基于圖像處理的掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)方法

張曉東， 趙 琳， 李鎖印， 韓志國， 許曉青， 吳愛華

(中國電子科技集團公司第十三研究所， 河北 石家莊 050051)

0 引 言

隨著半導(dǎo)體器件呈現(xiàn)尺寸越來越小、 集成度以及性能越來越高的發(fā)展趨勢， 器件上的關(guān)鍵尺寸也根據(jù)摩爾定律呈現(xiàn)0.7倍的速率下降. 因此， 關(guān)鍵尺寸的準(zhǔn)確測量問題成為了提高器件性能的關(guān)鍵. 掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope， SEM)是利用二次電子信號成像的方式觀察樣品的表面信息， 即用極狹窄的電子束來掃描樣板， 通過電子束和樣品之間的相互作用獲得表面形貌的信息. 由于掃描電子顯微鏡的測量準(zhǔn)確度高、 速度快， 被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的測試[1]. 因此， 解決SEM的溯源問題， 對提高儀器測量準(zhǔn)確度十分重要.

20世紀(jì)， 國家先后發(fā)布了JJG550-1988《掃描電子顯微鏡試行檢定規(guī)程》、 JJG(教委)010-1996《分析型掃描電子顯微鏡檢定規(guī)程》. 規(guī)程中對掃描電子顯微鏡的放大倍率示值誤差、 放大倍率重復(fù)性、 圖像的線性失真度、 二次電子像分辨本領(lǐng)、 X射線能譜儀等參數(shù)， 規(guī)定了檢定要求[2-4]. 但隨著電子顯微技術(shù)的發(fā)展， 舊有檢定規(guī)程的部分技術(shù)指標(biāo)以及校準(zhǔn)方法已不適合掃描電子顯微鏡的實際需求. 此外， 缺乏科學(xué)、 有效、 統(tǒng)一的校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器， 其中線寬樣板、 線間隔樣板、 二維格柵樣板等標(biāo)準(zhǔn)器都可以用來校準(zhǔn)掃描電子顯微鏡. 2021年， 國家頒布了新的校準(zhǔn)規(guī)范JJF1916-2021《掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)規(guī)范》， 規(guī)范對測長示值誤差、 正交畸變和線性失真度等3個參數(shù)提出了計量要求[5].

針對規(guī)范中需要的校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器， 采用光刻工藝研制了一套標(biāo)稱值為100 nm～10 μm的線間隔樣板和標(biāo)稱值為2 μm ～10 μm的格柵樣板， 并采用可溯源原子力顯微鏡進行考核和定值. 線間隔樣板能夠滿足測長示值誤差在3 K～1 000 K放大倍率下的校準(zhǔn)需求， 格柵樣板能夠滿足正交畸變、 線性失真度的校準(zhǔn)需求[6-7]. 此外， 采用線間隔樣板和格柵樣板作為標(biāo)準(zhǔn)器， 研究了一種基于圖像處理的掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)方法. 該方法是圖像處理算法對掃描電子顯微鏡采集的樣板結(jié)構(gòu)進行圖像處理獲取數(shù)據(jù)， 能夠降低掃描電子顯微鏡手動測量帶來的誤差， 是對掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)方法的補充， 進而能夠有效提高校準(zhǔn)效率和準(zhǔn)確度.

1 標(biāo)準(zhǔn)器研制

標(biāo)準(zhǔn)器的制備工藝包括： 材料準(zhǔn)備、 氧化、 涂膠、 曝光、 顯影、 刻蝕、 去膠等工藝步驟， 如圖 1 所示[8]. 氧化過程是在Si晶圓片上氧化一層SiO2膜. 涂膠過程是在勻膠顯影機的旋涂單元中完成， 旋涂單元是負(fù)責(zé)對晶圓表面做光刻膠涂覆， 實現(xiàn)指定的厚度和均勻性； 曝光過程是在光刻機內(nèi)進行， 采用的是接觸式曝光方法， 即掩模板和晶圓表面直接接觸， 掩模板上的圖形被1∶1地直接投射在晶圓表面的光刻膠上； 刻蝕過程先采用干法刻蝕， 使刻蝕深度接近臺階預(yù)期尺寸， 再采用濕法刻蝕， 對臺階的底面進行平整光滑處理； 去膠過程采用傳統(tǒng)去膠工藝， 使用98%的H2SO4和30%的H2O2按照4∶1的比例調(diào)制而成的混合液對光刻膠進行清洗. 硫酸先將有機物中的H和O去除， 使其快速碳化， 然后， 雙氧水參與反應(yīng)生成揮發(fā)性的CO和CO2， 最后， 使用去離子水沖洗. 濺射是在線間隔樣板和格柵樣板的上下表面濺射一層金屬鉻， 其主要特點是質(zhì)硬而脆、 抗腐蝕性強， 具有導(dǎo)電性， 保證平面度[9].

采用半導(dǎo)體工藝制備的線間隔樣板和格柵樣板如圖 2 所示.

圖 1 線間隔樣板的制備工藝流程

(a) 標(biāo)稱值為100 nm的線間隔樣板

2 邊緣檢測算法

為了提高線間隔樣板和格柵樣板的定值準(zhǔn)確度， 研究了一種邊緣檢測算法[10]. 該算法基于統(tǒng)計學(xué)原理， 通過檢驗圖像兩個區(qū)域數(shù)值差異性來獲取圖像邊緣位置， 進而計算光柵線距. 其中， 將圖像分為A和B兩個區(qū)域， 基于t檢驗原理， 提出邊緣檢測函數(shù)， 如下式所示.

(1)

1) 通過Hough變換， 檢測待測光柵的方向與數(shù)據(jù)模板移動的區(qū)域；

2) 通過邊緣檢測函數(shù)， 計算圖像波峰；

3) 將數(shù)據(jù)模板步長調(diào)校到亞像素， 尋找邊界的亞像素位置；

4) 基于亞像素位置， 計算樣板的幾何尺寸[11].

3 校準(zhǔn)方法研究

3.1 測長示值誤差

依據(jù)JJF1916-2021《掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)規(guī)范》， 選取標(biāo)準(zhǔn)樣板圖像上M(M≥5)個柵格結(jié)構(gòu)， 測量線條中心間距L[5].間距L可由左側(cè)邊緣間距與右側(cè)邊緣間距的平均值計算， 即L=(L1+L2)/2， 連續(xù)測量3次， 取平均值作為最后測量結(jié)果， 如圖 3 所示.

圖 3 X向校準(zhǔn)示意圖

因此， 測長示值誤差的計算結(jié)果如式(2)和式(3) 所示.

(2)

(3)

圖像處理軟件是用于算法開發(fā)、 數(shù)據(jù)可視化、 數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級計算語言和交互式數(shù)學(xué)軟件， 在繪圖技術(shù)、 圖像用戶界面應(yīng)用、 圖像處理技術(shù)等方面有著廣泛的應(yīng)用[12]. 基于測長示值誤差的校準(zhǔn)原理， 通過邊緣檢測算法獲取X和Y向測量值的方法， 進而獲取測長示值誤差， 如圖 4 所示[13].

圖 4 測長示值誤差校準(zhǔn)方法

被校儀器為某型號掃描電子顯微鏡， 放大倍率最大為200 K， 在高、 中、 低等不同倍率下進行校準(zhǔn)， 計算X和Y方向上的測長示值誤差以相對值給出， 如表 1 所示.

表 1 測長示值誤差校準(zhǔn)結(jié)果

3.2 正交畸變

依據(jù)JJF1916-2021《掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)規(guī)范》， 采用10 μm格柵樣板， 在1 K倍率下校準(zhǔn)正交畸變[5]. 選取X和Y向上5個間隔周期以上測量長度， 使用圖像處理程序計算橫向和縱向的夾角， 并與標(biāo)準(zhǔn)樣板實際值的差為校準(zhǔn)結(jié)果， 如圖 5 所示. 例如： 格柵樣板的標(biāo)準(zhǔn)值為1.57 rad， 測量結(jié)果為1.56 rad， 則正交畸變?yōu)?.64%.

圖 5 正交畸變校準(zhǔn)方法

3.3 線性失真度

依據(jù)JJF1916-2021《掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)規(guī)范》， 選取標(biāo)稱值為10 μm的格柵樣板， 在1 K倍率下校準(zhǔn)線性失真度. 將該特征移動到視場的0, 1, 2, 3, 4等5個位置， 并分別采集圖像如圖 6 所示. 基于圖像處理算法， 計算該格柵特征的X向和Y向尺寸， 并依據(jù)式(4)進行計算圖像的線性失真度[14].

(a) 位置0

(4)

式中：αx和αy分別表示X和Y方向的線性失真度； Δxmax和Δymax分別表示X和Y向4角方向上的格柵尺寸與中心格柵尺寸的最大像素差值；d為單個像素代表的實際尺寸.x0和y0分別表示X和Y向的中心格柵像素尺寸. 使用標(biāo)稱值為 5 μm 的格柵樣板， 校準(zhǔn)1K倍率下的SEM， 結(jié)果如表 2 所示.

由表 2 可知， 掃描電子顯微鏡在1 K放大倍率下，X向上的線性失真度為0.43%，Y向上的線性失真度為0.94%.

表 2 線性失真度的校準(zhǔn)結(jié)果

4 結(jié) 論

舊規(guī)程對掃描電子顯微鏡的放大倍率示值誤差、 放大倍率重復(fù)性、 圖像的線性失真度、 二次電子像分辨本領(lǐng)、 X射線能譜儀等參數(shù)規(guī)定了計量方法， 已無法滿足掃描電子顯微鏡的新需求. 在半導(dǎo)體行業(yè)中， 掃描電子顯微鏡更多地作為測量工具使用.

為此， 研制了100 nm～10 μm線間隔樣板和2 μm～10 μm格柵樣板作為標(biāo)準(zhǔn)器具， 來解決現(xiàn)有校準(zhǔn)規(guī)范中測長示值誤差、 正交畸變和線性失真度等3個參數(shù)的校準(zhǔn)問題. 另外， 掃描電子顯微鏡測量過程中容易引入人工誤差. 相比之下， 基于圖像處理的掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)方法， 通過獲取X和Y向上的像素值， 并運用圖像處理技術(shù)， 實現(xiàn)像素坐標(biāo)與世界坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化， 進而解決了儀器的校準(zhǔn)問題. 通過校準(zhǔn)實驗發(fā)現(xiàn)： 研制的線間隔樣板、 格柵樣板和基于圖像處理的掃描電子顯微鏡校準(zhǔn)方法能夠成功應(yīng)用于掃描電子顯微鏡的校準(zhǔn).