基于图像处理的扫描电子显微镜校准方法

张晓东， 赵 琳， 李锁印， 韩志国， 许晓青， 吴爱华

(中国电子科技集团公司第十三研究所， 河北 石家庄 050051)

随着半导体器件呈现尺寸越来越小、 集成度以及性能越来越高的发展趋势， 器件上的关键尺寸也根据摩尔定律呈现0.7倍的速率下降. 因此， 关键尺寸的准确测量问题成为了提高器件性能的关键. 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope， SEM)是利用二次电子信号成像的方式观察样品的表面信息， 即用极狭窄的电子束来扫描样板， 通过电子束和样品之间的相互作用获得表面形貌的信息. 由于扫描电子显微镜的测量准确度高、 速度快， 被广泛应用于半导体器件的测试[1]. 因此， 解决SEM的溯源问题， 对提高仪器测量准确度十分重要.

20世纪， 国家先后发布了JJG550-1988《扫描电子显微镜试行检定规程》、 JJG(教委)010-1996《分析型扫描电子显微镜检定规程》. 规程中对扫描电子显微镜的放大倍率示值误差、 放大倍率重复性、 图像的线性失真度、 二次电子像分辨本领、 X射线能谱仪等参数， 规定了检定要求[2-4]. 但随着电子显微技术的发展， 旧有检定规程的部分技术指标以及校准方法已不适合扫描电子显微镜的实际需求. 此外， 缺乏科学、 有效、 统一的校准用标准器， 其中线宽样板、 线间隔样板、 二维格栅样板等标准器都可以用来校准扫描电子显微镜. 2021年， 国家颁布了新的校准规范JJF1916-2021《扫描电子显微镜校准规范》， 规范对测长示值误差、 正交畸变和线性失真度等3个参数提出了计量要求[5].

针对规范中需要的校准用标准器， 采用光刻工艺研制了一套标称值为100 nm～10 μm的线间隔样板和标称值为2 μm ～10 μm的格栅样板， 并采用可溯源原子力显微镜进行考核和定值. 线间隔样板能够满足测长示值误差在3 K～1 000 K放大倍率下的校准需求， 格栅样板能够满足正交畸变、 线性失真度的校准需求[6-7]. 此外， 采用线间隔样板和格栅样板作为标准器， 研究了一种基于图像处理的扫描电子显微镜校准方法. 该方法是图像处理算法对扫描电子显微镜采集的样板结构进行图像处理获取数据， 能够降低扫描电子显微镜手动测量带来的误差， 是对扫描电子显微镜校准方法的补充， 进而能够有效提高校准效率和准确度.

标准器的制备工艺包括：
材料准备、 氧化、 涂胶、 曝光、 显影、 刻蚀、 去胶等工艺步骤， 如图 1 所示[8]. 氧化过程是在Si晶圆片上氧化一层SiO2膜. 涂胶过程是在匀胶显影机的旋涂单元中完成， 旋涂单元是负责对晶圆表面做光刻胶涂覆， 实现指定的厚度和均匀性；

曝光过程是在光刻机内进行， 采用的是接触式曝光方法， 即掩模板和晶圆表面直接接触， 掩模板上的图形被1∶1地直接投射在晶圆表面的光刻胶上；

刻蚀过程先采用干法刻蚀， 使刻蚀深度接近台阶预期尺寸， 再采用湿法刻蚀， 对台阶的底面进行平整光滑处理；

去胶过程采用传统去胶工艺， 使用98%的H2SO4和30%的H2O2按照4∶1的比例调制而成的混合液对光刻胶进行清洗. 硫酸先将有机物中的H和O去除， 使其快速碳化， 然后， 双氧水参与反应生成挥发性的CO和CO2， 最后， 使用去离子水冲洗. 溅射是在线间隔样板和格栅样板的上下表面溅射一层金属铬， 其主要特点是质硬而脆、 抗腐蚀性强， 具有导电性， 保证平面度[9].

采用半导体工艺制备的线间隔样板和格栅样板如图 2 所示.

图 1 线间隔样板的制备工艺流程

(a) 标称值为100 nm的线间隔样板

为了提高线间隔样板和格栅样板的定值准确度， 研究了一种边缘检测算法[10]. 该算法基于统计学原理， 通过检验图像两个区域数值差异性来获取图像边缘位置， 进而计算光栅线距. 其中， 将图像分为A和B两个区域， 基于t检验原理， 提出边缘检测函数， 如下式所示.

(1)

1) 通过Hough变换， 检测待测光栅的方向与数据模板移动的区域；

2) 通过边缘检测函数， 计算图像波峰；

3) 将数据模板步长调校到亚像素， 寻找边界的亚像素位置；

4) 基于亚像素位置， 计算样板的几何尺寸[11].

3.1 测长示值误差

依据JJF1916-2021《扫描电子显微镜校准规范》， 选取标准样板图像上M(M≥5)个栅格结构， 测量线条中心间距L[5].间距L可由左侧边缘间距与右侧边缘间距的平均值计算， 即L=(L1+L2)/2， 连续测量3次， 取平均值作为最后测量结果， 如图 3 所示.

图 3 X向校准示意图

因此， 测长示值误差的计算结果如式(2)和式(3) 所示.

(2)

(3)

图像处理软件是用于算法开发、 数据可视化、 数据分析以及数值计算的高级计算语言和交互式数学软件， 在绘图技术、 图像用户界面应用、 图像处理技术等方面有着广泛的应用[12]. 基于测长示值误差的校准原理， 通过边缘检测算法获取X和Y向测量值的方法， 进而获取测长示值误差， 如图 4 所示[13].

图 4 测长示值误差校准方法

被校仪器为某型号扫描电子显微镜， 放大倍率最大为200 K， 在高、 中、 低等不同倍率下进行校准， 计算X和Y方向上的测长示值误差以相对值给出， 如表 1 所示.

表 1 测长示值误差校准结果

3.2 正交畸变

依据JJF1916-2021《扫描电子显微镜校准规范》， 采用10 μm格栅样板， 在1 K倍率下校准正交畸变[5]. 选取X和Y向上5个间隔周期以上测量长度， 使用图像处理程序计算横向和纵向的夹角， 并与标准样板实际值的差为校准结果， 如图 5 所示. 例如：
格栅样板的标准值为1.57 rad， 测量结果为1.56 rad， 则正交畸变为0.64%.

图 5 正交畸变校准方法

3.3 线性失真度

依据JJF1916-2021《扫描电子显微镜校准规范》， 选取标称值为10 μm的格栅样板， 在1 K倍率下校准线性失真度. 将该特征移动到视场的0, 1, 2, 3, 4等5个位置， 并分别采集图像如图 6 所示. 基于图像处理算法， 计算该格栅特征的X向和Y向尺寸， 并依据式(4)进行计算图像的线性失真度[14].

(a) 位置0

(4)

式中：αx和αy分别表示X和Y方向的线性失真度；

Δxmax和Δymax分别表示X和Y向4角方向上的格栅尺寸与中心格栅尺寸的最大像素差值；
d为单个像素代表的实际尺寸.x0和y0分别表示X和Y向的中心格栅像素尺寸. 使用标称值为 5 μm 的格栅样板， 校准1K倍率下的SEM， 结果如表 2 所示.

由表 2 可知， 扫描电子显微镜在1 K放大倍率下，X向上的线性失真度为0.43%，Y向上的线性失真度为0.94%.

表 2 线性失真度的校准结果

旧规程对扫描电子显微镜的放大倍率示值误差、 放大倍率重复性、 图像的线性失真度、 二次电子像分辨本领、 X射线能谱仪等参数规定了计量方法， 已无法满足扫描电子显微镜的新需求. 在半导体行业中， 扫描电子显微镜更多地作为测量工具使用.

为此， 研制了100 nm～10 μm线间隔样板和2 μm～10 μm格栅样板作为标准器具， 来解决现有校准规范中测长示值误差、 正交畸变和线性失真度等3个参数的校准问题. 另外， 扫描电子显微镜测量过程中容易引入人工误差. 相比之下， 基于图像处理的扫描电子显微镜校准方法， 通过获取X和Y向上的像素值， 并运用图像处理技术， 实现像素坐标与世界坐标的转化， 进而解决了仪器的校准问题. 通过校准实验发现：
研制的线间隔样板、 格栅样板和基于图像处理的扫描电子显微镜校准方法能够成功应用于扫描电子显微镜的校准.