МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 6, с. 419-428
ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ И МИКРОСТРУКТУР
УДК 537.533
ИЗМЕРЕНИЕ НА РАСТРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ МИКРОСКОПАХ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОСТРУКТУР В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ УВЕЛИЧЕНИЙ
© 2004 г. Ч. П. Волк1, Е. С. Горнев1, Ю. А. Новиков2, Ю. В. Озерин1, Ю. И. Плотников1, А. В. Раков2
1ОАО "НИИМЭ и завод Микрон" 2Центр естественно-научных исследований Института общей физики Российской АН
E-mail: nya@kapella.gpi.ru Поступила в редакцию 15.07.2003 г.
Предложен метод измерения на растровых электронных микроскопах (РЭМ) линейных размеров элементов микроструктур при произвольном выборе увеличения в широком диапазоне без специальной калибровки этого увеличения. Метод основан на использовании в качестве эталонного объекта аттестованной в специальных экспериментах электронной метки РЭМ. Описан метод такой аттестации с помощью меры МШПС-2.0К. Исследованы зависимости характеристик метки (начальной длины и ее реального размера) от величины рабочего отрезка РЭМ и декларируемого фирмой изготовителем РЭМ размера метки для микроскопа CamScan S-4. Определена периодичность аттестации метки для рассмотренного РЭМ.
1. ВВЕДЕНИЕ
Измерение линейных размеров на РЭМ является одной из важнейших операций, проводимых на РЭМ [1-5]. Особую роль эти действия стали играть в последнее время, когда были созданы высокоточные методы измерения [4-6]. Однако, ряд трудностей, связанных с разделением во времени калибровки микроскопа и определения размеров, затрудняют проведение измерений. Дело в том, что в основу измерения размеров на РЭМ [4, 7] положено условие, что увеличение и диаметр зонда РЭМ остаются такими же, как и в процессе калибровки. Однако, совершенно ясно, что при переходе от калибровки к измерению требуется смена образца (линейной меры на измеряемый объект). При этом всегда меняется как увеличение РЭМ, так и его фокусировка (действующий диаметр зонда).
Влияние фокусировки исследовалось ранее [7-9]. В этих работах были разработаны методы обучения оператора правильной фокусировки изображения РЭМ, которые минимизируют ошибки измерений, возникающие из-за ошибок фокусировки. Однако проблема фиксации увеличения остается.
Эту проблему можно разделить на две части. Первая, определяется трудностями воспроизведения на РЭМ необходимого увеличения, то есть такого, которое было определено в процессе калибровки. Вторая трудность связана с тем, что в процессе измерения принципиально необходимо устанавливать другое увеличение, например, из-
за того, что измеряемый объект не умещается на изображении при откалиброванном увеличении.
Настоящая работа предлагает один из вариантов решения проблемы несоответствия откалиб-рованного увеличения и увеличения в процессе измерения размеров исследуемого объекта.
2. ТЕОРИЯ МЕТОДА
Для решения проблемы калибровки увеличения РЭМ необходимо найти объект, который не связан с линейной мерой или измеряемым объектом, но напрямую связан с увеличением РЭМ и не зависит от фокусировки зонда. Независимость от фокусировки (диаметра) зонда является одним из основных требований к таким экспериментам, т.к. при измерении увеличения всегда требуется подфокусировка изображения. При этом невозможно проконтролировать неизменность диаметра пучка электронов на поверхности исследуемой структуры, а форма сигнала РЭМ, полученного при сканировании любых структур, сильно зависит от диаметра зонда [8].
Объектом, обладающим необходимыми свойствами, может быть электронная метка, впечатываемая в кадр изображения, получаемого на РЭМ.
2.1. Традиционное использование метки
Фирма изготовитель РЭМ приписывает размеру метки 1т величину ¡л, которую будем называть декларируемым размером метки. Этот размер обычно высвечивается на экране РЭМ рядом с
419
2*
меткой. При изменении увеличения меняется не только длина метки Ьт, на изображении, но и декларируемый размер \л. На длину метки оказывают влияние и другие характеристики РЭМ, включая величину рабочего отрезка, при котором происходит измерение. В случае выполнения условия
Ьт = мга,
(1)
где М - увеличение РЭМ, метка является линейной мерой, с помощью которой можно определить увеличение РЭМ при любой длине метки Ьт на изображении (любом увеличении) и, тем самым, провести измерения линейных размеров элементов микроструктур.
Однако, огромное количество экспериментов, выполненных на разных РЭМ разными специалистами, показали, что условие (1) практически никогда не выполняется. Поэтому, большинство специалистов в настоящее время или не используют метку вообще, или используют ее только для оценки размеров элементов микроструктур. Точные измерения размеров проводятся только после калибровки увеличения РЭМ [4, 6, 8] с помощью специальных линейных мер [3, 4, 6, 8, 10]. Однако, как указано выше, и калибровка увеличения обладает рядом принципиальных и неустранимых недостатков, затрудняющих проведение измерений. Поэтому появилась идея вернуть метке ее первоначальное значение линейной меры. Для этого необходимо осуществить калибровку метки, то есть экспериментально определить связь между длиной метки, ее размером, увеличением РЭМ и величиной рабочего отрезка.
2.2. Теория метки
Длина метки Ьт связана с размером метки 1т, увеличением М электронного микроскопа и величиной рабочего отрезка Я некоторой функциональной зависимостью
Ьт = /(1т, М, Я ).
(2)
В предположении линейной связи длины метки с увеличением РЭМ эта функция имеет вид
Ьт = М1т + Ьо,
(3)
где размер метки 1т и начальная (нулевая) длина метки Ь0 являются функциями рабочего отрезка
1т = 1т (Я), Ьо = Ьо (Я). (4)
В случае Ь0 = 0 и 1т = \л получаем выражение (1).
Физическим смыслом размера метки 1т является истинное (откалиброванное) значение единицы длины на изображении, в то время как смысл начальной длины метки Ь0 не вполне ясен. Анализ формирования изображения метки и ее применения при измерении линейных размеров ука-
зывает на следующие причины, влияющие на величину Ь0:
1) конструктивные особенности конкретного РЭМ, связывающие параметры метки с параметрами микроскопа;
2) работа электронных схем, генерирующих изображение метки;
3) форма метки, выбранная производителем РЭМ;
4) выбор контрольных точек на изображении метки, расстояние между которыми считается длиной метки.
Первая причина определяется конструкцией конкретного РЭМ и для пользователя недоступна. Вторая причина зависит от работы электронных схем, генерирующих изображение метки, и для пользователя также недоступна. Третья причина определяется формой изображения метки, выбираемой производителем. И эта причина недоступна для пользователя. Четвертая причина определяется выбором контрольных точек на изображении метки, расстояние между которыми считается размером метки. В основе этой причины лежит субъективный выбор конкретного оператора, проводящего измерения на РЭМ. Поэтому, даже при отсутствии трех первых причин, каждый оператор будет иметь различные величины начальной длины метки в соответствии со своими предпочтениями.
Отсюда следует простой вывод. Традиционный подход к проблеме использования метки обладает двумя существенными недостатками, заключающимися в отсутствии учета наличия начальной длины метки и зависимости размера метки и ее начальной длины от величины рабочего отрезка.
Таким образом, на величину начальной длины метки влияет большое количество различных причин, которые нельзя проконтролировать. Поэтому начальную длину метки (как и размер метки) необходимо научиться измерять (калибровать метку).
2.3. Калибровка метки
Калибровка метки определяет вид функциональной зависимости (2), связывающей длину метки с увеличением и рабочим отрезком, или (в случае линейной связи длины метки с увеличением РЭМ) зависимостями (4). Для этого необходим тест-объект, обладающий следующим свойством. На его изображении (видеосигнале), получаемом на РЭМ, есть контрольные точки, расстояние Р между которыми связано с аттестованным размером р элемента структуры выражением
Р = Мр.
(5)
Обычно такие тест-объекты используются для калибровки увеличения РЭМ. Меняя увеличение
и измеряя расстояние Р и длину метки Ьт, можно определить функцию
P = f ( Lm )
(6)
при разных декларируемых размерах метки 1й и разных рабочих отрезках. В случае линейной связи
P = A + BLm,
(7)
используя выражения (3) и (5), можно определить размер метки
lm = Р/B
и ее начальную длину
L0 = - A/B.
(8)
(9)
Здесь А и В - параметры, определяемые из эксперимента, а р - параметр, аттестованный метрологической службой.
Отметим, что начальную длину метки можно определить даже не зная точного значения величины измеряемого отрезка (см. выражение (9) и его отличие от (8)). Это указывает на возможность создания производителями РЭМ методов измерения начальной длины метки каждого конкретного РЭМ.
Таким образом, с помощью тест-объекта, используемого для калибровки увеличения РЭМ, можно осуществить калибровку метки в широком диапазоне изменения увеличения и рабочего отрезка.
2.4. Выбор тест объекта
Основная трудность экспериментов заключается в выборе тест-объекта для определения функциональной связи (3). После длительных экспериментов было установлено, что в качестве такого объекта наиболее удобна шаговая структура с трапециевидным профилем элементов рельефа, имеющим большие углы наклона боковых стенок [10]. Такая структура обладает рядом полезных свойств, достаточно подробно описанных в работах [6, 10]. Однако, в связи с особой важностью этих свойств для калибровки метки приведем эти свойства и в настоящей работе.
На рис. 1 показаны схема профиля шага структуры (рис. 1а) с ее параметрами и форма получаемого на РЭМ в режиме сбора вторичных медленных электронов видеосигнала (рис. 16) с измеряемыми параметрами видеосигнала.
В случае, если все характерные размеры элементов шаговой структуры (проекция боковой наклонной стенки 5 элемента структуры на ее основание, размеры верхних и и нижних Ь оснований трапециевидных выступов ир и Ьр и канавок щ
Рис. 1. Схемы шаговой структуры (а) с определяемыми параметрами и видеосигнала РЭМ (б) с измеряемыми параметрами.
и Ь) прев
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.