248nm紫外显微镜微纳线宽校准方法的研究

李 琪，李 伟，施玉书，高思田，李 适，王鹤群，尹传祥，2

（1.中国计量科学研究院，北京　100029；2.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽　合肥　230009）

248nm紫外显微镜微纳线宽校准方法的研究

李 琪1，李 伟1，施玉书1，高思田1，李 适1，王鹤群1，尹传祥1，2

（1.中国计量科学研究院，北京100029；2.合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230009）

248nm波长照明的紫外显微镜能够获得高达80nm的光学分辨率，可以实现对掩模板的线宽和一维/二维栅格参数的测量。作为测量仪器的248nm紫外显微镜需要对其进行校准。该显微镜测量范围在nm量级，校准使用400nm一维栅格标准物质，通过对仪器不确定度和标准物质自身不确定度的评估，得到采集图像每个像素的扩展不确定度为0.178nm，并给出了实际测量时的不确定度评价公式。

计量学；248nm；紫外显微镜；线宽校准；栅格标准物质

1　引言

随着半导体集成电路技术的快速发展，集成电路制造工艺中芯片及掩模板的线宽和栅格的尺寸不断缩小，对这些微纳结构关键尺寸的测量成为一个很大的挑战［1，2］。根据国际权威的半导体行业发展路线图（ITRS）的研究显示，如果芯片器件出现十分之一的误差，就会导致性能失效。目前，在线宽和栅格等二维微纳几何尺寸的测量中，可以采用的方法主要包括原子力显微镜、扫描电子显微镜和紫外光学显微镜等3种。其中前两种测量设备虽然具有很高分辨率，但是扫描速度慢、范围小，并且采用接触式测量或者用带电粒子束流轰击样品，所以在测量中采用最多的是紫外光学显微镜方法。紫外显微镜测量二维微纳几何尺寸是通过紫外照明光源和紫外透镜组实现的［3］，根据衍射理论：

其中：δ为分辨率，λ为照明波长，NA为显微镜数值孔径。当NA确定时，照射波长越短，分辨率越高。因此紫外显微镜比普通白光显微镜具有更高的光学分辨率。此外，紫外显微镜还具有高速、非接触、测量范围仅受限于平台移动范围的优点［4］。本文研究了使用奥林巴斯的深紫外显微镜对微纳尺度标准样板进行测量，介绍了深紫外显微镜组成及建立图像测量标尺的原理；对使用一维栅格标准物质校准深紫外显微镜进行了详细的研究，通过对不确定度的来源进行分析，得到深紫外显微镜测量结果的不确定度评估。

2　深紫外显微镜的组成及测量原理

为实现对芯片和掩模板尺寸的测量，采用奥林巴斯公司的MX51显微镜体和U-UVF248深紫外组件构成的深紫外显微镜。它采用248nm波长光源进行照明，视场范围50 μm，放大倍率250倍，分辨率达80nm。该显微镜最高80nm的分辨率大大超过了普通紫外显微镜的分辨率水平，保证了对微纳尺度的芯片和掩模板的线宽及栅格关键尺寸的测量。奥林巴斯深紫外显微镜主要包括248nm紫外光源、紫外CCD相机、白光CCD相机、紫外聚束镜组、白光聚束镜组、紫外物镜、白光物镜以及载物台等主要部件，见图1。

图1　奥林巴斯深紫外显微镜及一维栅格紫外光学成像

显微镜对线宽和栅格尺寸测量的步骤：首先建立显微镜图像尺寸与实物尺寸对应的标尺；然后用紫外显微镜对待测对象成像；最后用建立的标尺测量出图像中待测对象所对应的实际几何尺寸［5］。其中最重要的是建立标尺的过程，首先使用标准样板成像，然后用软件画出一条直线，使其两端与标准样板上两条刻线重合，通过计算标准样板上已知尺寸和尺寸对应的像素数，得到每个像素对应的实际长度（nm/pixel）［6，7］。

虽然通过建立标尺实现了对实际尺寸的测量，但是对测量结果的精确描述不只需要给出测量值，还必须能够提供测量值的不确定度。而测量结果的不确定度需要对深紫外显微镜的校准进行研究。基于此，研究使用了400nm一维栅格标准物质对深紫外显微镜进行校准，通过对仪器不确定度和标准物质自身不确定度的评估，最终得到深紫外显微镜测量结果的标准不确定度。

3　校准用标准物质及自身不确定度

在深紫外显微镜的校准中，用作校准的标准物质是国家纳米科学中心研制的400nm一维栅格板标准物质，见图2。该标准物质通过在硅基底上电子束曝光和反应离子刻蚀得到。其图案由标格导引线以及中间尺寸为250 μm×250 μm的中心指示方框构成。在指示方框的中心位置是40 μm×10 μm范围，栅距为400nm的一维纳米栅格特征结构。根据该标准物质的相关资料可知，对于400nm的栅格，该标准物质的合成标准不确定度uc=1.33nm，有效自由度为νeff=79，取置信概率p=95％，查t分布得到：t0.95（79）=1.99。扩展不确定度为：U95= k·uc=1.99×1.33=2.7nm

图2　400nm一维栅格标准物质图案

4　不确定度评估和分析

248nm紫外显微镜的标尺的误差来源包含测量仪器的不确定度和样板引入的不确定度［8，9］。

（1）248nm紫外显微镜对400nm栅格样板成像时，由于无法对焦到最精确的位置，导致的线宽边缘展宽；以及由于物镜等透镜系统受到衍射效应的影响导致的线宽边缘展宽。

（2）紫外显微镜进行线宽测量时，需要操作者使用软件画出一条对齐线宽两端边缘的线段对应线宽，因为线宽由人手工确定，所以线宽受操作者观察水平、细致程度和熟练程度的不同结果也不同，此误差为示值误差。

（3）样板的安放与线宽测量方向不一致，因为角度而引入的不确定度误差。

（4）根据一维栅格标准物质研制报告中得到的扩展不确定度值。

下面分别对标准物质校准仪器和仪器校准线宽样板两个过程进行分析。

4.1紫外显微镜校准

表1　10栅格对应像素数

在不确定度分量（1）和（2）中，紫外显微镜的仪器误差与示值误差因为最终都对确定准确边缘产生影响，属于多次测量重复性引入的误差，因此可以归为一类。对该误差的评估为通过10个线间隔多次测量得到像素数变动量的标准差u1。在上面建立标尺的过程中，20次测量对应的像素变动标准差σn=0.887 pixel，10个栅格对应的像素均值为219.45 pixel，又由于图像上219.45个像素对应10个400nm，所以测量误差平均给每个像素引入的误差：

在不确定度分量（3）中，样板的安放与线宽测量方向夹角引入的不确定度根据多次测量经验约为0.05nm，按均匀分布处理，包含因子估算相对不确定度为20％，采用B类方法进行评定为：

自由度为：

在不确定度分量（4）中，400nm栅格每周期的扩展不确定度是2.7nm，因为每个栅格的不确定度分量来自标准物质校准过程中各种随机误差的综合作用，不同栅格之间可认为是彼此独立的分量，故栅格距离的合成标准不确定度可采用相关系数r=0的A类标准不确定度评估方法［11，12］，其中m=10是栅格数，u（l）=2.7是1个栅格的扩展不确定度。最后的合成标准不确定度uCB=8.54nm。因此对于每个像素引入的不确定度为u3=8.54nm/219.45 pixel=0.039nm/pixel。

取灵敏系数ci=1，经过计算得到248nm紫外显微镜的合成标准不确定度为：

最终得到标尺每个像素的扩展不确定度为U95=0.178nm（k=2）。

4.2实际线宽测量

当用建立好的标尺去测量实际线宽及线间隔等尺寸时，相应测量值与测量不确定度分析如下：①对于线宽等尺寸的测量值，仍然采用与仪器校准过程中相同的方法，通过多次测量减小随机误差的影响，最终的到测量值为L=¯n×δ，其中δ=18.227nm/ pixel。②对于测量不确定度，由标尺每个像素的扩展不确定度u和由于边缘展宽产生的像素变动标准差两部分构成。相应的标准不确定度为：

得到对线宽测量的扩展不确定度为U95=2uc，k=2。例如实测15个线间隔，¯n=329.84，σ=0.742，根据式（8）得到测量的标准不确定度为144.736nm （k=2），与其他仪器测量结果近似，同时也符合不确定度随测量范围线性增长的规律。

5　结论

248nm波长紫外显微镜因为采用了深紫外照明和光学系统，大大提高了紫外显微镜的分辨力，实现对微纳线宽和线间隔的成像。对于这种高分辨率下光学测量仪器的校准尚未见过相关报道，故研究了该显微镜的测量不确定度评估公式，得到每个像素的扩展不确定度为0.178nm，同时推导出了实际测量的扩展不确定度公式，建立了对一维微纳线宽和线间隔的校准方法。

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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

国家科学支撑计划课题（2011BAK15B01；2011BAK15B02）

李琪（1982-），男，广西桂林人，中国计量科学研究院助理研究员，博士，主要从事微纳几何结构尺寸计量研究。liqi@nim.ac.cn高思田为本文通讯作者。gaost@nim.ac.cn