CN105157557A - 线条三维形貌测量方法及线宽测量方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于前凸针尖原子力显微镜针尖对顶的线条三维形貌测量方法和线宽测量方法，所述线条包括顶部以及相对的第一侧壁和第二侧壁，所述三维形貌测量方法包括：采用第一探针扫描所述线条，以得到第一形貌曲线，所述第一形貌曲线至少包括第一侧壁的形貌；采用第二探针扫描所述线条，以得到第二形貌曲线，所述第二形貌曲线至少包括第二侧壁的形貌；将所述第一形貌曲线和第二形貌曲线合成第三形貌曲线，其中，所述采用第一探针扫描的路径和采用第二探针扫描的路径重叠；在所述线条的不同位置重复上述步骤以获得线条的三维形貌。

Description

线条三维形貌测量方法及线宽测量方法

技术领域

本发明涉及计量技术领域，具体涉及一种基于前凸针尖原子力显微镜针尖对顶的线条三维形貌测量方法及线宽测量方法。

背景技术

随着半导体集成电路工艺的快速发展，半导体器件的关键尺寸(CriticalDimension，CD)已经小于50纳米。对于纳米级的器件，特别是鳍状场效应管FinFET，其线宽、侧壁倾斜度、以及线边缘粗糙度(LineEdgeRoughness)对器件的特性有明显的影响。在半导体制造过程中，光刻工艺作为核心技术占据重要位置。标准的CMOS工艺需要数十次的光刻，光刻胶的形貌需要精确地表征。

现有技术对线宽的测量和表征通常使用光学成像、扫描电镜、电子束扫描、原子力显微镜(AtomicForceMicroscope,AFM)。其中，在微纳几何尺寸的表征中，原子力显微镜具有明显的优势。

原子力显微镜利用微悬臂作为力信号的传递媒介。微悬臂通常由一个几百微米长的硅片或氮化硅片制成，微悬臂顶端有一个尖锐的针尖。通过间接测量针尖与样品间的近场力的大小来表征样品表面形貌，微悬臂的形变量反应了针尖和样品表面的近场力的大小，提取微悬臂的弯曲形变来表征样品表面的形貌。微悬臂弯曲形变的检测手段包括隧道电流检测法、电容检测法、光杠杆法以及光学干涉法等。随着MEMS技术的发展，出现了自感应的微悬臂检测手段，如压阻、压电式测量法。按照针尖与样品表面的位置关系，原子力显微镜分为接触模式、非接触模式以及轻敲模式三种。

AFM针尖的半径通常为10nm左右，可以满足微纳几何结构测量的需求，但是针尖通常是圆锥体或三棱锥体，即使是高长宽比的针尖，其锥角也大于10度。在原子力显微镜测量时，针尖垂直微悬臂的设置方式需要事先知道针尖的形貌；针尖处于倾斜放置的方式，只能够准确测量线宽的一个侧壁，很难测量线条完整的两个侧壁。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于前凸针尖原子力显微镜的线条三维形貌测量方法，用于测量线条的真三维形貌，以及线条的宽度。所述线条包括顶部以及相对的第一侧壁和第二侧壁。

根据本发明的一个方面，提供一种基于前凸针尖原子力显微镜的线条三维形貌测量方法，包括：采用第一探针扫描所述线条，以得到第一形貌曲线，所述第一形貌曲线至少包括第一侧壁的形貌；采用第二探针扫描所述线条，以得到第二形貌曲线，所述第二形貌曲线至少包括第二侧壁的形貌；将所述第一形貌曲线和第二形貌曲线合成第三形貌曲线，其中，所述采用第一探针扫描的路径和采用第二探针扫描的路径重叠；在所述线条的不同位置重复上述步骤以获得线条的三维形貌。

优选地，所述前凸针尖原子力显微镜包括相对设置的第一探针和第二探针，所述第一探针和第二探针分别包括微悬臂和在微悬臂末端倾斜设置的前凸针尖。

优选地，所述第一探针扫描所述线条和第二探针扫描所述线条同时进行。

优选地，通过第一干涉仪系统获得所述第一形貌曲线的坐标，通过第二干涉仪系统获得所述第二形貌曲线的坐标。

优选地，在采用第一探针扫描所述线条和采用第二探针扫描所述线条之前，还包括：第一探针和第二探针的针尖对齐；第一探针和第二探针在扫描方向拉开第一距离，以使得第一探针和第二探针不互相干扰。

优选地，所述将第一形貌曲线和第二形貌曲线合成第三形貌曲线方法包括：将第二形貌曲线沿扫描路径平移第一距离后与第一曲线合并。

优选地，所述第三形貌曲线的第一侧壁形貌取自第一形貌曲线，所述第三形貌曲线的第二侧壁形貌取自第二形貌曲线。

根据本发明的另一方面，提供一种基于前凸针尖原子力显微镜的线宽测量方法，包括：采用第一探针扫描所述线条，以得到第一形貌曲线，所述第一形貌曲线至少包括第一侧壁的形貌；采用第二探针扫描所述线条，以得到第二形貌曲线，所述第二形貌曲线至少包括第二侧壁的形貌；将所述第一形貌曲线和第二形貌曲线合成第三形貌曲线；根据第三形貌曲线中第一侧壁和第二侧壁的位置，计算第一线宽D，其中，所述采用第一探针扫描的路径和采用第二探针扫描的路径重叠，所述第三形貌曲线的第一侧壁形貌取自第一形貌曲线，所述第三形貌曲线的第二侧壁形貌取自第二形貌曲线。

优选地，所述第一探针扫描所述线条和第二探针扫描所述线条同时进行。

优选地，所述方法还包括：在第一路径上扫描以获得第一侧壁的第一位置；在第二路径上扫描以获得第一侧壁的第二位置，其中，第一路径、第二路径以及获得第一线宽D的扫描路径彼此平行；根据如下公式修正第一线宽D以获得第二线宽d：d＝D*sinα，其中，α是扫描路径和线条的夹角，α＝arctg(ΔY/ΔX)，ΔX是第一位置和第二位置在扫描方向上的偏移值，ΔY是第一路径和第二路径之间的距离。

本发明的线条三维形貌测量方法和线宽测量方法通过两个探针分别测量线条的两个侧壁获得线条的准确形貌，实现了线条的真三维形貌和线宽的测量。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1a是参考设计的前凸针尖原子力显微镜的示意性的结构框图；

图1b是参考设计的前凸针尖原子力显微镜的探针的扫描电镜图像；

图2是根据本发明第一实施例的线宽测量方法的流程图；

图3是根据本发明第一实施例的线宽测量方法的探针与样品的示意图；

图4a-4c分别是根据本发明第一实施例的示意性第一形貌曲线、第二形貌曲线以及合成的第三形貌曲线；

图5是根据本发明第二实施例的线宽测量修正方法的流程图；

图6a是根据本发明第二实施例的示意性的形貌曲线；

图6b是根据本发明第二实施例的扫描路径示意图；以及

图7是根据本发明第三实施例的线条三维形貌测量方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1a是参考设计的前凸针尖原子力显微镜的示意性结构框图。参考设计的前凸针尖原子力显微镜包括：控制机100、探针301、探针302、xyz位移平台401、xyz位移平台403、信号检测装置200、样品台500、样品台位移平台501、干涉仪系统601、干涉仪系统603、水平CCD604以及垂直CCD605。

其中，定义线条顶部的法线方向为z方向，定义探针的扫描方向为x方向，垂直于x方向和z方向的为y方向。

探针301和探针302例如为基于音叉探针的自激励探针，其特点是无需外部光学探测系统，探针更加紧凑，移植性较强。探针301和探针302分别包括两个机械振荡系统，音叉作为整个探针振荡源，无需外部附加振动装置。当探针工作时，正弦交流信号接入音叉电极的一端，音叉电极的另一端作为电信号的响应输出端连接信号检测装置200，信号检测装置200例如为锁相环电路。由于逆压电效应，两个音叉的叉指在xy平面内反相振动，音叉的振动致使微悬臂内部产生周期性机械应力，由于力的作用导致悬臂形变，末端针尖将在垂直xy平面沿z方向振动。音叉探针系统作为频率调制系统，音叉作为振荡源决定了针尖振动的幅度和频率，而微悬臂决定了弹性系数。

信号检测装置200用于对探针301和探针302的响应电信号进行解调频率，提取频移量作为反馈信号。

原子力显微镜可以工作在恒力模式或恒高模式。在恒力模式(又称为跟随模式)，随着探针扫描样品表面的形貌，控制机100根据反馈信号调整探针的高度以维持探针和样品之间的作用力大小不变，针尖随着样品表面起伏上下移动，通过干涉仪系统记录探针高度的变化得到样品表面的形貌。在扫描高深宽比线条的侧壁时，探针沿着z向步进扫描，控制机100根据反馈信号调整探针与侧壁的距离以维持探针和样品之间的作用力大小不变，干涉仪系统记录探针位置的变化。

在恒高模式中，探针的高度保持不变。随着样品表面的起伏，探针和样品之间的作用力不断变化，控制机100将该作用力的反馈信号换算成样品表面的起伏，但恒高模式不适合于表面起伏较大的样品。

xyz位移平台401用于产生探针301在x向、y向和z向的移动。xyz位移平台403用于产生探针302在x向、y向和z向的移动。

干涉仪系统601和干涉仪系统603用于位移计量，干涉仪系统601和干涉仪系统603分别包括：x向干涉仪、y向干涉仪和z向干涉仪。原子力显微镜通常采用步进式的扫描方式，干涉仪系统601跟踪探针301的移动，干涉仪系统603跟踪探针302的移动，获得探针在每个步进点的坐标。通过干涉仪系统跟踪探针，测量结果溯源到激光波长，实现准确测量和测量值的溯源。

水平CCD604和垂直CCD605分别在y方向和z方向对准探针301和探针302，用于对探针成像。

样品台500用于承载样品，样品台位移平台501用于产生样品台500的运动。

该前凸针尖原子力显微镜可以工作在接触模式、非接触模式以及轻敲模式。

图1b是参考设计的前凸针尖原子力显微镜的探针的扫描电镜图像。探针包括微悬臂和位于位于微悬臂末端的倾斜设置的前凸针尖，其中在前凸针尖原子力显微镜中，探针301和探针302的探针相对设置。由于探针的形状，探针301和探针302分别只能对线条的一个侧壁进行正确测量。

图2是根据本发明第一实施例的线宽测量方法的流程图。图3是根据本发明第一实施例的线宽测量方法的探针与样品的示意图。图4a-4c分别是根据本发明第一实施例的示意性第一形貌曲线、第二形貌曲线以及合成的第三形貌曲线。下面以使用参考设计的前凸针尖原子力显微镜为例，描述第一实施例线宽测量的方法，该线宽测量方法包括：

在步骤S101，粗扫样品定位。使用其中一个探针，例如探针301采用较大的步长对样品台上的样品进行粗扫定位。根据扫描出来的样品图像中线宽的位置，调整两个探针在x方向、y方向以及z方向的位置，优选地，使得两个探针距离线条的侧壁200nm-500nm，同时在z方向距离线宽300nm-800nm。

在步骤S102，对针，即将两个探针的针尖在三个方向(x方向、y方向和z方向)对齐。对针的目的在测量前建立干涉仪系统601和干涉仪系统603的公共原点，以获得两个探针在同一个坐标系中的坐标。对针包括两步：

第一步为视觉对准，即利用垂直方向CCD和水平方向的CCD拍摄两个探针的图像，采用图像处理算法实时地获取探针针尖的坐标并计算出两个探针在三维方向上的相对距离，通过xyz位移平台401和xyz位移平台403使两个探针对准到微米级。

第二步为扫描对准，当两个探针继续接近并接近到足够小的距离时，两者之间会有近场力的作用，此时将一个探针设为振动，另一个设为静止，例如探针301设为振动，探针302设为静止，用振动的探针对另静止的探针扫描成像，可以得到静止探针的针尖图像，通过计算图像信号的极值点坐标即可实现两个探针针尖的纳米级对准。

其中，扫描对准的具体过程如下：视觉对准结束后，两个探针的针尖在三个方向(x方向、y方向和z方向)上均相距在1μm左右，为使得探针302的针尖在探针301的扫描范围内，将探针301在y方向和z方向分别移动1.5μm，并将探针301的扫描范围设定为3μm。探针301向z的负方向移动1.5μm，并向y的负方向移动1.5μm。然后令探针301在yz平面内扫描一个3μm×3μm的一个区域，为提高效率，最初的扫描步进可以设置大一些，例如为30nm。探针301沿x方向步进，每步进一次，进行一次扫描，直至扫描出探针302针尖图像。根据图像中针尖位置，调整探针301的针尖在y方向和z方向的位置，使得针尖处于扫描图像的中心点，即使两针尖对准在同一y、z坐标位置。同时减小探针301在x方向步进值，使探针302的针尖可以被扫描到，且顶点高度合适。

在步骤S103，将探针301和探针302在x方向上拉开距离ΔL，ΔL应使得探针301和探针302不存在互相干扰。

在步骤S104，在z方向移动样品台，使得样品进入探针的测量范围内。

在步骤S105，如图3所示，两个探针同时沿着x方向扫描线条800，在扫描中，原子力显微镜可以工作为恒力模式也可以工作在恒高模式。其中，探针301的扫描结果为第一形貌曲线，探针302的扫描结果为第二形貌曲线。

在步骤S106，合成第一形貌曲线和第二形貌曲线以获得第三形貌曲线。

第一形貌曲线如图4a所示，对于探针301，由于针尖和微悬臂之间的角度，探针301可以准确得测量线条800的侧壁801，但是对侧壁802的测量误差较大。第二形貌曲线如图4b所示，对于探针302，由于针尖和微悬臂之间的角度，可以准确得测量线条800的侧壁802，但是对侧壁801的测量误差较大。如图4c所示，将第二形貌曲线向x方向的反方向平移ΔL然后同第一形貌曲线叠加，可以得到公共的顶部。舍去第一形貌曲线的公共顶部右侧的部分，即舍去探针301测量的侧壁802保留探针301测量的侧壁801；舍去第二形貌曲线的公共顶部左侧的部分，即舍去探针302测量的侧壁801保留探针302测量的侧壁802可以得到第三形貌曲线。第三形貌曲线包括公共的顶部、第一形貌曲线中的侧壁801和第二形貌曲线中的侧壁802。根据第三形貌曲线中两侧壁的坐标可以得到线条的宽度。

优选地，根据测量点的坐标，将侧壁801和侧壁802拟合为直线。

替代地，由于经过对针后，两套干涉仪系统具有公共的原点，第一形貌曲线和第二形貌曲线存在于统一的坐标系中。第三形貌曲线可以如下得到：选取第一形貌曲线和第二形貌曲线的顶面上的一点为合并点，合并第一形貌曲线和第二形貌曲线，其中，保留各自准确测量的侧壁，根据第三形貌曲线获得线宽。

本实施例的线宽测量方法通过两个探针的同时扫描分别得到两个侧壁的正确测量结果，通过将两条形貌曲线合成可以得到线条的完整形貌，提高了测量的效率和准确度。

应当理解，在该线宽测量方法中，两个探针也可以沿着同样的扫描路径先后扫描该线条。例如，探针301先扫描该线条，探针302后扫描该线条。

在探针扫描线条时，探针的扫描路径很难与线条完全垂直，而是与线条呈一定的角度α，导致线宽的测量存在误差。图5是根据本发明第二实施例的线宽测量的修正方法的流程图，本实施例的线宽测量的修正方法适用于线条具有较好的一致性的情况。该线宽测量的修正方法用于修正第一实施例所测得的线宽D，参照图5、图6a以及图6b，该线宽测量的修正方法包括：

在步骤S201，探针301在x方向上沿着扫描路径L1扫描线条，得到线条的形貌曲线C1。在扫描过程中，前凸针尖原子力显微镜可以工作在恒力模式，也可以工作在恒高模式。其中，扫描路径L1平行于线宽D测量时的扫描路径。

在步骤S202，探针301在y方向移动Δy，其中Δy。Δy可以由干涉仪系统精确测定。

在步骤S203，探针301在x方向上沿着扫描路径L2扫描线条，得到线条的形貌曲线C2。其中，扫描路径L2平行于线宽D测量时的扫描路径。

在步骤S204，获得线宽D测量时的扫描路径同线条的夹角并计算真实线宽d。

如图6a和6b所示，两条形貌曲线C1和C2在y方向上的距离即扫描路径L1和L2在y方向上的距离为ΔY＝Δy，两条形貌曲线C1和C2中左侧壁在x轴的偏移量ΔX。例如ΔX通过图6a中的坐标获得。

扫描路径同线条的夹角α＝arctg(ΔY/ΔX)，真实线宽d＝D*sinα。

本实施例的线宽测量的修正方法，通过获得探针扫描方向与线条的角度，能够修正探针的扫描方向与线条不垂直的带来的误差，提高准确度。

参照图7，本发明的第三实施例，通过参考设计的前凸针尖原子力显微镜测量线条的三维形貌的方法包括：

在步骤S301，粗扫样品定位。使用其中一个探针，采用较大的步长对样品台上的样品进行粗扫定位。根据扫描出来的样品图像中线宽的位置，调整两个探针在x方向、y方向以及z方向的位置，优选地，使得两个探针距离线条的侧壁200nm-500nm，同时在z方向距离线宽300nm-800nm。

在步骤S302，对针，对针的步骤与S102相同。

在步骤S303，在线条的一个位置，探针301和探针302分别沿着同一扫描路径扫描线宽以得到第一形貌曲线、第二形貌曲线，其中，第一形貌曲线中包括准确测量的线条的侧壁801，第二形貌曲线中包括准确测量的线条的侧壁802。优选地，探针301和探针302同时扫描线条以获得第一形貌曲线和第二形貌曲线。

合并第一形貌曲线和第二形貌曲线以获得第三形貌曲线，其中，第三形貌曲线包括第一形貌曲线中的侧壁801和第二形貌曲线中的侧壁802。合并的方法参考步骤S106。

在步骤S304，在y方向，步进式地平移两个探针，在线条的多个位置，重复上述步骤，以获得线条不同位置处的多条第三形貌曲线。所述多条第三形貌曲线组成该线条的真三维形貌曲线。

本发明的线条三维形貌测量方法通过两个探针分别测量线条的两个侧壁以获得整个线条的准确形貌和线宽，提高了测量的准确度。线宽测量的修正方法通过获得扫描方向同线条的夹角，消除了扫描方向与线条不垂直带来的测量误差。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于前凸针尖原子力显微镜针尖对顶的线条三维形貌测量方法，所述线条包括顶部以及相对的第一侧壁和第二侧壁，所述方法包括：

采用第一探针扫描所述线条，以得到第一形貌曲线，所述第一形貌曲线至少包括第一侧壁的形貌；

采用第二探针扫描所述线条，以得到第二形貌曲线，所述第二形貌曲线至少包括第二侧壁的形貌；

将所述第一形貌曲线和第二形貌曲线合成第三形貌曲线，其中，所述采用第一探针扫描的路径和采用第二探针扫描的路径重叠；

在所述线条的不同位置重复上述步骤以获得线条的三维形貌。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前凸针尖原子力显微镜包括相对设置的第一探针和第二探针，所述第一探针和第二探针分别包括微悬臂和在微悬臂末端倾斜设置的前凸针尖。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一探针扫描所述线条和第二探针扫描所述线条同时进行。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过第一干涉仪系统获得所述第一形貌曲线的坐标，通过第二干涉仪系统获得所述第二形貌曲线的坐标。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在采用第一探针扫描所述线条和采用第二探针扫描所述线条之前，还包括：

第一探针和第二探针的针尖对齐；

第一探针和第二探针在扫描方向拉开第一距离，以使得第一探针和第二探针不互相干扰。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述将第一形貌曲线和第二形貌曲线合成第三形貌曲线方法包括：将第二形貌曲线沿扫描路径平移第一距离后与第一曲线合并。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第三形貌曲线的第一侧壁形貌取自第一形貌曲线，所述第三形貌曲线的第二侧壁形貌取自第二形貌曲线。

8.一种基于前凸针尖原子力显微镜的线宽测量方法，包括：

采用第一探针扫描所述线条，以得到第一形貌曲线，所述第一形貌曲线至少包括第一侧壁的形貌；

采用第二探针扫描所述线条，以得到第二形貌曲线，所述第二形貌曲线至少包括第二侧壁的形貌；

将所述第一形貌曲线和第二形貌曲线合成第三形貌曲线；

根据第三形貌曲线中第一侧壁和第二侧壁的位置，计算第一线宽D，

其中，所述采用第一探针扫描的路径和采用第二探针扫描的路径重叠，所述第三形貌曲线的第一侧壁形貌取自第一形貌曲线，所述第三形貌曲线的第二侧壁形貌取自第二形貌曲线。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一探针扫描所述线条和第二探针扫描所述线条同时进行。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括：

在第一路径上扫描以获得第一侧壁的第一位置；

在第二路径上扫描以获得第一侧壁的第二位置，其中，第一路径、第二路径以及获得第一线宽D的扫描路径彼此平行；

根据如下公式修正第一线宽D以获得第二线宽d：

d＝D*sinα，其中，α是扫描路径和线条的夹角，α＝arctg(ΔY/ΔX)，ΔX是第一位置和第二位置在扫描方向上的偏移值，ΔY是第一路径和第二路径之间的距离。