ТЕСТОВАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПРЕДМЕТНЫХ СТОЛИКОВ РАСТРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ МИКРОСКОПОВ В НАНОМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ Российский патент 2012 года по МПК G01Q40/00 B82B3/00 

Описание патента на изобретение RU2462725C1

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.

Похожие патенты RU2462725C1

название год авторы номер документа
Способ трехмерной реконструкции поверхности образца по изображениям, полученным в растровом электронном микроскопе 2016
  • Дарзнек Сергей Андреевич
  • Иванов Николай Анатольевич
  • Карабанов Дмитрий Александрович
  • Кузин Александр Юрьевич
  • Митюхляев Виталий Борисович
  • Тодуа Павел Андреевич
  • Филиппов Михаил Николаевич
RU2704390C2
ТЕСТОВЫЙ ОБЪЕКТ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ МИКРОСКОПОВ В МИКРОМЕТРОВОМ И НАНОМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНАХ 2013
  • Бокарев Валерий Павлович
  • Горнев Евгений Сергеевич
  • Красников Геннадий Яковлевич
  • Тодуа Павел Андреевич
RU2519826C1
ТЕСТОВЫЙ ОБЪЕКТ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ РАСТРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ И СКАНИРУЮЩИХ ЗОНДОВЫХ МИКРОСКОПОВ 2006
  • Волк Чеслав Петрович
  • Горнев Евгений Сергеевич
  • Новиков Юрий Алексеевич
  • Озерин Юрий Васильевич
  • Плотников Юрий Иванович
  • Раков Александр Васильевич
  • Тодуа Павел Андреевич
RU2325619C2
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2006
  • Григоров Игорь Георгиевич
  • Зайнулин Юрий Галиулович
  • Ромашев Лазарь Николаевич
  • Устинов Владимир Васильевич
RU2329490C1
ТЕСТОВЫЙ ОБЪЕКТ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ РАСТРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ МИКРОСКОПОВ 2001
  • Волк Ч.П.
  • Горнев Е.С.
  • Новиков Ю.А.
  • Озерин Ю.В.
  • Плотников Ю.И.
  • Прохоров А.М.
  • Раков А.В.
RU2207503C2
Способ количественной трехмерной реконструкции поверхности образца в растровом электронном микроскопе 2016
  • Дарзнек Сергей Андреевич
  • Иванов Николай Анатольевич
  • Карабанов Дмитрий Александрович
  • Митюхляев Виталий Борисович
  • Тодуа Павел Андреевич
  • Филиппов Михаил Николаевич
RU2657000C1
Способ получения микроструктур на поверхности полупроводника 2020
  • Железнов Вячеслав Юрьевич
  • Малинский Тарас Владимирович
  • Миколуцкий Сергей Иванович
  • Рогалин Владимир Ефимович
  • Филин Сергей Александрович
  • Хомич Юрий Владимирович
  • Ямщиков Владимир Александрович
  • Каплунов Иван Александрович
  • Иванова Александра Ивановна
RU2756777C1
СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ НА РАСТРОВОМ ЭЛЕКТРОННОМ МИКРОСКОПЕ 2014
  • Журавлев Олег Евгеньевич
  • Иванова Александра Ивановна
  • Гречишкин Ростислав Михайлович
RU2557179C1
ТЕСТОВАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА 1997
  • Быков В.А.
  • Гологанов А.Н.
RU2121131C1
Способ количественной трехмерной реконструкции поверхности кремниевых микро- и наноструктур 2015
  • Васильев Александр Леонидович
  • Карабанов Дмитрий Александрович
  • Кузин Александр Юрьевич
  • Митюхляев Виталий Борисович
  • Михуткин Алексей Александрович
  • Семенов Михаил Алексеевич
  • Тодуа Павел Андреевич
  • Филиппов Михаил Николаевич
RU2622896C2

Реферат патента 2012 года ТЕСТОВАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПРЕДМЕТНЫХ СТОЛИКОВ РАСТРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ МИКРОСКОПОВ В НАНОМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ

Изобретение относится к области электронной микроскопии, а точнее к устройствам, обеспечивающим калибровку предметных столиков растровых электронных микроскопов в широком диапазоне перемещений. Изобретение представляет собой структуру, состоящую из основания и расположенного на нем упорядоченного массива микроструктур в виде выступов, размещенных так, что в каждой строке 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. Наличие замененных на пустое пространство элементов создает в массиве микроструктур наклонные полосы, используемые при калибровке тестовой структуры и предметного столика. Технический результат - использование такой тестовой структуры позволяет с большой точностью калибровать предметные столики, определить среднюю величину заданного шага перемещения столика и неопределенность шага перемещения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 462 725 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2012 года RU2462725C1

ТЕСТОВАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА 1997
  • Быков В.А.
  • Гологанов А.Н.
RU2121131C1
ТЕСТОВЫЙ ОБЪЕКТ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ РАСТРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ МИКРОСКОПОВ 2001
  • Волк Ч.П.
  • Горнев Е.С.
  • Новиков Ю.А.
  • Озерин Ю.В.
  • Плотников Ю.И.
  • Прохоров А.М.
  • Раков А.В.
RU2207503C2
ТЕСТОВАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ГРАДУИРОВКИ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА 2000
  • Ибрагимов А.Р.
  • Рабухин А.Л.
RU2158899C1
JP 9297017 A, 18.11.1997
JP 2004132745 A, 30.04.2004
US 6664532 B2, 16.12.2003
JP 2001108599 A, 20.04.2001
US 6016684 A, 25.01.2000.

RU 2 462 725 C1

Авторы

Алексеев Николай Васильевич

Боргардт Николай Иванович

Маляров Антон Андреевич

Даты

2012-09-27Публикация

2011-02-21Подача