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原子力显微镜探针原位有效参数对线宽测量的修正

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  1 引 言

  微电子工业及微机电系统的发展需要精确的线宽和轮廓测量。扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)采用截面测量的方法可以获得样品的线宽和轮廓,但是这两种方法都具有一定的破坏性[1],而原子力显微镜(AFM)则可作为非破坏性的测量方法进行线宽和轮廓的测量[2]。

  AFM具有高的纵向和横向分辨率,在线间距和台阶高度的测量中能提供较强的比对能力[3, 4]。AFM用于线宽和表面轮廓的测量时,如果样品的表面特征具有较高的深宽比,由于探针具有一定的形状和尺寸,所以AFM具有较大的测量误差[5]。又由于探针的形状在使用的过程中会发生变化,同时探针在AFM上的安装状况也会存在一定的差异,因此在AFM的测量过程中要取下探针使用SEM观察探针的形状,从而其应用也存在一定的局限性。AFM要获得精确的线宽和轮廓测量结果,需要在原位表征探针的形状和尺寸[6]。

  本文在建立几何模型的基础上,对影响线宽测量精度的原位有效参数进行了定义;设计了表征样板,通过AFM和SEM对表征样板的比对测量获得探针的原位有效参数;建立了使用探针的原位有效参数对AFM线宽测量结果进行修正的模型。

  2 模 型

  首先从几何角度定义探针形状和安装状态。定义探针为圆锥体,针尖为球面,圆锥体和球面之间为切线方式过渡,圆锥体的半角为α,球面的半径为R,定义探针轴线和样品表面垂线之间的夹角β为探针的安装倾角。图1是AFM轮廓测量的几何模型[2]。因为探针扫描轮廓的顶边和斜边之间为弧形过渡,同时AFM具有高的横向和纵向分辨率,所以在轮廓的半高处进行线宽的比对测量。定义Δ为梯形轮廓和探针扫描轮廓在半高处的线宽差。设计表征样板的表征结构为一组平行的特征线,特征线的截面为梯形,两个表征样板具有不同的γ1。当γ1满足条件α+β>γ1、α-β>γ1时,可得:

  采用探针原位有效参数对AFM的线宽测量结果进行修正时,样品的特征线两侧边可能具有不同的斜度,应对两侧边分别进行修正。记Δ1为半高处线宽测量的单边误差。当γ2<α+β或α-β时

  当AFM获得的扫描轮廓的斜度γ2>α+β或α-β时,不存在测量的死区,线宽测量的误差可以采用式(5)进行修正。当γ2<α+β或α-β时,探针的测量存在死区,在式(4)中由于测量死区的存在而形成的线宽测量误差为第三项,认为使用式(4)的前两项修正线宽测量结果得到的是样品特征线具有垂直的侧边时的线宽。

  3 实 验

  两个表征样板为硅片上采用各向异性湿法刻蚀工艺加工的一组平行线,表征样板1采用(100)晶向的硅片,表征样板2采用(110)晶向的硅片。采用SEM(JSM6460, JEOL)测量表征样板的截面,认为SEM获得的截面数据为真实的截面数据。采用AFM(NanoScopeⅡ, Digital Instruments)对掩膜板进行线宽测量后对表征样板进行测量,通过三维图像获得掩膜板和表征样板特征线的扫描轮廓[7, 8]。图2和图3分别是SEM和AFM获得的表征样板的图像,图4为AFM获得的掩膜板的三维图像和探针扫描轮廓。

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