Линейная мера для измерений с помощью электронных и атомно-силовых микроскопов

В настоящее время измерения о микро- и наномеровом диапазонах осуществляются с помощью растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов. На­пример, на предприятиях, производящих микроэлектронные устройства, имеются операторы, измеряющие линей­ные размеры элементов ИМС в процессе их изготовления. Измерения производятся на электронных и атомно-сило­вых микроскопах.

Для обеспечения единства измерений и их точности проводится калибровка микроскопов по специальным об­разцам, — линейным мерам, выполненным в виде рельефных периодических структур с заданными параметрами профиля.

В атомно-силовой микроскопии для измерения разме­ров порядка атомарных в качестве линейных мер применяются периодические структуры в виде кристаллических решеток, параметры которых определены с помощью рент-геновской дифракции. Для калибровки микроскопов на диапазон измерений от нескольких нанометров до микро­метров в разных странах используются разные линейные меры. Одна из используемых в России линейных мер — МШПС 2,0 К, что означает — мера ширины и периода специальная, номинальный размер 2,0 мкм, кремниевая.

Это — универсальная (единая) мера для электронной и атомно-силовой микроскопии.

Линейная мера представляет собой из­готовленную по технологии микроэлектроники шаговую структуру на поверхности пластины кремния с ориента­цией (100). Рельеф структуры получается анизотропным травлением пластины кремния (100) в растворе КОН че­рез литографическую маску. Схема структуры с обозна­чением ее параметров приведена на рисунке 7.7.

Рисунок 7.7 – Схема шаговой структуры линейной меры МШПС-2.0 К.

Справа указаны кристаллографические ориентации боковых сторон и оснований выступов

В результате травления профиль каждой канавки приобретает форму трапеции с одинаковыми боковыми сторонами — плоскостями (111), а угол наклона боко­вой стороны относительно нижнего основания канавки равен 54,74^° — это угол между кристаллографиче­скими плоскостями моно­кристалла кремния (100) и (111); угол φ = 35,26^° (см. рисунок 7.7). Расстояние t на­зывается шагом структуры; u_p — ширина линии; h — высота (глубина) рельефа. При заданном шаге t структуры можно изготовить меры с шириной линий u_p, изменяющейся в диапазоне 30-500 нм, и глубиной рельефа h в 100-500 нм. Все три параметра шаговой структуры линейной меры задаются при её изготовлении.

На рисунке 7.8 приведено изо­бражение скола структуры ли­нейной меры.

Рисунок 7.8 – Скол линейной меры в электронном микроскопе (а) и

в атомно-силовом микроскопе (б)

Общий вид меры МШПС-2.0 К представлен нa рисунке 7.9а.

а	б	в

Рисунок 7.9 – Микрофотографии меры МШПС-2.0К, выполненные на растровом электронном микроскопе: Общий вид меры (а), Модель стремя шаговыми структурами (б), шаговая структура с 11 канавками и 10 выступами (в)

На площади 1×1 мм² по уг­лам квадрата и в его центре расположены 5 модулей, по три шаговые структуры в каж­дом. Увеличенное изображение одного модуля с тремя шаговы­ми структурами приведено на рисунке 7.9 б. На рисунке 7.9 в приве­дено изображение одной шаго­вой структуры с 11 канавками и 10 выступами. На рисунке 7.9 б,в видны маркерные липни, позволяющие устанавливать зонд кантилевера или электронный зонд на половине длины элемента рельефа и выбирать заданную пару элементов.

Аттестация линейных мер сводится к измерению их геометрических параметров с такой точностью, которая позволяет использовать эти меры для калибровки элек­тронных и атомно-силовых микроскопов.

Измерения на электронных микроскопах шага струк­туры в разных модулях показали, что его зна­чения отличаются друг от друга и разброс этих значений характеризуется среднеквадратической погрешностью 24 нм. Разброс обусловлен неровностями края и иными дефектами рисунка на шаблоне, а также неоднородностью свойств поверхности пластины кремния, локальной тур­булентностью потоков жидкости в травителе и други­ми причинами, оказывающими влияние на скорость трав­ления кремния.

Среднеквадратическая погрешность размера шага на малой площади составляет ~5 нм, что существенно мень­ше, чем при усреднении размера шага по всем 15 шаго­вым структурам. Поэтому для повышения точности атте­стации она производится следующим методом. Выбира­ется участок меры размером 2×3 мкм², расположенный в средней структуре центрального модуля, и измеряется расстояние между эквивалентными стенками второго и третьего выступов в районе маркерных линий (шаг меры t рисунок 7.7). Аттестуются также размеры оснований высту­пов b_р, канавок b_t, и величина h, т.е. глубина рельефа. По аттестованным элементам пользователь может сам экспе­риментально измерить размеры элементов во всех осталь­ных модулях и использовать эти данные в своей работе.

Аттестация мер производится на эталонной интерференционной установке, представляющей собой атомно-силовой микроскоп, у которого перемещения вдоль каж­дой из осей координат контролируются лазерными интерферометрическими измерителями наноперемещений. По всей трем координатам измерения производятся в долях длины волны лазерного излучения, то есть с абсолют­ной привязкой к первичному эталону единицы длины метру. Диапазон перемещений по осям х и у составляет 1 - 300 нм при погрешности измерений 3 нм. Диапазон пе­ремещений по оси z составляет
1-1000 нм при погрешности измерения 0,5-3 нм.

Меры МШПС-2,0 К рекомендуется для электронных и атомно-силовых микроскопов, работающих в диапазоне от 10 нм до 100 мкм. Используя аттестованные значения шага меры t и глубины рельефа h, определяют цену деления шка­лы АСМ вдоль оси сканирования, а также в направлении вертикальной оси. По аттестованным значениям высту­пов b_р, канавок b_t, ширины и_р, и_t и их измеренным с помощью АСМ значениям определя­ют радиус острия зонда. Используя МШПС 2.0 К, устанав­ливают и другие характеристики АСМ.