)目(潔凈度)、設(shè)備的振動(dòng)等都需要符合微納米尺寸測(cè)量的要求。本文所使用的CD-SEM放置在千級(jí)凈化實(shí)驗(yàn)室，且配置了減震臺(tái)，質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)的整個(gè)測(cè)量過(guò)程基本消除了環(huán)境因素可能帶來(lái)的測(cè)量誤差。

4.2 實(shí)驗(yàn)

為了便于對(duì)比格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的制作材料以及格柵高度對(duì)質(zhì)量參數(shù)的影響，在硅晶圓片上分別以SiO2和 Si3N4制作了格柵結(jié)構(gòu)，其中，SiO2/Si標(biāo)準(zhǔn)樣片的格柵高度為100nm，Si3N4/Si標(biāo)準(zhǔn)樣片的格柵高度分別為50nm，100nm，180nm。本文選擇中國(guó)電科13所研制的標(biāo)稱(chēng)尺寸為3μm的線(xiàn)距標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)方法的驗(yàn)證。

4.2.1 表面質(zhì)量

將上述各標(biāo)準(zhǔn)樣片在CD-SEM上進(jìn)行圖像采集，設(shè)置相同的加載電壓、電流以及圖像放大倍率，各標(biāo)準(zhǔn)樣片的采集圖像如圖6所示。由圖中可以看出，在格柵高度相同的情況下，SiO2制作的格柵成像質(zhì)量要優(yōu)于Si3N4制作的格柵；在制作材料相同的情況下，格柵高度越高，成像質(zhì)量越好。

圖6 各標(biāo)準(zhǔn)樣片的采集圖像Fig.6 Collection image of the each standard sample

4.2.2 均勻性

對(duì)上述柵格標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行均勻性測(cè)量，每種樣片在5個(gè)均勻性考核區(qū)域的X、Y方向均選取n=2的線(xiàn)距結(jié)構(gòu)進(jìn)行考核，其測(cè)量數(shù)據(jù)(由于篇幅關(guān)系，本文只列出了每個(gè)均勻性考核區(qū)域的測(cè)量平均值)見(jiàn)表1。

表1 均勻性考核數(shù)據(jù)Tab.1 The measurement datas of uniformity材料SiO2/SiSi3N4/Si格柵高度/nm1005010050X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向各考核區(qū)域測(cè)量結(jié)果平均值/μmA5.90245.88795.91365.89325.91925.89025.92105.9035B5.91025.88685.90125.89995.90465.88645.91055.8992C5.89155.87255.89085.88715.90635.87525.91455.8851D5.90185.87965.91585.87705.90805.88055.92885.8910O5.88985.89015.92415.87015.92115.89535.92125.8996均勻性/nm8.57.213.112.07.77.97.07.5

由表1中數(shù)據(jù)可知，對(duì)于同一個(gè)格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片來(lái)說(shuō)，X方向與Y方向的均勻性參數(shù)相當(dāng)；對(duì)于不同高度、不同材料的格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片來(lái)說(shuō)，只有格柵高度為50nm的標(biāo)準(zhǔn)樣片均勻性參數(shù)相對(duì)于其他樣片來(lái)說(shuō)數(shù)值偏大，經(jīng)分析，是由于該樣片對(duì)比度比較差[10]，因而造成CD-SEM實(shí)際測(cè)量時(shí)自動(dòng)抓取的邊緣與實(shí)際格柵邊緣之間有誤差，進(jìn)而造成均勻性質(zhì)量參數(shù)較差。

4.2.3 穩(wěn)定性

對(duì)上述柵格標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行穩(wěn)定性考核，每種樣片在中心區(qū)域的X、Y方向均選取2個(gè)線(xiàn)距結(jié)構(gòu)進(jìn)行考核?？己藬?shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 穩(wěn)定性考核結(jié)果Tab.2 The measurement results of stability材料SiO2/SiSi3N4/Si格柵高度/nm10050100180X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向穩(wěn)定性/nm7.57.913.612.58.08.77.88.0

由表2數(shù)據(jù)可以看出，其測(cè)量結(jié)果同表1測(cè)量結(jié)果相似，經(jīng)分析，造成該現(xiàn)象的原因亦相同。

通過(guò)以上質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，成像質(zhì)量對(duì)于線(xiàn)距尺寸的測(cè)量結(jié)果非常重要，若要提高格柵樣片成像質(zhì)量，除了選擇合適的材料外，還應(yīng)使格柵具有一定的高度，從而使采集圖像清晰，提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了以CD-SEM作為主要測(cè)量?jī)x器、介紹了微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片質(zhì)量參數(shù)的評(píng)價(jià)方法，并采用該方法對(duì)我單位制作的標(biāo)稱(chēng)線(xiàn)距為3μm的不同格柵高度、不同材料的線(xiàn)距樣片進(jìn)行了各項(xiàng)質(zhì)量參數(shù)的測(cè)量比較。通過(guò)比較，有針對(duì)性的分析影響測(cè)量結(jié)果的各項(xiàng)因素，從而選擇優(yōu)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣片校準(zhǔn)SEM類(lèi)儀器的圖像放大倍率和圖形畸變，提高校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，在不同領(lǐng)域中得到應(yīng)用。本文的質(zhì)量參數(shù)評(píng)價(jià)方法對(duì)微米尺度格柵標(biāo)準(zhǔn)樣片的實(shí)際應(yīng)用分析有較好的參考價(jià)值。