许晓青 李锁印 赵 琳 张晓东

(中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051)

1 引 言

格栅标准样片是一种具有二维正交结构的线距标准，在GB/T 27788—2011中，线距的定义为：样品上最靠近的两个相似特征之间的最小间隔，这种间隔在重复的样式上是相等的。美国国家标准技术研究院(NIST)[1,2]、德国国家物理技术实验室(PTB)[3]、英国国家物理实验室(NPL)[4]等国家机构均已发布了多个不同线距的标准参考物质(SRM)或实物标准(RM)。格栅标准样片不仅可以用于校准SEM类测量仪器的图像放大倍率，还可以用于校准该类仪器的图形畸变[5,6]。

近年来，国内外开展了一系列有关微纳米尺寸长度测量标准物质的研究。其中，微米尺度格栅标准样片质量参数的评价是一项重要的研究内容。本文提出了一种以线宽测试显微镜(CD-SEM)作为核心仪器进行质量参数评价的方法，并对其测量结果进行了分析。

2 微米尺度格栅标准样片的质量参数

作为校准SEM类测量仪器图像放大倍率和图形畸变的标准物质,根据国际标准化组织制订的国际标准ISO 16700—2016的要求，必须满足以下几个条件。

1)在SEM图像中有较好的对比度；

2)线边缘平直度良好；

3)样片线距的统一性(一致性)良好；

4)长期稳定性良好；

5)标定量值必须可溯源到一个正确的物理量值上[7]。

由上述几个基本特性的要求可知，格栅标准样片的线边缘平直度直接影响到线距尺寸的大小，该特征可归结到样片的均匀性中，因此，格栅标准样片的质量参数主要归纳为表面质量、均匀性和稳定性。

2.1 表面质量

表面质量主要包括标准样片盘坯的表面质量以及栅格的线条质量。样片盘坯的表面质量主要是指是否有划痕和崩边。线条质量包括线条是否有断线，栅格的相邻两个边是否垂直[8]。格栅的结构示意图如图1所示。

图1 格栅结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the grid pattern

2.2 均匀性

样片的均匀性主要是指不同区域线距尺寸的均匀性。在整个有效测量区域的不同位置选取五个区域作为均匀性考核区域，示意图如图2所示。在每个考核区域内分别选择n个周期的线距结构(n的选择与线距尺寸以及图像放大倍率有关，微米尺度样片建议1≤n≤5)，以成像区域中心线为中线测量线，根据实际成像结果在中线两侧各选取4条测量线，测量线选取位置示意图如图3所示。分别对成像区域中每条测量线上的线距尺寸进行测量，计算9次测量结果的平均值作为该区域测量结果，五个测量区域线距测量结果计算标准偏差作为该线距样片的栅格均匀性[9]。

图2 均匀性考核区域示意图Fig.2 Sketch image of uniformity assessment area

图3 区域均匀性选取位置示意图Fig.3 Sketch image of selection for regional uniformity

2.3 稳定性

(1)

3 质量参数评价装置

采用光学显微镜和CD-SEM对微米尺度格栅标准样片的质量参数进行测量，微米尺度格栅标准样片的质量参数评价装置框图如图4所示。

首先，采用光学显微镜对微米尺度格栅标准样片的样片盘坯的表面质量进行观察，应完好、无污渍、无变形及裂痕等表面缺陷。对盘坯表面质量合格的样片使用CD-SEM对线距尺寸的均匀性和稳定性参数进行测量。

图4 格栅标准样片质量参数评价装置框图Fig.4 Block diagram of quality parameter evaluation device for the grid pattern samples

CD-SEM测量原理为在高真空的环境下，通过电子枪高压引出电流形成电子束轰击样品表面产生二次电子置换，再由光电信号转换成像方式，把集成电路图形以光学显微镜所达不到的倍率高分辨率、高精度、高效率的方式展示出来，并通过专业量测软件对需要量测的线条进行测量。测量原理如图5所示。

图5 CD-SEM测量原理图Fig.5 Measurement schematic diagram of the CD-SEM

4 质量参数测量数据及验证

4.1 测量环境

格栅标准样片在进行线距尺寸的测量时需要相当严格的实验环境。温度的变化、尘埃粒子的数目(洁净度)、设备的振动等都需要符合微纳米尺寸测量的要求。本文所使用的CD-SEM放置在千级净化实验室，且配置了减震台，质量参数数据的整个测量过程基本消除了环境因素可能带来的测量误差。

4.2 实验

为了便于对比格栅标准样片的制作材料以及格栅高度对质量参数的影响，在硅晶圆片上分别以SiO2和 Si3N4制作了格栅结构，其中，SiO2/Si标准样片的格栅高度为100nm，Si3N4/Si标准样片的格栅高度分别为50nm，100nm，180nm。本文选择中国电科13所研制的标称尺寸为3μm的线距标准样片进行质量参数评价方法的验证。

4.2.1 表面质量

将上述各标准样片在CD-SEM上进行图像采集，设置相同的加载电压、电流以及图像放大倍率，各标准样片的采集图像如图6所示。由图中可以看出，在格栅高度相同的情况下，SiO2制作的格栅成像质量要优于Si3N4制作的格栅；在制作材料相同的情况下，格栅高度越高，成像质量越好。

图6 各标准样片的采集图像Fig.6 Collection image of the each standard sample

4.2.2 均匀性

对上述栅格标准样片进行均匀性测量，每种样片在5个均匀性考核区域的X、Y方向均选取n=2的线距结构进行考核，其测量数据(由于篇幅关系，本文只列出了每个均匀性考核区域的测量平均值)见表1。

表1 均匀性考核数据Tab.1 The measurement datas of uniformity材料SiO2/SiSi3N4/Si格栅高度/nm1005010050X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向各考核区域测量结果平均值/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均匀性/nm8.57.213.112.07.77.97.07.5

由表1中数据可知，对于同一个格栅标准样片来说，X方向与Y方向的均匀性参数相当；对于不同高度、不同材料的格栅标准样片来说，只有格栅高度为50nm的标准样片均匀性参数相对于其他样片来说数值偏大，经分析，是由于该样片对比度比较差[10]，因而造成CD-SEM实际测量时自动抓取的边缘与实际格栅边缘之间有误差，进而造成均匀性质量参数较差。

4.2.3 稳定性

对上述栅格标准样片进行稳定性考核，每种样片在中心区域的X、Y方向均选取2个线距结构进行考核。考核数据结果见表2。

表2 稳定性考核结果Tab.2 The measurement results of stability材料SiO2/SiSi3N4/Si格栅高度/nm10050100180X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向X方向Y方向稳定性/nm7.57.913.612.58.08.77.88.0

由表2数据可以看出，其测量结果同表1测量结果相似，经分析，造成该现象的原因亦相同。

通过以上质量参数数据结果可以看出，成像质量对于线距尺寸的测量结果非常重要，若要提高格栅样片成像质量，除了选择合适的材料外，还应使格栅具有一定的高度，从而使采集图像清晰，提高测量准确度。

5 结束语

本文提出了以CD-SEM作为主要测量仪器、介绍了微米尺度格栅标准样片质量参数的评价方法，并采用该方法对我单位制作的标称线距为3μm的不同格栅高度、不同材料的线距样片进行了各项质量参数的测量比较。通过比较，有针对性的分析影响测量结果的各项因素，从而选择优质的标准样片校准SEM类仪器的图像放大倍率和图形畸变，提高校准结果的准确度，在不同领域中得到应用。本文的质量参数评价方法对微米尺度格栅标准样片的实际应用分析有较好的参考价值。