纳米台阶标准样板的制备和表征

介绍了纳米标准样板在纳米量值溯源体系中的重要作用和制备纳米标准样板的基本要求,设计了适用于多用途的标准值为100nm纳米台阶标准样板的特征结构和制备工艺流程,阐述了纳米测量装置的工作原理以及原子力测头(AFM)、激光聚焦式测头(LFS)、扫描白光干涉测头(SWLIS)的参数指标和适用范围。分别利用纳米测量机(NMM)的多种测头对纳米标准样板进行表征,对SIMT100纳米标准样板A区域开展重复性实验、区域均匀性实验和长时间稳定性实验。结果表明,设计与制备的SIMT100纳米标准样板A区域的高度值具有较好的量值传递特性。台阶标准片的测量重复性、区域均匀性和稳定性的标准偏差均小于1nm。

2~10μm台阶高度标准物质候选物的研制和质量评价

微米台阶高度标准物质用于校准仪器z轴性能,传递准确的微米高度量值。利用光刻结合干法刻蚀工艺实现公称高度为2,5,10μm台阶高度标准物质候选物的制备,并对台阶高度、粗糙度和上下表面平行度进行表征。使用激光共聚焦显微镜和非球面测量仪进行测量,基于双边算法、直方图法、ISO算法和光学显微解耦合准则(LEL)法对台阶高度进行评定,对于同一标准物质候选物各评定方法间的标准差均不超过0.024μm,台阶高度评定值的相对偏差均在5%以内,表明不同算法的评定结果一致性水平较高且量值可靠;不同仪器的评定结果对比,说明了评定方法之间也具有良好的一致性;同时,粗糙度不超过0.04μm,上下表面平行度不超过0.03°,验证了标准物质候选物制备效果良好。

纳米台阶高度标准样块的研制与评价

介绍了纳米台阶高度标准样块的用途及国内研制样块的情况,设计了纳米台阶高度样块的结构和制作工艺流程,制作了高度20nm^100nm的样块。以20nm、50nm、100nm为例对样块的台阶高度、台阶上下表面平行度、台阶测量区域的粗糙度、均匀性、稳定性进行了考核。结果表明,研制的样块台阶高度与设计值基本一致,稳定性好,与美国VLSI公司的相同高度的台阶高度标准样块相比,本文制作样块的平行度、粗糙度、均匀性与VLSI样块评价测量结果一致。

亚50 nm台阶高度标准物质的可控制备及定值研究

纳米台阶高度标准物质可以传递准确、可溯源的纳米高度量值。针对我国缺乏可控的高质量亚50 nm台阶高度标准物质制备技术的问题,提出了基于原子层沉积结合湿法刻蚀的纳米台阶高度标准物质研制方法,通过工艺过程优化实现了台阶高度亚纳米量级精确可控,制备出了最小公称高度仅为5 nm的亚50 nm台阶高度标准物质系列。其定值结果可溯源到米定义波长基准,扩展不确定度不超过2.0 nm,均匀性和稳定性较好,不同测试仪器一致性水平较高。研究结果表明,所研制的纳米台阶高度标准物质可以用于亚50 nm高度量值传递以及多种测量仪器之间量值的比对测量,其产业化批量生产的前景也将为半导体产业提供完善的计量保障。

基于变速扫描技术的大尺寸台阶测量（英文）

为了提高大尺寸台阶结构的单边测量精度、缩短测量时间,基于变速扫描技术,并利用傅里叶变换提取法及单边台阶评价算法进行扫描干涉信号的处理,提出并搭建了具有变速扫描功能的白光干涉测量系统。并且利用该系统对标称值为9.976±0.028μm的台阶标准样板进行了测量,10次重复性测量结果为9.971μm,标准偏差量为0.007μm,测量时间仅为35 s,远小于常规扫描方法的222 s,大大缩短了测量时间,因此说明了该系统在大尺寸台阶结构测量中,具有较高的精确性与高效性。

利用五帧相移算法进行纳米台阶高度的表征

描述了一种用于纳米级台阶高度表征的相移显微干涉测量方法,它被广泛用于高精度的表面测量上。系统采用集成了高分辨力(0.7 nm)电容传感器的纳米定位器实现移相、健壮的Hariharan五帧相移算法,利用ISO5436-1:2000国际标准对纳米台阶高度结构进行了评价。结果表明,该方法具有无损、快速和易于在晶片上进行的特点。系统测量的精度在纳米量级,重复性在亚纳米量级。

集成AFM测头的纳米测量机用于台阶高度的评价

利用纳米测量机(NMM)和原子力显微镜(AFM)实现了高精度的台阶高度评价,该系统的测量范围可以达到25 mm×25 mm×5 mm。文中描述了NMM和AFM的工作原理,说明了NMM的高精度定位性能,系统利用NMM实现x、y方向的扫描,AFM测头只是作为零点传感器,通过将AFM的悬臂梁反馈控制信号引入到NMM的数字信号控制器中,NMM实现在z方向的辅助测量,这种测量模式减小了AFM的PZT扫描器固有特性对测量的影响。根据ISO 5436—1:2000的评价方法对经过标定的台阶高度进行评价,14次测量的标准偏差为0.52 nm。

基于SIFT图像拼接算法的标准样板测量技术

为了在使用高倍物镜测量标准样板时获得高分辨率的样本整体区域信息,提出了一种基于尺度不变特征变换(SIFT)图像拼接算法的标准样板测量技术。首先通过高倍物镜获取局部三维结构,将其转化为二维灰度图像;然后采用SIFT和RANSAC算法得到准确的特征点;最后采用加权平均融合算法得到完整图像,重构整体样板三维结构,并利用ISO5436-1∶2000对标准样板台阶高度进行评价。实验对100和400 nm两种高度的标准样板进行了测量和拼接,并对拼接后的台阶高度进行评价,测量均值分别为100.3和398.9 nm,实验表明该技术能准确还原标准样板中台阶的高度,有效扩大了标准样板形貌重构的范围。

时间相移显微干涉术用于微机电系统的尺寸表征

提出了将时间相移显微干涉测量方法用于微结构和器件的几何特性检测上.该方法速度快、无损、非接触、易在晶片级进行,具有亚微米级的水平分辨力,垂直分辨力在纳米量级.测量系统采用Mirau显微干涉物镜,利用高性能压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向的相移,并通过健壮的5帧Hariharan算法获取表面的相位信息.通过测量美国国家标准研究院(NIST)认证的标准台阶对系统进行了精度标定,并通过测量微谐振器和压力传感器微薄膜的几何尺寸说明了该方法作为测量和过程表征工具的功能.

集成聚焦式测头的纳米测量机用于台阶高度标准的评价

利用集成聚焦式测头的纳米测量机实现了高精度的台阶高度标准评价,该系统的测量范围可以达到25mm×25mm×5mm。描述了纳米测量机的工作原理,通过内嵌激光干涉仪和角度传感器的实时测量与反馈,实现高精度定位与扫描。聚焦式测头只作为零点传感器,与3个激光轴交于一点,避免了阿贝误差影响。通过将聚焦式测头的输出信号引入到纳米测量机的数字信号控制器中,实现定位系统的辅助测量,减小了聚焦式测头的非线性对测量结果的影响。根据ISO5436-1:2000的评价方法对经过标定的台阶高度进行评价,14次测量的均方根(RMS)偏差为0.237nm。

基于白光相移干涉术的微结构几何尺寸表征

将Carré等步长相移法与白光垂直扫描相结合形成了一种白光等步长相移算法,该方法快速、准确、非接触,垂直分辨力可达亚纳米级.测量系统集成了Mirau显微干涉物镜,并通过高精度压电陶瓷纳米定位器带动物镜进行垂直扫描.分析了Carré法应用于白光干涉信号的相位提取的精度,对不同扫描步距以及不同信噪比情况下的测量进行了计算机仿真,确定了测量参数.结合重心法将相位计算的数据范围直接定位于干涉信号的零级条纹,从而省去了相位解包裹过程.通过对微谐振器和标准台阶的测量说明了该方法的有效性,并使用白光相移干涉、白光垂直扫描和单色光相移干涉对44 nm标准台阶进行了测量,并对测量结果进行了比较.

纳米校准与测试——基于纳米测量机的试验性研究

主要介绍了基于纳米测量机的高阶梯差台阶标准样板和深沟槽深度标准样板计量测试和校准工作研究,包括在NMM上对两种标准样板进行计量测试和校准、在NMM上安装不同的探测传感器时纳米级深度标准样板和台阶高度样板的校准比较、以及在研航空基金项目"在NMM上实现小型非球面的坐标扫描轮廓测量方法"。

钛酸锶单原子台阶高度标准物质的研制

扫描探针显微镜(SPM)是一种具有原子级分辨率的新型显微工具,其厚度测量量值在单原子层厚度(<0.5nm)。为了确保仪器测量结果准确可靠,需要量值对应的台阶高度标准物质进行校准。国内外已研制出6nm以上的有证标准物质,但是不能满足单原子层厚度量值的校准需求,需要研制单原子层厚度的标准物质。钛酸锶(化学式Sr Ti O3,简称STO)晶格常数名义值为0.39nm,其表面化学性质稳定,制备方法简单,因此可作为单原子台阶高度标准物质候选物。本项目通过超高真空分子束外延设备(MBE)高温处理STO衬底,使其表面形成单原子台阶。研制的STO单原子台阶高度标准物质经均匀性和稳定性检验,结果表明该标准物质在大气中量值均匀,有效期达到7个月。最终获得了钛酸锶单原子台阶高度国家二级标准物质证书。