Тестовый объект для калибровки растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов
Изобретение относится к области измерения малых длин отрезков, характеризующих геометрические параметры профиля элементов рельефа поверхности твердого тела, в нанометровом диапазоне (1-1000 нм), проводимого с помощью растровых электронных (РЭМ) и сканирующих зондовых (СЗМ) микроскопов. Техническим результатом является повышение точности, уменьшение времени измерений малых длин отрезков, характеризующих профиль элемента рельефа, во всем нанометровом диапазоне и расширение функциональных свойств предлагаемой конструкции за счет возможности одновременной калибровки шкал сканирования РЭМ по двум осям, а СЗМ - по трем осям, определения линейности шкал сканирования и их ортогональности, а также определения размеров зондов РЭМ и СЗМ по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Тестовый объект для калибровки растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов выполнен в виде структуры с рельефной поверхностью, элементы которой имеют профиль, с проекциями их боковых сторон на плоскость основания, превышающими размеры зондов РЭМ и СЗМ. Для всех элементов выдержан постоянный острый угол между боковой гранью и плоскостью нижнего основания, причем рельеф выполнен в виде совокупности ступенек, как минимум две из которых стыкуются под углом, не равным и не кратным 180°. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области измерения малых длин отрезков, характеризующих геометрические параметры профиля элементов рельефа поверхности твердого тела, в нанометровом диапазоне (1÷1000 нм), проводимого с помощью растровых электронных (РЭМ) и сканирующих зондовых (СЗМ) микроскопов.
Известны тестовые объекты для калибровки РЭМ и СЗМ, используемых для выполнения измерения длин отрезков, характеризующих геометрические параметры профиля элементов рельефа поверхности твердого тела [1]. Эти тестовые объекты - эталонные линейные меры, которые представляют собой рельефные шаговые структуры на поверхности твердого тела, состоящие из пяти выступов с геометрической формой их профиля, близкой к прямоугольной. Средний элемент этой структуры имеет большую длину по сравнению с четырьмя другими. Аттестованный шаг указанной структуры служит для калибровки увеличения РЭМ и СЗМ (определения цены деления шкал сканирования), но не обеспечивает измерения размеров зондов микроскопов, значения которых необходимо знать для выполнения процедуры измерения линейных размеров конкретного элемента рельефа поверхности с высокой точностью.
Наиболее близким по технической сущности выполнением тестового объекта, выбранным в качестве прототипа, является конструкция тестового объекта, выполненного в виде периодической монокристаллической кремниевой структуры с рельефной шаговой поверхностью, элементы которой имеют профиль с формой трапеции. Проекция боковых сторон трапеции на основание заметно превышает размеры зондов указанных выше микроскопов, а острый угол наклона этих сторон относительно нижнего основания трапеции выдержан постоянным и равным 54,7° (угол между кристаллографическими плоскостями кремния (100) и (111) [2]. Фактически тестовый объект-прототип - это рельефная поверхность, представляющая собой суперпозицию линейно-протяженных, параллельных друг другу и развернутых друг относительно друга на угол 180° ступенек с известным постоянным углом наклона их боковых граней. Тестовый объект-прототип с калиброванным шагом конкретной пары элементов его структуры позволяет определять единицу шкалы сканирования и размер зонда РЭМ и СЗМ, но только в одном направлении (например, вдоль X).
Однако тестовый объект-прототип имеет существенные недостатки, заключающиеся в том, что для высокоточного измерения малых длин отрезков, характеризующих профиль элемента рельефа, необходима юстировка плоскости измеряемой структуры, которая должна быть ортогональна относительно оси зонда РЭМ и СЗМ или составлять заданный с ней угол для некоторых моделей последнего. Кроме того, конструкция тестового объекта-прототипа, как уже отмечалось выше, не позволяет калибровать обе оси сканирования РЭМ и все три оси сканирования СЗМ одновременно по одному и тому же участку рельефной структуры. Также объект-прототип не позволяет определить размеры зондов РЭМ и СЗМ одновременно по двум взаимно перпендикулярным направлениям.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении точности и уменьшении времени измерений малых длин отрезков, характеризующих профиль элемента рельефа, во всем нанометровом диапазоне, выполняемых с помощью РЭМ и СЗМ, а также в расширении функциональных свойств предлагаемой конструкции за счет возможности одновременной калибровки шкал сканирования РЭМ по двум осям и СЗМ - по трем осям, определения линейности шкал сканирования и их ортогональности, определения размеров зондов РЭМ и СЗМ по двум взаимно перпендикулярным направлениям с использованием одного и того же участка рельефной структуры объекта.
Поставленная задача решается в тестовом элементе для калибровки растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов, выполненном в виде структуры с рельефной поверхностью, элементы которой имеют профиль с проекциями боковых сторон на плоскость основания, превышающими размеры зондов РЭМ и СЗМ, и во всех элементах рельефной поверхности выдержан постоянный острый угол между боковой гранью и плоскостью нижнего основания, отличающемся тем, что рельеф выполнен в виде совокупности ступенек, как минимум две из которых стыкуются под углом не равным и не кратным 180°.
Таким образом, отличительными особенностями изобретения является то, что рельеф выполнен в виде совокупности ступенек, как минимум две из которых стыкуются под углом не равным и не кратным 180°; то, что ступеньки стыкуются под углом 90°; а также то, что четыре пары стыкующихся ступенек образуют рельефную структуру крестообразного выступа.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности и уменьшении времени измерения малых длин отрезков, характеризующих профиль элемента рельефа, во всем нанометровом диапазоне, а также в расширении функциональных свойств предлагаемой конструкции за счет возможности одновременной калибровки шкал сканирования РЭМ по двум осям, а для СЗМ по трем осям, определения линейности шкал сканирования и их ортогональности, определения размеров зондов РЭМ и СЗМ по двум взаимно перпендикулярным направлениям с использованием одного и того же участка рельефной структуры.
Изобретение поясняется приведенными чертежами.
На фиг.1 приведено схематическое изображение тестового объекта для калибровки РЭМ и СЗМ согласно изобретению. Предлагаемый тестовый объект включает подложку 1 с рельефной поверхностью, представляющей собой две ступеньки с общими верхним 2 и нижним 3 основаниями и боковыми наклонными гранями 4 и 5, пересекающимися под углом 6 (показан вариант пересечения под углом 90°). В обеих ступеньках выдержан известный и постоянный угол 9 между боковыми гранями ступенек 4 и 5 и плоскостью основания 3. Поскольку верхние и нижние основания обеих ступенек общие, то высоты 7 и 11 обеих ступенек одинаковы. Соответственно, проекции боковых сторон профиля рельефа 8 и 12 на плоскость основания 3 также одинаковы. Боковые грани ступенек пересекаются по прямой 10.
На фиг.2 показан вариант исполнения тестового объекта согласно изобретению, в котором стыкуются четыре пары ступенек (13-14; 15-16; 17-18; 19-20), образуя рельефную структуру крестообразного выступа.
Калибровка РЭМ с помощью тестового объекта согласно изобретению выполняется следующим образом. Тестовый объект устанавливается на столик для образцов микроскопа и затем проводится сканирование его рельефа зондом РЭМ при требуемой энергии электронов зонда. РЭМ должен работать в режиме сбора его детектором вторичных медленных электронов. На экране монитора РЭМ устанавливают часть изображения рельефа вблизи области пересечения боковых граней ступенек 4 и 5 (см. фиг.1). Затем это изображение с помощью интерфейсного устройства переносится в персональный компьютер, в котором выполняется обработка кривых видеосигнала. По этим кривым определяют длину отрезков в пикселях изображения, характеризующих проекции боковых стенок ступенек 8 и 12 согласно методу, изложенному в [3]. В паспорте тестового объекта приведены аттестованные значения этих проекций в нанометрах. Поделив паспортные значения соответствующих проекций на измеренные их длины в пикселях, получают цену деления шкал сканирования по двум взаимно перпендикулярным направлениям. При этом полученные данные не зависят от ошибок оператора при фокусировке зонда на образце. Получив эти результаты, по кривым видеосигнала определяют значения размеров электронного зонда по этим двум направлениям согласно методу из [3]. Такая калибровка РЭМ позволяет повысить точность и уменьшить время измерений.
Калибровка СЗМ с помощью тестового объекта согласно изобретению выполняется следующим образом. Тестовый объект устанавливают на столик СЗМ для образцов и выполняют сканирование области рельефа вблизи пересечения боковых граней 4 и 5 (см. фиг.1). Аттестованные значения размеров элементов рельефа (например, проекции боковых сторон 4 и 5 и высота ступеньки), приводимые в паспорте тестового объекта, позволяют по измеренным кривым видеосигнала СЗМ откалибровать цену деления его всех трех шкал сканирования, проконтролировать их взаимную ортогональность и по паспортным данным размера основания элемента рельефной структуры в виде крестообразного выступа определить размер зонда СЗМ согласно методу, изложенному в [3]. Такая одновременная калибровка СЗМ по трем его осям сканирования увеличивает точность и уменьшает время измерений отрезков малой длины.
Тестовый объект для калибровки РЭМ и СЗМ со взаимно перпендикулярными стыкующимися ступеньками может быть изготовлен по стандартным технологическим процессам микроэлектроники с использованием фотолитографии и анизотропного травления монокристаллической кремниевой пластины, рабочая поверхность которой ориентирована вдоль кристаллографической плоскости (100).
Тестовый объект согласно изобретению может найти широкое применение для калибровки РЭМ и СЗМ, используемых в качестве средств измерений малых длин элементов рельефа изделий, изготавливаемых по микро- и нанотехнологиям.
Литература
1. М.Т.Postek, A.E.Viladar, J.S.Villarrubia. Is a production level scanning microscope linewidth standard possible? // Procedings SPIE, vol.3898, pp.42-56, (2000).
2. Ч.П.Волк, Е.С.Горнев, Ю.А.Новиков, Ю.В.Озерин, Ю.И.Плотников, А.М.Прохоров, А.В.Раков. Тестовый объект для калибровки растровых электронных микроскопов // Патент на изобретение №2207503, приоритет от 29.03.2001, зарегистрирован 27 июня 2003 г.
3. Ч.П.Волк, Е.С.Горнев, Ю.А.Новиков, Ю.В.Озерин, Ю.И.Плотников, А.М.Прохоров, А.В.Раков. Линейная мера микронного, субмикронного и нанометрового диапазонов для измерений размеров элементов СБИС на растровых электронных и атомно-силовых микроскопов // Микроэлектроника, 2002, т.31, №4, с.243-262.
1. Тестовый объект для калибровки растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов, выполненный в виде структуры с рельефной поверхностью, элементы которой имеют профиль с проекциями боковых сторон на плоскость нижнего основания, превышающими размеры зондов РЭМ и СЗМ, и во всех элементах рельефной поверхности выдержан постоянный острый угол между боковой гранью и плоскостью нижнего основания, отличающийся тем, что рельеф выполнен в виде совокупности ступенек, как минимум две из которых стыкуются под углом, не равным и не кратным 180°.
2. Тестовый объект по п.1, отличающийся тем, что стыкующиеся ступеньки расположены под углом 90° друг к другу.
3. Тестовый объект по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что четыре пары стыкующихся ступенек образуют рельефную структуру крестообразного выступа.
