微米尺度格柵標準樣片的質量參數評價

許曉青 李鎖印 趙 琳 張曉東

(中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051)

1 引 言

格柵標準樣片是一種具有二維正交結構的線距標準，在GB/T 27788—2011中，線距的定義為：樣品上最靠近的兩個相似特征之間的最小間隔，這種間隔在重復的樣式上是相等的。美國國家標準技術研究院(NIST)[1,2]、德國國家物理技術實驗室(PTB)[3]、英國國家物理實驗室(NPL)[4]等國家機構均已發布了多個不同線距的標準參考物質(SRM)或實物標準(RM)。格柵標準樣片不僅可以用于校準SEM類測量儀器的圖像放大倍率，還可以用于校準該類儀器的圖形畸變[5,6]。

近年來，國內外開展了一系列有關微納米尺寸長度測量標準物質的研究。其中，微米尺度格柵標準樣片質量參數的評價是一項重要的研究內容。本文提出了一種以線寬測試顯微鏡(CD-SEM)作為核心儀器進行質量參數評價的方法，并對其測量結果進行了分析。

2 微米尺度格柵標準樣片的質量參數

作為校準SEM類測量儀器圖像放大倍率和圖形畸變的標準物質,根據國際標準化組織制訂的國際標準ISO 16700—2016的要求，必須滿足以下幾個條件。

1)在SEM圖像中有較好的對比度；

2)線邊緣平直度良好；

3)樣片線距的統一性(一致性)良好；

4)長期穩定性良好；

5)標定量值必須可溯源到一個正確的物理量值上[7]。

由上述幾個基本特性的要求可知，格柵標準樣片的線邊緣平直度直接影響到線距尺寸的大小，該特征可歸結到樣片的均勻性中，因此，格柵標準樣片的質量參數主要歸納為表面質量、均勻性和穩定性。

2.1 表面質量

表面質量主要包括標準樣片盤坯的表面質量以及柵格的線條質量。樣片盤坯的表面質量主要是指是否有劃痕和崩邊。線條質量包括線條是否有斷線，柵格的相鄰兩個邊是否垂直[8]。格柵的結構示意圖如圖1所示。

圖1 格柵結構示意圖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域線距尺寸的均勻性。在整個有效測量區域的不同位置選取五個區域作為均勻性考核區域，示意圖如圖2所示。在每個考核區域內分別選擇n個周期的線距結構(n的選擇與線距尺寸以及圖像放大倍率有關，微米尺度樣片建議1≤n≤5)，以成像區域中心線為中線測量線，根據實際成像結果在中線兩側各選取4條測量線，測量線選取位置示意圖如圖3所示。分別對成像區域中每條測量線上的線距尺寸進行測量，計算9次測量結果的平均值作為該區域測量結果，五個測量區域線距測量結果計算標準偏差作為該線距樣片的柵格均勻性[9]。

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

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

2.3 穩定性

(1)

3 質量參數評價裝置

采用光學顯微鏡和CD-SEM對微米尺度格柵標準樣片的質量參數進行測量，微米尺度格柵標準樣片的質量參數評價裝置框圖如圖4所示。

首先，采用光學顯微鏡對微米尺度格柵標準樣片的樣片盤坯的表面質量進行觀察，應完好、無污漬、無變形及裂痕等表面缺陷。對盤坯表面質量合格的樣片使用CD-SEM對線距尺寸的均勻性和穩定性參數進行測量。

圖4 格柵標準樣片質量參數評價裝置框圖Fig.4 Block diagram of quality parameter evaluation device for the grid pattern samples

CD-SEM測量原理為在高真空的環境下，通過電子槍高壓引出電流形成電子束轟擊樣品表面產生二次電子置換，再由光電信號轉換成像方式，把集成電路圖形以光學顯微鏡所達不到的倍率高分辨率、高精度、高效率的方式展示出來，并通過專業量測軟件對需要量測的線條進行測量。測量原理如圖5所示。

圖5 CD-SEM測量原理圖Fig.5 Measurement schematic diagram of the CD-SEM

4 質量參數測量數據及驗證

4.1 測量環境

格柵標準樣片在進行線距尺寸的測量時需要相當嚴格的實驗環境。溫度的變化、塵埃粒子的數目(潔凈度)、設備的振動等都需要符合微納米尺寸測量的要求。本文所使用的CD-SEM放置在千級凈化實驗室，且配置了減震臺，質量參數數據的整個測量過程基本消除了環境因素可能帶來的測量誤差。

4.2 實驗

為了便于對比格柵標準樣片的制作材料以及格柵高度對質量參數的影響，在硅晶圓片上分別以SiO2和 Si3N4制作了格柵結構，其中，SiO2/Si標準樣片的格柵高度為100nm，Si3N4/Si標準樣片的格柵高度分別為50nm，100nm，180nm。本文選擇中國電科13所研制的標稱尺寸為3μm的線距標準樣片進行質量參數評價方法的驗證。

4.2.1 表面質量

將上述各標準樣片在CD-SEM上進行圖像采集，設置相同的加載電壓、電流以及圖像放大倍率，各標準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制作的格柵成像質量要優于Si3N4制作的格柵；在制作材料相同的情況下，格柵高度越高，成像質量越好。

圖6 各標準樣片的采集圖像Fig.6 Collection image of the each standard sample

4.2.2 均勻性

對上述柵格標準樣片進行均勻性測量，每種樣片在5個均勻性考核區域的X、Y方向均選取n=2的線距結構進行考核，其測量數據(由于篇幅關系，本文只列出了每個均勻性考核區域的測量平均值)見表1。

表1 均勻性考核數據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方向各考核區域測量結果平均值/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中數據可知，對于同一個格柵標準樣片來說，X方向與Y方向的均勻性參數相當；對于不同高度、不同材料的格柵標準樣片來說，只有格柵高度為50nm的標準樣片均勻性參數相對于其他樣片來說數值偏大，經分析，是由于該樣片對比度比較差[10]，因而造成CD-SEM實際測量時自動抓取的邊緣與實際格柵邊緣之間有誤差，進而造成均勻性質量參數較差。

4.2.3 穩定性

對上述柵格標準樣片進行穩定性考核，每種樣片在中心區域的X、Y方向均選取2個線距結構進行考核。考核數據結果見表2。

表2 穩定性考核結果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方向穩定性/nm7.57.913.612.58.08.77.88.0

由表2數據可以看出，其測量結果同表1測量結果相似，經分析，造成該現象的原因亦相同。

通過以上質量參數數據結果可以看出，成像質量對于線距尺寸的測量結果非常重要，若要提高格柵樣片成像質量，除了選擇合適的材料外，還應使格柵具有一定的高度，從而使采集圖像清晰，提高測量準確度。

5 結束語

本文提出了以CD-SEM作為主要測量儀器、介紹了微米尺度格柵標準樣片質量參數的評價方法，并采用該方法對我單位制作的標稱線距為3μm的不同格柵高度、不同材料的線距樣片進行了各項質量參數的測量比較。通過比較，有針對性的分析影響測量結果的各項因素，從而選擇優質的標準樣片校準SEM類儀器的圖像放大倍率和圖形畸變，提高校準結果的準確度，在不同領域中得到應用。本文的質量參數評價方法對微米尺度格柵標準樣片的實際應用分析有較好的參考價值。