李 琪，李 偉，施玉書，高思田，李 適，王鶴群，尹傳祥，2

（1.中國計量科學研究院，北京　100029；2.合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，安徽　合肥　230009）

248nm紫外顯微鏡微納線寬校準方法的研究

李 琪1，李 偉1，施玉書1，高思田1，李 適1，王鶴群1，尹傳祥1，2

（1.中國計量科學研究院，北京100029；2.合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥230009）

248nm波長照明的紫外顯微鏡能夠獲得高達80nm的光學分辨率，可以實現(xiàn)對掩模板的線寬和一維/二維柵格參數(shù)的測量。作為測量儀器的248nm紫外顯微鏡需要對其進行校準。該顯微鏡測量范圍在nm量級，校準使用400nm一維柵格標準物質(zhì)，通過對儀器不確定度和標準物質(zhì)自身不確定度的評估，得到采集圖像每個像素的擴展不確定度為0.178nm，并給出了實際測量時的不確定度評價公式。

計量學；248nm；紫外顯微鏡；線寬校準；柵格標準物質(zhì)

1　引言

隨著半導體集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路制造工藝中芯片及掩模板的線寬和柵格的尺寸不斷縮小，對這些微納結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸的測量成為一個很大的挑戰(zhàn)［1，2］。根據(jù)國際權(quán)威的半導體行業(yè)發(fā)展路線圖（ITRS）的研究顯示，如果芯片器件出現(xiàn)十分之一的誤差，就會導致性能失效。目前，在線寬和柵格等二維微納幾何尺寸的測量中，可以采用的方法主要包括原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡和紫外光學顯微鏡等3種。其中前兩種測量設(shè)備雖然具有很高分辨率，但是掃描速度慢、范圍小，并且采用接觸式測量或者用帶電粒子束流轟擊樣品，所以在測量中采用最多的是紫外光學顯微鏡方法。紫外顯微鏡測量二維微納幾何尺寸是通過紫外照明光源和紫外透鏡組實現(xiàn)的［3］，根據(jù)衍射理論：

其中：δ為分辨率，λ為照明波長，NA為顯微鏡數(shù)值孔徑。當NA確定時，照射波長越短，分辨率越高。因此紫外顯微鏡比普通白光顯微鏡具有更高的光學分辨率。此外，紫外顯微鏡還具有高速、非接觸、測量范圍僅受限于平臺移動范圍的優(yōu)點［4］。本文研究了使用奧林巴斯的深紫外顯微鏡對微納尺度標準樣板進行測量，介紹了深紫外顯微鏡組成及建立圖像測量標尺的原理；對使用一維柵格標準物質(zhì)校準深紫外顯微鏡進行了詳細的研究，通過對不確定度的來源進行分析，得到深紫外顯微鏡測量結(jié)果的不確定度評估。

2　深紫外顯微鏡的組成及測量原理

為實現(xiàn)對芯片和掩模板尺寸的測量，采用奧林巴斯公司的MX51顯微鏡體和U-UVF248深紫外組件構(gòu)成的深紫外顯微鏡。它采用248nm波長光源進行照明，視場范圍50 μm，放大倍率250倍，分辨率達80nm。該顯微鏡最高80nm的分辨率大大超過了普通紫外顯微鏡的分辨率水平，保證了對微納尺度的芯片和掩模板的線寬及柵格關(guān)鍵尺寸的測量。奧林巴斯深紫外顯微鏡主要包括248nm紫外光源、紫外CCD相機、白光CCD相機、紫外聚束鏡組、白光聚束鏡組、紫外物鏡、白光物鏡以及載物臺等主要部件，見圖1。

圖1　奧林巴斯深紫外顯微鏡及一維柵格紫外光學成像

顯微鏡對線寬和柵格尺寸測量的步驟：首先建立顯微鏡圖像尺寸與實物尺寸對應(yīng)的標尺；然后用紫外顯微鏡對待測對象成像；最后用建立的標尺測量出圖像中待測對象所對應(yīng)的實際幾何尺寸［5］。其中最重要的是建立標尺的過程，首先使用標準樣板成像，然后用軟件畫出一條直線，使其兩端與標準樣板上兩條刻線重合，通過計算標準樣板上已知尺寸和尺寸對應(yīng)的像素數(shù)，得到每個像素對應(yīng)的實際長度（nm/pixel）［6，7］。

雖然通過建立標尺實現(xiàn)了對實際尺寸的測量，但是對測量結(jié)果的精確描述不只需要給出測量值，還必須能夠提供測量值的不確定度。而測量結(jié)果的不確定度需要對深紫外顯微鏡的校準進行研究?；诖?，研究使用了400nm一維柵格標準物質(zhì)對深紫外顯微鏡進行校準，通過對儀器不確定度和標準物質(zhì)自身不確定度的評估，最終得到深紫外顯微鏡測量結(jié)果的標準不確定度。

3　校準用標準物質(zhì)及自身不確定度

在深紫外顯微鏡的校準中，用作校準的標準物質(zhì)是國家納米科學中心研制的400nm一維柵格板標準物質(zhì)，見圖2。該標準物質(zhì)通過在硅基底上電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕得到。其圖案由標格導引線以及中間尺寸為250 μm×250 μm的中心指示方框構(gòu)成。在指示方框的中心位置是40 μm×10 μm范圍，柵距為400nm的一維納米柵格特征結(jié)構(gòu)。根據(jù)該標準物質(zhì)的相關(guān)資料可知，對于400nm的柵格，該標準物質(zhì)的合成標準不確定度uc=1.33nm，有效自由度為νeff=79，取置信概率p=95％，查t分布得到：t0.95（79）=1.99。擴展不確定度為：U95= k·uc=1.99×1.33=2.7nm

圖2　400nm一維柵格標準物質(zhì)圖案

4　不確定度評估和分析

248nm紫外顯微鏡的標尺的誤差來源包含測量儀器的不確定度和樣板引入的不確定度［8，9］。

（1）248nm紫外顯微鏡對400nm柵格樣板成像時，由于無法對焦到最精確的位置，導致的線寬邊緣展寬；以及由于物鏡等透鏡系統(tǒng)受到衍射效應(yīng)的影響導致的線寬邊緣展寬。

（2）紫外顯微鏡進行線寬測量時，需要操作者使用軟件畫出一條對齊線寬兩端邊緣的線段對應(yīng)線寬，因為線寬由人手工確定，所以線寬受操作者觀察水平、細致程度和熟練程度的不同結(jié)果也不同，此誤差為示值誤差。

（3）樣板的安放與線寬測量方向不一致，因為角度而引入的不確定度誤差。

（4）根據(jù)一維柵格標準物質(zhì)研制報告中得到的擴展不確定度值。

下面分別對標準物質(zhì)校準儀器和儀器校準線寬樣板兩個過程進行分析。

4.1紫外顯微鏡校準

表1　10柵格對應(yīng)像素數(shù)

在不確定度分量（1）和（2）中，紫外顯微鏡的儀器誤差與示值誤差因為最終都對確定準確邊緣產(chǎn)生影響，屬于多次測量重復(fù)性引入的誤差，因此可以歸為一類。對該誤差的評估為通過10個線間隔多次測量得到像素數(shù)變動量的標準差u1。在上面建立標尺的過程中，20次測量對應(yīng)的像素變動標準差σn=0.887 pixel，10個柵格對應(yīng)的像素均值為219.45 pixel，又由于圖像上219.45個像素對應(yīng)10個400nm，所以測量誤差平均給每個像素引入的誤差：

在不確定度分量（3）中，樣板的安放與線寬測量方向夾角引入的不確定度根據(jù)多次測量經(jīng)驗約為0.05nm，按均勻分布處理，包含因子估算相對不確定度為20％，采用B類方法進行評定為：

自由度為：

在不確定度分量（4）中，400nm柵格每周期的擴展不確定度是2.7nm，因為每個柵格的不確定度分量來自標準物質(zhì)校準過程中各種隨機誤差的綜合作用，不同柵格之間可認為是彼此獨立的分量，故柵格距離的合成標準不確定度可采用相關(guān)系數(shù)r=0的A類標準不確定度評估方法［11，12］，其中m=10是柵格數(shù)，u（l）=2.7是1個柵格的擴展不確定度。最后的合成標準不確定度uCB=8.54nm。因此對于每個像素引入的不確定度為u3=8.54nm/219.45 pixel=0.039nm/pixel。

取靈敏系數(shù)ci=1，經(jīng)過計算得到248nm紫外顯微鏡的合成標準不確定度為：

最終得到標尺每個像素的擴展不確定度為U95=0.178nm（k=2）。

4.2實際線寬測量

當用建立好的標尺去測量實際線寬及線間隔等尺寸時，相應(yīng)測量值與測量不確定度分析如下：①對于線寬等尺寸的測量值，仍然采用與儀器校準過程中相同的方法，通過多次測量減小隨機誤差的影響，最終的到測量值為L=ˉn×δ，其中δ=18.227nm/ pixel。②對于測量不確定度，由標尺每個像素的擴展不確定度u和由于邊緣展寬產(chǎn)生的像素變動標準差兩部分構(gòu)成。相應(yīng)的標準不確定度為：

得到對線寬測量的擴展不確定度為U95=2uc，k=2。例如實測15個線間隔，ˉn=329.84，σ=0.742，根據(jù)式（8）得到測量的標準不確定度為144.736nm （k=2），與其他儀器測量結(jié)果近似，同時也符合不確定度隨測量范圍線性增長的規(guī)律。

5　結(jié)論

248nm波長紫外顯微鏡因為采用了深紫外照明和光學系統(tǒng)，大大提高了紫外顯微鏡的分辨力，實現(xiàn)對微納線寬和線間隔的成像。對于這種高分辨率下光學測量儀器的校準尚未見過相關(guān)報道，故研究了該顯微鏡的測量不確定度評估公式，得到每個像素的擴展不確定度為0.178nm，同時推導出了實際測量的擴展不確定度公式，建立了對一維微納線寬和線間隔的校準方法。

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The Research of Nanometer Linewidth Calibration Method Used by 248nm Ultraviolet Microscope

LI Qi1，LI Wei1，SHI Yu-shu1，GAO Si-tian1，LI Shi1，WANG He-qun1，YIN Chuan-xiang1，2

（1.National Institute of Metrology，Beijing 100029，China；2.Hefei University of Technology，Hefei，Anhui 230009，China）

When utilizing 248nm ultraviolet illumination，the microscope can attain as high as 80nm optical resolution，which can achieve the measurements of linewidth and one/two dimensional pitches of photomasks.But at present，the measurement uncertainty of 248nm UV microscope is not known yet，it is need to do calibration for the instrument.Since the measurement range of 248nm UV microscope is within nanometer range，it is reasonable to use 400nm one dimensional pitches standard materials to do calibration.Through the estimation of instrument uncertainty and standard materials own uncertainty，it can calculate the expansion uncertainty of a single pixel which equals to 0.178nm，and the uncertainty estimation formula of measurements are given.

Metrology；248nm；Ultraviolet microscope；Linewidth calibration；Pitches standard materials

TB921

A

1000-1158（2015）01-0006-04

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.01.02

2014-08-21；

2014-09-17

國家科學支撐計劃課題（2011BAK15B01；2011BAK15B02）

李琪（1982-），男，廣西桂林人，中國計量科學研究院助理研究員，博士，主要從事微納幾何結(jié)構(gòu)尺寸計量研究。liqi@nim.ac.cn高思田為本文通訊作者。gaost@nim.ac.cn