тестовая структура для калибровки предметных столиков растровых электронных микроскопов в нанометровом диапазоне

Формула изобретения

1. Тестовая структура для калибровки предметных столиков растровых электронных микроскопов в нанометровом диапазоне, включающая несущее основание и упорядочение расположенные на нем микроструктуры в виде выступов, отличающаяся тем, что в каждой строке массива микроструктур каждый n-й элемент заменен пустым пространством, а в каждой следующей строке замененный элемент смещен на одну позицию, число n может быть от 3 до 10 в зависимости от размеров микроструктур.

2. Тестовая структура по п.1, отличающаяся тем, что в качестве несущего основания используется монокристаллическая кремниевая пластина.

3. Тестовая структура по п.1, отличающаяся тем, что в качестве несущего основания используется монокристаллическая кремниевая пластина с нанесенным на нее слоем металла, островки которого (выступы) образуют массив микроструктур.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области электронной микроскопии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим калибровку предметных столиков электронных микроскопов.

Зная коэффициент увеличения, измерить расстояние между двумя точками на электронном микроскопе можно только в пределах его поля зрения. Современные микроскопы оснащаются высокоточными предметными столиками, которые после калибровки можно использовать для измерения расстояний с большой точностью. Одним из способов калибровки измерительного инструмента является калибровка столика посредством самого же растрового электронного микроскопа с помощью тестовой структуры.

Известна тестовая структура для градуировки растровых электронных микроскопов (РЭМ), выполненная в виде периодической монокристаллической кремниевой структуры с рельефной шаговой поверхностью, элементы которой имеют трапециевидный профиль, в котором проекции боковых граней на плоскость основания превышают диаметр зонда РЭМ [1]. Во всех элементах рельефной шаговой поверхности выдержан постоянный острый угол между боковой гранью трапеции и плоскостью ее нижнего основания. Упомянутый острый угол равен 54,7° и образован пересекающимися кристаллографическими плоскостями (100) и (111) монокристаллического кремния в результате его анизотропного травления.

Принципиальным недостатком такой структуры является то, что она позволяет калибровать предметный столик лишь для малых перемещений (в пределах одного поля зрения электронного микроскопа). При этом для оценки неопределенности измерений необходимо каждый раз возвращаться в исходную точку, что не соответствует типичному ходу измерений, когда измерения производятся между двумя точками, не привязанными к исходной точке. Кроме того, в общем случае нет гарантии, что при больших перемещениях столика неопределенность измерений останется такой же, как при малых.

Наиболее близкой по технической сути является тестовая структура для градуировки сканирующего зондового микроскопа, состоящая из несущего основания и расположенных на нем выступающих монокристаллических микроструктур, имеющих плоскую верхнюю поверхность и боковые грани, верхняя поверхность имеет горизонтальные ребра, а выступающие микроструктуры расположены регулярно с постоянным шагом [2]. Горизонтальные ребра верхней поверхности микроструктуры образуют квадрат и имеют неровность не более 5 нанометров. Микроструктуры могут быть расположены в шахматном порядке. Горизонтальные ребра верхней поверхности микроструктур могут совпадать с кристаллографическими направлениями монокристаллического материала микроструктур. Тестовая структура обеспечивает калибровку сканирующего зондового микроскопа в горизонтальной плоскости по быстрому и медленному направлениям сканирования, определение искажений, вносимых микроскопом в изображение, оптимизацию режимов сканирования для уменьшения искажений.

Принципиальным недостатком такой структуры является то, что она позволяет точно калибровать предметные столики лишь для малых перемещений. Использование длинных упорядоченных рядов микроструктур не решает задачу точной калибровки для больших перемещений, поскольку измерить расстояние между крайними точками перемещения можно только в пределах одного поля зрения растрового электронного микроскопа, а для этого нужно уменьшать увеличение, т.е. снижать точность измерений.

Задачей данного изобретения является обеспечение точной калибровки предметного столика для больших перемещений посредством тестовой структуры за счет изменения конфигурации размещения упорядоченных микроструктур на ее поверхности.

Предлагается тестовая структура для калибровки предметных столиков растровых электронных микроскопов в нанометровом диапазоне, состоящая из несущего основания, и упорядочение расположенных на нем микроструктур в виде выступов, отличающаяся тем, что в каждой строке массива микроструктур каждый n-й элемент заменен пустым пространством, а в каждой следующей строке замененный элемент смещен на одну позицию, число n может быть от 3 до 10 в зависимости от размеров микроструктур. Совокупность примыкающих друг к другу замененных элементов образует на поверхности тестовой структуры наклонные полосы, которые позволяют однозначно идентифицировать конкретные микроструктуры, что необходимо как для точной калибровки тестовой структуры, так и при ее использовании.

В качестве несущего основания может быть использована монокристаллическая кремниевая пластина с нанесенным на нее слоем металла (или без него). Выступы могут быть сформированы удалением части материала с поверхности несущего основания. Если микроструктуры представляют собой островки металла, тестовая структура будет выглядеть более контрастной в электронном микроскопе.

Калибровка тестовой структуры проводится следующим образом: при большом увеличении электронного микроскопа, когда четко видны наноразмерные элементы массива микроструктур, проводится пошаговое фотографирование тестовой структуры с постоянным увеличением и перекрытием кадров около 10%, отснятые кадры компьютером автоматически соединяются (сшиваются) в единое изображение. При задании коэффициента увеличения электронного микроскопа полученное изображение автоматически привязывается к масштабной сетке, позволяющей точно определять координаты любой точки изображения. Поскольку все микроструктуры одинаковые по размеру и форме, программа сшивки изображений может различить их только благодаря наличию наклонных полос, образованных замененными элементами, в каждом кадре. Откалиброванная таким образом тестовая структура может быть использована для калибровки предметного столика.

Калибровка предметного столика проводится следующим образом: перемещением столика совмещается изображение края первой микроструктуры с краем экрана, задается определенное перемещение столика по одному из взаимно перпендикулярных направлений (например по оси X) и делается снимок. Далее на сшитом изображении тестового элемента откладывается то же расстояние по масштабной сетке от края первой микроструктуры в том же направлении и сравниваются полученные картинки. В общем случае они будут несколько рассовмещены. Величина рассовмещения является ошибкой перемещения столика по этому направлению. Повторив эту операцию несколько раз, рассчитывается средняя величина и неопределенность перемещения для данного шага перемещения по этому направлению. Аналогичные действия проводятся для других шагов перемещения как по этому направлению, так и по взаимно перпендикулярному.

Для измерения расстояний между объектами указатель компьютерной мыши наводится на один объект, координаты предметного столика записываются, затем перемещением столика второй объект подводится к указателю и записываются новые координаты столика, разность новых и старых координат по осям Х и Y дает значение проекций отрезка, соединяющего объекты, на эти оси. Величина самого отрезка, т.е. расстояние между объектами, вычисляется по теореме Пифагора.

При проектировании конкретной тестовой структуры значение числа n определяется из следующих соображений: менее 3-х оно быть не может, т.к. при n=2 элементы будут располагаться в шахматном порядке, что не позволит программе идентифицировать каждый элемент и сшить снимки в единое изображение, а при n более 10 расстояние между наклонными полосами даже при минимально возможных размерах элементов будет настолько большим, что не позволит калибровать предметные столики при больших увеличениях, поскольку для работы программы автоматической сшивки изображений необходимо присутствие хотя бы одного замещенного элемента в каждой области перекрытия снимков, т.е. в каждом кадре должно быть не менее n элементов и в ряду, и в столбце. Использование меньших увеличений снижает точность калибровки.

На фигуре 1 показана тестовая структура, представляющая из себя подложку из монокристаллического кремния размерами 10×10 мм, на которой сформировано 5 массивов (300×300 мкм) микроструктур (выступов в кремнии) размерами 100×100×100 нм с замещением каждого пятого элемента в строке на пустое пространство, что обеспечивает появление наклонных полос, расстояние между которыми по строке 1 мкм. Пять массивов на тестовой структуре сформировано для увеличения срока ее службы, поскольку при многократном использовании одного массива его микроструктуры зарастают продуктами конденсации, образующимися в ходе работы РЭМ. При калибровке прецизионную предметного столика Kleindiek LT12830 посредством этой тестовой структуры были получены следующие результаты: при заданном перемещении столика 800 нм средняя величина перемещения составила 808 нм при суммарной неопределенности шага перемещения 29,8 нм. Для указанного столика эта неопределенность оставалась постоянной в диапазоне его перемещений в пределах данной тестовой структуры 300×300 мкм. При определении расстояния между точками, расположенными на краях этого диапазона при помощи откалиброванного по этой тестовой структуре столика Kleindiek LT12830, неопределенность в определении расстояния составляет 0,1%. При измерении этого же расстояния при помощи РЭМ, откалиброванного посредством тестовых структур, описанных в источниках [1, 2], неопределенность измерения составляет 5%. Кроме того, если объекты имеют размеры 100 нм и менее и расположены на расстоянии порядка 100 мкм, измерить расстояние между ними прямым способом (не перемещением столика) невозможно, т.к. при увеличении, позволяющем это сделать, они не видны.

Источники информации

1. Патент RU 2207503 С2.

2. Патент RU 2121131 С1, прототип.