ТЕСТОВЫЙ ОБЪЕКТ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ МИКРОСКОПОВ В МИКРОМЕТРОВОМ И НАНОМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНАХ
TEST OBJECT FOR CALIBRATING MICROSCOPES IN MICROMETER AND NANOMETER RANGES

Изобретение относится к области измерения длин отрезков, характеризующих геометрические параметры профиля элементов рельефа поверхности твердого тела, в микрометровом и нанометровом диапазонах, проводимого с помощью оптических цифровых и конфокальных микроскопов (ОЦМ и ОКМ), растровых электронных микроскопов (РЭМ) и сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) и может быть использовано для увеличения точности проводимых измерений при произвольной температуре.
Известны тестовые объекты для калибровки ОЦМ, ОКМ, РЭМ и СЗМ, используемые для измерения длин отрезков, характеризующих геометрические параметры профиля элементов рельефа поверхности твердого тела [1-3]. Например, тестовый объект - эталонной линейной меры, который представляет собой рельефные шаговые структуры на поверхности твердого тела, состоящие из пяти выступов с геометрической формой их профиля, близкой к прямоугольной [1]. Средний элемент этой структуры имеет большую длину по сравнению с четырьмя другими. Аттестованный шаг указанной структуры служит для калибровки увеличения РЭМ и СЗМ (определения цены деления шкал сканирования), но не обеспечивает сохранность шага при разной температуре структуры.
Известен также тестовый объект, выполненный в виде периодической монокристаллической кремниевой структуры с рельефной шаговой поверхностью, элементы которой имеют профиль в форме трапеции [2]. Угол наклона боковой стороны такой трапеции относительно нижнего основания постоянен и равен 54,74° (угол между кристаллографическими плоскостями кремния (100) и (111)). Данный тестовый объект с аттестованным шагом конкретной пары элементов его структуры позволяет определять единицу шкалы сканирования только в одном направлении (например, вдоль X) и при температуре, равной температуре калибровки.
Наиболее близким к заявляемому тестовым объектом является тестовый объект для калибровки растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов, выполненный в виде структуры с рельефной поверхностью, элементы которой имеют профиль с проекциями боковых сторон на плоскость нижнего основания, превышающими размеры зондов РЭМ и СЗМ, а во всех элементах рельефной поверхности выдержан постоянный угол между боковой гранью и плоскостью нижнего основания, сам же рельеф выполнен в виде совокупности ступенек, как минимум две из которых стыкуются под углом, не равным и не кратным 180°, например, под углом 90° друг к другу [3]. Данный тестовый объект выбран нами в качестве прототипа.
К основным недостаткам всех вышеперечисленных тестовых объектов [1-3] относится то, что определение единицы шкалы сканирования необходимо проводить при температуре аттестации тестового объекта либо вводить в расчетные формулы коэффициент термического расширения для учета изменения линейных размеров тестового объекта за счет изменения температуры. Кроме того, подобные тестовые объекты имеют ограниченный по размерам набор аттестованных структур, что затрудняет одновременное определение единиц шкалы сканирования в микрометровом и нанометровом диапазонах.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в повышении универсальности и точности измерений малых длин отрезков, характеризующих профиль элемента рельефа, как в микрометровом, так и в нанометровом диапазонах, выполняемых с помощью ОЦМ, ОКМ, РЭМ и СЗМ, при произвольной температуре из-за независимости точности измерений от температуры.
Поставленная задача решается тестовым объектом для калибровки микроскопов в микрометровом и нанометровом диапазонах, выполненным на монокристаллической поверхности кремния с кристаллографической ориентацией (100) в виде канавок с наклонными боковыми стенками, имеющих проекции боковых сторон на плоскость дна канавок, превышающие размеры электронного пучка РЭМ и зонда СЗМ, во всех элементах рельефной поверхности которых выдержан постоянный угол между боковой гранью и плоскостью дна канавок и как минимум две из канавок стыкуются под углом 90° друг к другу, отличающимся тем, что ширина, по крайней мере, двух канавок на поверхности тестового элемента различается в кратное количество раз, а ширина дна наибольшей из канавок может быть определена с высокой точностью на используемом при проведении измерений аттестованном измерительном оборудовании.
При этом стыкующиеся под углом 90° друг к другу канавки могут быть ориентированы своими сторонами по направлениям <110>, а ширина последовательно расположенных на поверхности тестового объекта канавок может соотноситься как 1:10:100:1000.
Таким образом, отличительными особенностями изобретения является то, что рельеф тестового объекта выполнен в виде совокупности канавок, ширина которых различается в заданное количество раз, причем ширина дна наибольшей по линейным размерам канавки может быть определена с высокой точностью на используемом для проведения измерений аттестованном измерительном оборудовании. При этом канавки могут быть ориентированы своими сторонами по направлениями <10>, а ширина последовательно расположенных канавок на поверхности кремния может соотноситься как 1:10:100:1000.
Независимость точности определения линейных размеров от температуры при использовании предлагаемого тестового объекта объясняется тем, что все канавки выполнены на одном и том же монокристаллическом материале, имеющем известный коэффициент термического расширения (к.т.р.). Поэтому линейные размеры канавок при разной температуре меняются пропорционально их размерам. Аттестовав при заданной температуре линейные размеры ширины канавок на поверхности тестового элемента, а также ширину максимальной по размерам канавки на ее дне либо ее глубину, мы тем самым определяем и аттестуем ширину дна всех остальных канавок при данной температуре, определить линейные размеры которых с помощью имеющегося аттестованного измерительного оборудования затруднительно или невозможно. При этом наименьшая по ширине канавка может иметь аттестованный линейный размер ширины дна, находящийся при нанометровом диаметре электронного пучка РЭМ или зонда СЗМ на уровне нескольких нанометров.
Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в повышении точности измерения линейных размеров объектов при произвольной температуре измерений в широком линейном диапазоне, включающем и нанометровый.
Изобретение поясняется рисунком.
<mrow />
На рисунке 1 приведено схематическое изображение тестового объекта для калибровки микроскопов в микрометровом и нанометровом диапазонах по предлагаемому изобретению, выполненного в виде двух канавок с отличающимися линейными размерами ширины канавок по поверхности тестового объекта и по основаниям канавок. Данный тестовый объект включает монокристаллическую кремниевую подложку с ориентацией поверхности (100) - 1, на которой методом анизотропного жидкостного травления через маску, имеющую заданные линейные размеры, создан рельеф, представляющий собой канавки с трапециевидным профилем, образованным пересечением поверхностей с кристаллографической ориентацией (100) - поверхность 1 и (111) - поверхность 2, причем наибольшая по ширине канавка имеет линейные размеры n
ширины дна, позволяющие определять эти линейные размеры с высокой точностью на поверенном измерительном оборудовании. Изображенный тестовый объект состоит из двух канавок, отличающихся по ширине канавок на поверхности объекта и на их дне, где 1 - поверхность тестового элемента с кристаллографической ориентацией (100); 2 - наклонные стенки канавок с кристаллографической ориентацией (111); 3 - ширина дна первой канавки; 4 - ширина дна второй канавки; 5 - ширина первой канавки на поверхности тестового объекта, 6 - ширина второй канавки на поверхности тестового объекта.
i
i
b
Как видно из рисунка, определив и аттестовав ширину канавок на поверхности - L и их кратность - n;, а также определив и аттестовав ширину дна максимальной по размерам канавки - L либо глубину дна канавок - h, мы калибруем ширину дна остальных канавок по формулам:
<mrow />
<mrow />
<mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>/</mo><msub><mi>L</mi><mi>i</mi></msub><mtext>                                             (1)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>n</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>L</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>L</mi><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mi>b</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                     (2)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>n</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>L</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><mi>h</mi><mo>/</mo><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>α</mi><mtext>                                      (3)</mtext></mrow>
ni
где L - ширина дна аттестуемой канавки при данной температуре; L - ширина наибольшей канавки по поверхности тестового объекта при той же температуре; α - угол наклона стенок канавок, т.е. угол между кристаллографическими плоскостями (111) и (100) в монокристалле кремния, равный 54,74°.
Измерение согласно изобретению выполняется следующим образом. Откалиброванный либо поверенный по ширине канавок на поверхности, а также по ширине дна, максимальной по ширине канавки, либо по глубине канавок тестовый объект устанавливают на столик для образцов микроскопа и проводят измерения ширины дна наибольшей по размерам канавки на микроскопе при температуре, соответствующей температуре измерения линейных размеров образцов.
Определив ширину дна данной канавки, вводят это значение в персональный компьютер и рассчитывают ширину дна всех остальных канавок по формуле (2), либо, определив глубину канавки при той же температуре, по формуле (3), используя полученные при калибровке либо поверке тестового объекта значения кратности ширины канавок по отношению к максимальной и ширину дна максимальной по ширине канавки. При этом глубину канавочной структуры можно рассчитать по формуле (4) не прибегая к измерениям:
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>L</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>n</mi><mi>i</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext> tg</mtext><mi>α</mi><mtext>                                    (4)</mtext></mrow>
На экране монитора микроскопа устанавливают изображение рельефа дна, выбранное для измерений при заданном увеличении канавки. Затем это изображение с помощью интерфейсного устройства переносится в персональный компьютер, в котором выполняется обработка кривых видеосигнала. По этим кривым определяют длину отрезков в пикселях изображения, характеризующего ширину дна, выбранную для измерений при заданном увеличении канавки. Поделив внесенную в память компьютера ширину дна данной канавки на измеренную ее ширину в пикселях, получаем цену деления шкал сканирования при данном увеличении микроскопа.
Тестовый объект для калибровки микроскопов в микрометровом и нанометровом диапазонах может быть изготовлен по стандартным технологическим процессам микроэлектроники с использованием фотолитографии и анизотропного жидкостного травления монокристаллической кремниевой пластины, рабочая поверхность которой имеет кристаллографическую ориентацию (100). При этом ширина дна канавок тестового объекта зависит только от глубины жидкостного анизотропного травления поверхности (100) кремния из-за постоянства угла наклона боковых стенок канавок и может целенаправленно варьироваться в широких пределах при изготовлении тестового объекта.
Тестовый объект согласно изобретению может найти широкое применение для калибровки ОЦМ, ОКМ, РЭМ и СЗМ, используемых в качестве средств измерения микронных и нанометровых длин элементов рельефа изделий, изготавливаемых по микро- и нанотехнологиям, а также при измерении линейных размеров нанопорошков, отдельных биологических объектов и шлифов аморфных и поликристаллических веществ.
Литература
1. Ч.П.Волк, Е.С.Горнев, Ю.А.Новиков, Ю.В.Озерин, Ю.И.Плотников, А.М.Прохоров, А.В.Раков. Тестовый объект для калибровки растровых электронных микроскопов // Патент на изобретение №2207503, приоритет от 29.03.2001, зарегистрирован 27 июня 2003 г.
2. Ч.П.Волк, Е.С.Горнев, Ю.А.Новиков, Ю.В.Озерин, Ю.И.Плотников, А.М.Прохоров, А.В.Раков. Линейная мера микронного, субмикронного и нанометрового диапазонов для измерений размеров элементов СБИС на растровых электронных и атомно-силовых микроскопах // Микроэлектроника, 2002, т.31, №4, с.243-262.
3. Ч.П.Волк, Е.С.Горнев, Ю.А.Новиков, Ю.В.Озерин, Ю.И.Плотников, А.В.Раков, П.А.Тодуа. Тестовый объект для калибровки растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов// Патент на изобретение №2325619, приоритет от 19.04.2006.