Ололо

Ü	d
Θ	3434

Мера МШПС 0.4К

Введение

В настоящий момент для калибровки растрового электронного микроскопа (РЭМ) и атомно-силового микроскопа (АСМ) наиболее подходящими являются меры, которые представляют собой шаговые структуры с трапециевидным профилем и большим углом наклона боковых стенок [1]. Данные структуры представляют собой совокупность повторяющихся в определенном направлении элементов рельефа в форме трапеции. Такие структуры могут быть получены с помощью анизотропного травления канавок в монокристаллическом кремнии с ориентацией поверхности (100) [2].

Требования

К универсальной мере для калибровки РЭМ и АСМ предъявляются следующие требования:

1. Рельефная структура должна быть шаговой [3]
2. Вся рельефная структура должна занимать небольшую площадь (меньше 10 мм²), а положение аттестованных элементов должно быть легко обнаружимо средствами измерений (РЭМ, АСМ)
3. Измерение ширины линии (размера верхнего основания) хотя бы одной из структур должно быть возможным на любом современном РЭМ и АСМ
4. Измеряемые ширина верхнего основания и шаг структур должны перекрывать большой диапазон размеров в субмикронной области
5. Структура должна обеспечивать измерение в РЭМ масштабного коэффициента по осям -X и -Y и эффективного диаметра зонда по одному изображению
6. Структура должна обеспечивать определение взаимной ортогональности осей сканирования отклоняющей системы РЭМ
7. Структура должна обеспечивать измерение в АСМ масштабного коэффициента по осям -X, -Y, -Z, эффективного радиуса острия кантилевера, неортогональности Z-сканера, взаимной ортогональности X-сканера и Y-сканера

Дизайн меры

Для выполнения выше изложенных требований был разработан дизайн меры, получившей неофициальное название МШПС 0.4К. Данная мера представляет собой квадратную пластину монокристаллического кремния размером 10 х 10 мм². На поверхности пластины сформированы шаговые структуры и нанесены специальные маркеры.

Рабочие элементы (рис. 1 а, б) расположены в центре пластины на площади
0,5 х 0,5 мм². В этой области по четырем углам квадрата и в его центре расположены 5 базовых блоков (рис. 1 в, г). Базовые блоки соединены маркерными направляющими линиями (на рис. 1 а обозначены оранжевым цветом), которые облегчают поиск базовых блоков на малых увеличениях в РЭМ.

Каждый базовый блок (рис. 1 в, г) представляет собой квадрат размером 0,1 x 0,1 мм² и содержит 4 угловых модуля (рис. 1в обозначены красным цветом), 4 шаговые структуры с шагом 1000 нм (на рис. 1в обозначены синим цветом) и 5 групп квадратных углублений (на рис. 1в обозначены серым цветом).

а)	б)
в)	г)
д)	е)
Рисунок 1 – Схема меры (а, в, д) и ее изображение в РЭМ (б, г, е) на разных масштабах: (а, б) общий вид, (в, г) базовый блок, (д, е) угловой модуль базового блока.

Рис. 2 Схема поперечного профиля шаговой структуры, где T – шаг,u_p – ширина элемента рельефа поверхности (верхнего основания), s – проекция наклонной стенки, h – глубина (высота рельефа).

Каждый угловой модуль (рис. 1д, е) содержит 2 серии шаговых структур по 3 шаговых структуры в каждой серии (на рис. 1 д обозначены красным цветом). Направление линий в одной серии перпендикулярно направлению линий в другой серии. Типовой вид шаговой структуры приведен на рисунке 2. Для всех угловых модулей номинальное значение шага структуры (период) T равно 400 нм, ширина элемента рельефа поверхности (верхнего основания) u_p составляет 50 нм Угол между плоскость пластинный и боковой стенкой определяется анизотропией травления кремния и соответствует углу между плоскостями {111} и {100}, который равен 54,7˚. Как следствие проекция наклонной стенки s составляет 175 нм, а глубина (высота рельефа) h – 247,5 нм. Для удобства идентификации шаговых структур в угловых модулях нанесены буквы латинского алфавита от A до F и арабские цифры от 1 до 6 (рис. 1г).

Шаговые структуры (4 шт.) на вертикальной и горизонтальной оси базового блока (на рис. 1в обозначены синим цветом) имеют номинальное значение шага 1000 нм и ширину верхнего основания – 400 нм. Для них проекция наклонной стенки s составляет 175 нм, а глубина (высота рельефа) h – 424,3 нм

Группы квадратных углублений (на рис. 1в обозначены серым цветом) представляют собой регулярную матрицу 25 x 25 элементов, состоящую из пирамидальных углублений с квадратной границей размерами около 150 x 150 нм, расположенных с периодом 400 нм по каждой оси, и предназначены для оперативного контроля и юстировки астигматизма в РЭМ.

Дополнительные аналогичные группы углублений (3 шт), занимающие площадь 100 x 100 мкм, находятся между базовыми блоками (на рис. 1а обозначены серым цвету). Период расположения углублений в этих группах составляет 0,5 мкм, 1 мкм и 2 мкм, а размер квадратной границы углубления – 100…200 нм.

Технология изготовления

Рельефные шаговые структуры были сформированы с помощью анизотропного травления пластины кремния {100} через маску SiO? ₂ в растворе КОН. Оксидная маска была сформирована при помощи изотропного травления оксида в буферном растворе HF через литографическую маску. После формирования шаговых структур на поверхности кремния были нанесены металлические маркерные линии и цифро-буквенные обозначения шаговых структур с помощью взрывной литографии. В результате травления кремния в КОН профиль каждого выступа имеет форму трапеции с равными боковыми сторонами, плоскость которых совпадает с плоскостями {111}. Направление линий шаговых структур совпадает с направлением <110>, поэтому две серии линий в рамках одного блока строго перпендикулярны друг другу.

Глубина рельефа h (рис. 2) определяется временем травления и может быть задана в диапазоне 200 – 300 нм для шаговых структур с периодом 400 нм и в диапазоне 300 – 600 нм для шаговых структур с периодом 1000 нм. Ширина элемента рельефа поверхности u_p (верхнего основания) определяется размерами литографической маски и временем травления, и может быть задана в диапазон 40 – 100 нм для шаговых структур с периодом 400 нм и в диапазоне 300 – 500 нм для шаговых структур с периодом 1000 нм (рис. 2). Глубина рельефа h и ширина верхнего основания u_p жестко связаны между собой при заданной величине периода T формулой

.(1)

Обоснование дизайна

В силу того, что конструкция меры содержит элементы меньше 100 нм, для создания маски использовалась электронная литография. Для обеспечения достаточного разрешения литографии и стабильности периода из-за аппаратных ограничений рабочая область литографии составляла 0,1 x 0,1 мм² (литография за 1 кадр), поэтому все калибровочные структуры содержатся в базовом блоке данного размера. Мультиплицирование базовых блоков в центре и по углам квадрата размером 0,5 мм осуществлялось за счет перемещения пластины с помощью литографического столика. Точность позиционирования при этом составляет порядка 5 мкм.

Дизайн базового блока разработан из соображений оптимального использования свободной площади квадрата размером 0,1 x 0,1 мм² (рис.1б). В каждом углу расположены 6 шаговых структур (3 горизонтально и 3 вертикально, на рис. 1в обозначены красным) с шагом 400 нм и шириной верхнего основания 50 нм (рис. 2). Изменяющиеся размер и взаимное расположение шаговых структур позволяют определять неортогональность направляющих векторов сканирования на разных увеличениях. Расстояние между шаговыми структурами составляет 5 микрон для устранения эффекта близости при литографии маски. В каждой шаговой структуре имеется 10 пирамидальных углублений (9 выступов) на поверхности кремния, так как в этом случае можно легко отсчитать центральные выступы при проведении измерений и избежать краевых эффектов при литографии.

Для облегчения поиска рабочей зоны на малых увеличениях РЭМ с помощью металлизации сделаны маркерные линии, соединяющие базовые блоки (на рис. 1а обозначены оранжевым цветом). В качестве материала выбран вольфрам, так как он обладает достаточной адгезией и обеспечивает хороший контраст с кремнием при обзоре в РЭМ. Для идентификации шаговые структуры внутри базового блока, по горизонтальной центральной линии базового блока было решено нанести буквенные маркеры (латинские буквы от A до F), а по вертикальной цифровые маркерные (арабские цифры от 1 до 6). По технологическим соображениям маркеры формируются с помощью металлизации (вольфрам) одновременно с выполнением маркерных линий.

Для привязки литографического рисунка при литографии по металлу к предварительно сформированной структуре в кремнии используются шаговые структуры с шагом 1000 нм (на рис. 1в обозначены синим цветом).

Список литературы

1. Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И., Раков А.В., Тодуа П.А. Линейная мера микрометрового и нанометрового диапазонов для растровой электронной и атомно-силовой микроскопии // Труды ИОФАН. 2006. Т. 62. С. 36–76.
2. Волк Ч.П, Горнев Е.С., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И., Прохоров А.М., Раков А.В. Линейная мера микронного, субмикронного и нанометрового диапазонов для измерений размеров элементов СБИС на растровых электронных и атомно-силовых микроскопах // Микроэлектроника. 2002. Т. 31, № 4. C. 243–262.
3. ГОСТ Р 8.628 – 2007. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния.