Новый трехкоординатный атомно-силовой микроскоп для измерения критических структур и определения характеристик боковых поверхностей

ЯНВ222019

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) – это средство визуализации высокого разрешения. АСМ широко использовался в университетах для проведения исследований, а также использовался в промышленности в качестве метрологического оборудования. Одной из самых главных областей применения АСМ для метрологии является измерение высоты. Существует много различных способов измерения высоты с помощью АСМ, это может быть простое измерение высоты ступени, измерение впадины после химико-механической полировки, измерение смещения наконечника (PTR) для головки считывания/записи жесткого диска [1], измерение глубины траншеи и т.д. АСМ также используется для измерения шероховатости. Недавно АСМ использовали для измерения угла. Ранее FIB-SEM растровый микроскоп был главным инструментом для измерения угла. Для FIB-SEM образец сначала разрезается ионным лучом (FIB), а затем снимается изображение поперечного сечения для измерения угла с помощью электронного луча (SEM). С помощью АСМ угол можно измерить неразрушающим методом, когда он определяется по серии нескольких сканирований. Это формирует технику измерения угла, которая является более быстрой, более точной и стоит меньше, чем традиционные методы измерения угла, выполняемые с помощью FIB-SEM.

Атомно-силовой микроскоп также используется для измерений критических структур и сканирования боковых поверхностей. Это одна из самых сложных областей применения для АСМ. Так как размер элемента в литографии постоянно сокращается, точное измерение критического размера (CD) становится все более важным. Также, как наношероховатость стала важным параметром для ультратонких пленок, шероховатость боковой поверхности стала важным параметром при определении функциональности устройств с чрезвычайно мелкими характерными структурами. В связи с этим  боковая поверхность сильно влияет на измерение CD, а определение характеристик CD для структур становится более критичным на уровне наномасштабов. За последние несколько лет АСМ стал эффективным инструментом для точной нанометрологии. Однако, из-за того, что большинство микроскопов работает в конфигурации измерения «снизу вверх», АСМ имеет ограниченный доступ к боковой поверхности – это особенно касается случаев, когда угол боковой поверхности  составляет около или больше 90 градусов. Чтобы преодолеть это препятствие, были разработаны специальные зонды в виде «колпачка» со сложными алгоритмами определения обратной связи для отображения боковых поверхностей [2]. Однако данный метод имеет ограниченное разрешение из-за большого радиуса кантилевера и слепых зон в углах, где зонд не имеет достаточно физического доступа. Обычно это приводит к скругленному отображению профиля для острых углов в нижней части объектов.

Новый трехкоординатный метрологический атомно-силовой микроскоп был специально сконструирован с раздельными платформами для XY- и Z-сканеров для определения критических характеристик и анализа боковой поверхности [3].

Система раздельного сканирования в плоскостях XY и Z

Новый 3D АСМ основан на системе раздельного сканирования в плоскостях XY и Z [4]. В данной конфигурации раздельного сканирования, XY-сканер является гибким двумерным сканером, который обеспечивает перемещение образца только в плоскости XY и не зависит от Z-сканера. Z-сканер функционирует за счет высокосильного составного пьезоэлемента, который перемещает кантилевер только вдоль оси Z (см. рис. 1а). Независимый Z-сканер обеспечивает такую схему работы, при которой кантилевер наклоняется с целью получения легкого доступа к боковым поверхностям (см. рис. 1б). Наклонная конструкция измерительной головки позволяет измерять критические структуры на верхней, средней и нижней линиях, а также шероховатость вдоль боковых поверхностей. Этот метод построен по стандартной конфигурации АСМ с кантилевером, что приводит к технологии, которая: а) поддерживает такое же разрешение, как и обычный АСМ, б) может использовать сверхострый кантилевер для повышения разрешения изображения, и в) не ограничена в измерительных способностях из-за недоступности угла в виду большого радиуса кривизны наконечника кантилевера.

Рис. 1. а) Система раздельного сканирования в плоскостях XY и Z; б) Измерение на 3D АСМ с помощью наклоняющегося Z-сканера.

Измерение CD и анализ LER и LWR с помощью 3D АСМ

С помощью 3D АСМ было получено изображение тонколинейной 165 нм структуры фоторезиста, у которой соотношение толщины линии и зазора между ними составляет 1:1. Высота линии составляет около 330 нм, а отношение высоты к толщине порядка 2:1. На рис. 2а) показано поперечное сечение SEM изображения измеряемой структуры. Видно, что две линии на обоих концах структуры разрушились и навалились на соседние линии. На рис. 2б) представлено трехмерное АСМ изображение той же структуры. Ось X – это направление быстрого сканирования. Данный эксперимент показал, что с помощью 3D атомно-силового микроскопа можно просканировать всю поверхность структуры (верхнюю, среднюю и нижнюю линии по срезу). АСМ изображение очень хорошо согласуется с SEM изображением. АСМ изображение также отчетливо показывает волнистую структуру, которая образуется под воздействием стоячей волны света, используемой для воздействия на фоторезист. Даже сколы в нижней части разрушенных линий очень хорошо видны на 3D АСМ изображении. Рис. 2в) – это линейный профиль поперечного сечения полученного трехмерного АСМ изображения. Линейный профиль очень хорошо согласуется с SEM изображением и показывает, что контактный угол составляет около 96 градусов, из чего можно сделать вывод, что боковая поверхность имеет вогнутый угол среза около 6 градусов.

Рис. 2. а) SEM изображение тонколинейной структуры фоторезиста; б) Трехмерное АСМ изображение тонколинейной структуры фоторезиста; в) Линейный профиль поперечного сечения полученного трехмерного АСМ изображения.

По высокоточным данным, полученным с помощью 3D АСМ, мы можем сегментировать и проанализировать данные по разным высотам вдоль оси Z, чтобы измерить профиль структуры. Эта возможность уникальна для 3D атомно-силового микроскопа. На рис. 3 показан профиль структуры на различных высотах: от 50 нм до 300 нм. Цветные области этих сегментированных структур отображают фоторезист. Две более широкие линии на обоих концах получаются за счет разрушенных боковых линий. Эти сегментированные изображения четко показывают острые концы линий фоторезиста, которые очень похожи на изображения SEM, полученные по технологии измерения «сверху вниз» (см. рис. 3ж).

Рис. 3. а) – е) Сегментированные данные, полученные с помощью 3D АСМ на различной высоте;
ж) SEM изображение структуры фоторезиста для сравнения.

С помощью полученных сегментированных данных мы можем рассчитать размеры критических структур (CD), шероховатость по кромке линии (LER) и шероховатость по ширине линии (LWR) для линий на различных высотах вдоль оси Z. На рис. 4 показаны данные по CD для  измеренных линий (усредненное значение по пяти линиям фоторезиста в середине структуры). По полученным данным видно, что ширина линии самая узкая (110.2 нм) снизу и начинает расширяться по мере увеличения высоты, достигая максимальной ширины (154.9 нм) на высоте около 250 нм, а затем снова уменьшается. Данная тенденция изменения ширины линии согласуется с профилем, наблюдаемым на поперечном сечении SEM изображения для структуры фоторезиста (см. рис. 2а). Рис. 5 показывает, что величины LER и LWR не меняются при изменении высоты. Величина LER находится в диапазоне между 6.2 нм и 6.9 нм, а LWR – между 8.6 нм и 9.9 нм.

Рис. 4. Измерение параметра CD на различной высоте вдоль оси Z

Рис. 5. Анализ параметров LER и LWR на различной высоте вдоль оси Z.

Сканирование боковых поверхностей с помощью 3D АСМ

Для полуплотного фоторезиста, размером 300 нм, также получили изображение с помощью трехкоординатного AСМ по направлению вдоль оси Y (вдоль линий фоторезиста), выбранного как направление быстрого сканирования. Преимущество сканирования вдоль линий фоторезиста заключается в том, что мы можем использовать высокое пиксельное разрешение вдоль линии без ухудшения скорости сканирования.

На рис. 6а. показано 3D-АСМ изображение. Так как изображение было снято с наклоненным влево Z-сканером, кантилевер может просканировать верхнюю, нижнюю и левую боковые стенки структуры, но изображение для правой боковой стенки не может быть получено. Изображение шероховатости (топографическое изображение, сглаженное с помощью линии 1-го порядка по оси Y) накладывается на топографическое изображение, чтобы показать детали боковой стенки фоторезиста. Изображение показывает, что все три линии имеют схожие величины шероховатости боковой стенки, а также, что боковые стенки имеют намного большую шероховатость на верхней и нижней поверхностях. Рис. 6б. является прямым видом боковой стенки. Данное изображение четко показывает зернистую структуру боковой поверхности.

Линейные профили высокого разрешения можно извлечь из полученных изображений боковой поверхности. Рис. 7 отображает одиночные линейные профили на различных областях, показанных на рис. 6а. Шероховатость на различных поверхностях (верхняя, нижняя и боковая) можно измерить с помощью этих линейных профилей. Величина измеренной шероховатости составляет 0.50 нм для нижней поверхности, 0.92 нм для верхней поверхности и 5.38 нм для боковой поверхности линии фоторезиста. Измеренная шероховатость боковой поверхности напрямую связана с LER параметром линии.

Рис. 6. а) 3D АСМ изображение линейной структуры полуплотного фоторезиста размером 300 нм, показывающее детали боковой поверхности; б) Прямой вид боковой стенки, показывающий зернистую структуру боковой поверхности.

Рис. 7. Линейные профили различных областей, показанные пунктирными линиями на рис. 6а: а) верхняя поверхность линии фоторезиста; б) боковая поверхность линии фоторезиста; в) нижняя поверхность подложки образца.

Выводы

Данная новая модель трехкоординатного 3D атомно-силового микроскопа позволяет проводить усовершенствованное трехмерное сканирование как структур с изолированными линиями, так и структур с плотной упаковкой линий. Кантилевер имеет доступ к углублениям боковой поверхности и острым углам в нижней части. Данный 3D АСМ можно использовать для измерения таких параметров, как CD, LER, LWR и шероховатости боковой поверхности. Данный АСМ представляет собой дополнительную технологию для исследования к уже существующим методологиям электронной микроскопии CD-SEM и FIB-SEM.

Подробные характеристики метрологического атомно-силового микроскопа Park NX-3DM/ХЕ-3DM

Ссылки

1. Joonhyung Kwon, Yong-Seog Kim, Kwanseok Yoon,Sang-Min Lee, Sang-il Park, "Advanced nanoscale metrology of pole-tip recession with AFM", Ultramicroscopy 105, 51–56 (2005)
2. Bharat Bhushan, Harald Fuchs, and Masahiko Tomitori, Applied Scanning Probe Methods VIII, Springer, 31-75 (2008)
3. Sang-Joon Cho, Jung-Min Lee, Byung-Woon Ahn, Joonhui Kim, Young Yoo, Yueming Hua, Sang-il Park, “Three-dimensional imaging of undercut and sidewall structures by atomic force microscopy”, Review of Scientific Instruments, 82, 023707 (2011)
4. Joonhyung Kwon, Jaewan Hong, Yong-Seok Kim, Dong-Youn Lee, Kyumin Lee, Sang-min Lee, Sang-il Park, “Atomic force microscope with improved scan accuracy, scan speed,and optical vision”, Review of Scientific Instruments 74, 4378-4383 (2003)