專利名稱：用原子力顯微鏡確定樣品的材料界面和計量信息的方法
技術領域：
本發明涉及原子力顯微鏡(AFM)，尤其涉及一種使用原子力顯微鏡確定樣品上材料界面的位置以及確定樣品上的關鍵尺寸的方法。
背景技術：
原子力顯微鏡(AFM)探針經常用于計算和測量在具有非常小尺寸或者形貌特征的半導體或者其它產品上的特征。通常在圓片上形成的這樣的產品，還可以包括如碳化鈦的、諸如在圓片上形成的那些之類的磁讀寫頭。AFM以基本上無損于正被制造的器件的方式，在這樣的器件制造或者開發期間提供有用的計量信息。傳統的AFM探針一般包括具有硅末端(tip)的硅懸臂梁(該AFM末端垂直于懸臂梁延伸或者相對于該懸臂梁以非常小的角度(例如，小于10度)延伸)。該末端經常形成為細長桿。該硅末端經常被刻蝕以形成小到足以符合深度特征的尖銳頂點。在市場上存在幾種為成像和測量深窄特征而構造的高長寬比末端。一些高長寬比末端是使用聚焦離子束制造的，以將硅末端機加工為長寬比在7∶1和10∶1之間的細長桿。因此，具有10∶1長寬比(即，長度∶直徑)的AFM末端也許能在直徑100nm的溝中伸入1000nm。可以使用電子束沉積形成其它高長寬比的末端(例如，EBBD末端)，或者這些高長寬比末端可以是例如直徑在10nm和80nm之間的碳納米管。
為關鍵尺寸信息設計了諸如關鍵尺寸原子力顯微鏡(CDAFM)之類的其它AFM設備。這類AFM設備裝備有具有球形或者擴展的末端部分的末端，該末端能夠描繪具有負斜度的形貌(topography)(即，具有懸垂部分或者負側壁輪廓的特征)的輪廓。利用這樣的設備，AFM末端的球形部分可以延伸到該形貌的懸垂部分的下面。在這種用于揭示這樣的懸垂或者負斜度結構的關鍵計量信息的AFM類別中，主要的特征是允許末端遵循本地形貌改變的輪廓追逐算法以及用于在掃描之后進行末端-輪廓去卷積的算法。
雖然AFM提供了用于確定有關樣品的大量計量或者形貌信息的方便、無損手段，但是可由這樣的技術提供的信息多樣性受到了限制。例如，當結構由多層構造而成時，AFM還不能確定不同材料層之間的界面位置。此外，提供一系列二維輪廓曲線的原子力顯微鏡掃描在許多情況下還不能提供詳細的關鍵尺寸信息。這樣的關鍵尺寸可以包括結構在三維空間中的最大寬度位置，或者該結構通過在層界面上的局部斜度轉變而從一個形狀改變為另一個的結構上的確切轉變點。
通常，當需要這樣的信息時，AFM技術必須與諸如聚焦離子束切削、圓片劈開實驗、或者進行刻蝕以暴露橫截面之類的其它破壞性測試技術相結合。可理解地是，這樣的技術為制造過程增加了相當多的時間和費用。
因此，強烈感到需要一種可以提供材料界面數據和關鍵尺寸信息的方便、非破壞性測試技術。這樣的技術優選為幾乎不引起制造費用的增加，并且優選為將采用諸如AFM之類的現有測試技術，同時仍然提供必要的關鍵尺寸和界面信息。
發明內容
本發明提供了一種使用樣品的輪廓掃描來尋求樣品的關鍵計量和輪廓轉變數據的方法和系統。該方法包括執行對樣品的掃描，所述掃描包括多條掃描線。然后為多條掃描線確定局部最大值或最小值或者局部斜度改變的位置，并且根據局部最大值或最小值確定關鍵尺寸信息。
可以由原子力顯微鏡(AFM)進行掃描，而且局部最大值或最小值信息可以具有在所掃描的輪廓中的局部凸起、下沉、斜度改變或者掃描線中的其它異常的形式。從局部最大值或最小值中獲得的關鍵信息可以包括諸如在樣品上的材料界面位置之類的界面信息，或者可以包括諸如在樣品的轉變點或者其它特征的位置之類的其它關鍵尺寸信息。
可以從多條掃描線中找到的局部最大值或最小值獲得最佳擬合線，以便形成諸如界面之類的關鍵尺寸信息或者其它信息的準確三維表示。此外，可以從多個局部最大值或最小值確定兩條或者更多最佳擬合線，而且可以確定兩條或者更多最佳擬合線的交叉點(或者最佳擬合交叉點)以獲得關鍵尺寸的位置。
上述方法提供了一種用于測試樣品以確定必要關鍵尺寸的快速、無損、且相對便宜的方式。這在許多情況下消除了執行諸如聚焦離子束切削或者劈開實驗之類的費時測試技術的需要，這些測試技術切割樣品以查看各種材料層并且確定關鍵尺寸。因此，本發明在保持高產品質量的同時大大提高了產品吞吐量。
當結合附圖閱讀以下的詳細描述時，本發明的這些及其他優點和特征將變得明顯。
為了完整地理解本發明的特性和優點以及優選的使用模式，應當參考以下結合附圖閱讀的詳細說明，這些附圖不是按比例縮放的。
圖1是用于掃描樣品的系統的示意圖；圖2是掃描具有形貌的樣品的原子力顯微鏡探針的視圖；圖3是在制造中間階段的磁寫入極(pole)的橫截面視圖；圖4是從圖3的線4-4獲取的視圖；圖5是圖4所示樣品的掃描線的重疊的圖形表示；圖6是根據本發明的實施例示出從多個局部最大值和最少值確定的最佳擬合線的掃描線的三維表示；以及圖7是說明用于從對樣品的掃描確定關鍵尺寸的方法的流程圖。
具體實施例方式
以下描述是當前所考慮到的用于執行本發明的最佳實施例。這個描述用于說明本發明的一般原理的目的，而不是意味著限制此處要求保護的發明構思。
現在參見圖1，其中示出了其中可以采用本發明的原子力顯微鏡(AFM)的示意圖。該特定的AFM當然是用于說明目的，而且本發明不應該限于特定的AFM系統或者一般的AFM系統。具有末端102的懸臂100與快速xyz壓電管掃描儀104相連接，以便快速和準確地在3個軸方向控制末端102的位置。激光器106通過準直透鏡108將激光束發射到懸臂100的背面，其中該光束被反射到二維位移傳感器。優選為，二維位移傳感器包括象限光電檢測器。作為選擇，二維位移傳感器可以包括壓阻懸臂、電容性電感、隧道、光或者干涉測量設備。光電檢測器110準確地檢測懸臂以及因此末端的位移和方位，并且提供分別指示末端上掃描方向(x)和垂直方向(z)的力的信號IX和IZ。由計算機112接收和記錄這些信號的幅值和符號。
響應于從計算機112到用于在與樣品的上表面平行的平面中掃描末端的xy壓電裝置(piezoelectric)114的掃描信號，以及從計算機112到用于深度或者z平面方向位移的z壓電裝置116的掃描信號，確定末端102的位置。
除響應于來自計算機112的信號而提供的掃描運動之外，還可以借助于從振蕩器118到壓電管掃描儀104的信號，以大于1khz、優選為在1和100khz之間的范圍內的高頻，以及幾個埃、典型地在10khz頻率時為10埃的幅值在Z軸方向進行振動。
還可以使末端在x軸方向上以同樣大于1khz、一般在1和100khz之間的范圍內的高頻，但是不同于在Z軸方向的頻率，經歷大約標稱位置的振動。該x軸運動具有幾個埃、典型地在15khz頻率時為10埃的振幅。借助于從振蕩器120到壓電管掃描儀104的信號提供x軸振動。
作為光電檢測器電路一部分的附加電子線路(未示出)將光電檢測器電流轉換為本領域已知的恰當的IX和IZ信號。由計算機112接收和記錄來自光電檢測器的信號IX和IZ。IX對IZ的比率表示在與末端102接觸時樣品的局部斜度。響應于由計算機112提供的信號，樣品的輪廓顯示在顯示器122上。
在水平表面上，IZ的振幅最大而IX的振幅基本為零，這是因為懸臂在x軸或者掃描方向上沒有經歷任何扭曲或者扭轉運動。在垂直表面上，IX信號最大而IZ信號最小。此外，IX信號的符號指示表面的斜度是向上還是向下的。此外，取決于表面的斜度，IX信號的相位與x壓電激勵信號同相或者與x壓電激勵信號異相180度。從IX信號和IZ信號振幅的平方的數值中獲得平均的末端到樣品間距。基于已知的平均末端到樣品間距和給定點的局部樣品斜度，計算機能夠沿著適當的方向移動末端以便沿著樣品并且保持與樣品的接觸而不用中斷掃描運動。
對于本領域的技術人員來說，顯然可容易地修改圖2所示的布置以便以DC模式操作(即沒有振動激勵)。因為末端不經歷任何振動，所以消除了振蕩器118、120。因為從懸臂反射的激光束不包含高頻分量，并且因此簡化了用于獲得信號IX和IZ的信號處理，所以光電檢測器電路也被修改了。
現在參見圖2，說明了在末端102和樣品204的形貌特征202之間的接觸的采樣模式。如上所述，可以用球形端部配置末端102(如在關鍵尺寸原子力顯微鏡系統(CDAFM)中那樣)，以便它可以延伸到懸垂特征下面以指示諸如特征202的下半部分之類具有負斜度的特征。去卷積算法可用于解釋來自這樣的懸垂特征的數據。以形貌特征202僅僅作為可被掃描的任意數目的特征形狀的示例，可以看出所關注的特征可以是局部斜度改變206。還可以找到最大值208或者最小值210。在所示示例中，最大值寬度208處于與局部斜度改變206相同的位置處。然而，可以掃描其它的形狀，如具有不是最大值或者最小值的局部斜度改變的形狀、不具有最大值或者最小值的形狀，或者其中最大值或者最小值在頂部和底部但是沒有局部斜度改變的形狀。因此，本發明無論如何不應該受限于所公開的形狀。
參見圖3和4，將根據在用于諸如盤驅動器之類的磁數據記錄設備的寫入極上執行的掃描，來描述本發明。然而應當理解，本發明可以在任意各種結構上實踐，而且應當不限于包括磁寫入頭的樣品。因此，圖3示出了在制造中間階段的寫入頭的端視圖(氣承表面視圖或者ABS視圖)。該視圖示出了梯形的寫入極302。可以在寫入極的頂端提供諸如包括光致抗蝕劑層或者其它材料掩模在內的結構之類的掩模結構304。寫入極302具有某些關鍵尺寸。例如，如圖3所示，寫入極在它的頂端具有最大寬度306，其也是在寫入極302和掩模層304之間的界面位置。寫入極302頂端306的最大寬度是關鍵性的，這是因為它確定了寫入極302的最終寬度。可以從圖3中看出，另一個關鍵尺寸是在底部308的最小寬度。參見圖4，其示出了寫入極一部分的俯視圖，可以看出寫入極302具有包含基本上不變的橫截面的極尖部分，以及具有然后向外喇叭張開(flare)的部分。在寫入極302從基本上不變的橫截面轉變到喇叭張開部分處的點被稱為喇叭張開點310。這個喇叭張開點310位置是另一個關鍵的信息點，這是因為它離氣承表面(ABS)(即最終的極被剪切以面對磁盤的平面位置)的距離是設計重點。
如上所述，原子力顯微鏡僅僅提供形貌信息。為了獲得諸如材料之間的界面位置之類的材料信息，先前必須執行諸如使用聚焦離子束(FIB)橫切樣品或者執行劈開實驗之類的破壞性測試過程。然而我們已經認識到，因為不同的材料以不同的速率對諸如在掩模和極材料之間具有切削選擇性的離子切削處理之類的各種加工工序做出反應，所以將寫入極層成形為凹角(reentrant)輪廓。可以在表面形貌中檢測到關于材料界面位置的某些暗示。使用適當的數據解釋算法，可以產生指示材料界面位置以及某些所論述的關鍵尺寸的圖像。
現在參見圖5，圖形502示出了從ABS來看，寫入極302的多條掃描線的重疊。圖6示出了多條掃描線中的掃描線的透視圖。在圖5中可以看出，許多掃描線在極302的每一側都具有諸如凸起或者局部斜度改變504之類的異常。這些異常504中的每一個都指示圖3所示的極302和覆蓋掩模層304之間的界面位置。這還表示對于該特定輪廓掃描，極302頂端的局部最大寬度部分306的位置。
當形成諸如寫入極之類的結構時，構成該結構的不同材料層以不同的速率對各種處理做出反應。在當前示例中，參考圖3描述的結構包括寫入極302以及覆蓋掩模結構306。當形成極302時，諸如離子切削之類的材料除去處理用于除去未由掩模覆蓋的極材料。然而，以與構成極的磁性材料不同的速率除去掩模材料。這導致在極302和掩模304之間的界面位置306處的結構輪廓的改變。因此，在圖5所示的掃描中，這個界面本身顯現為凸起或者局部斜度改變504。
現在參考圖6，可以看到這些掃描線的等距視圖。如上所述，對于我們的磁寫入極示例，某些關鍵尺寸包括寫入極的局部最大寬度以及喇叭張開點310的位置(圖3和4)。為了從諸如圖6所示之類的AFM掃描中確定這些關鍵尺寸，必須首先確定每條輪廓線上的某些關鍵點。例如，可以在每個輪廓上找到以前論述的凸起或者局部斜度改變點504，并且可以使用這些凸起來尋求最佳擬合線603以便更準確地確定寫入極302的頂端寬度。為了更好地確定極302的最大寬度306的位置，可以將線匹配算法應用于多個掃描。
同樣如所述，另一個關鍵信息點是喇叭張開點310的位置(圖4)。參見圖6，可以確定每個輪廓上表示沿著不變橫截面部分以及沿著喇叭張開部分的寫入極底端的點602。第一最佳擬合線604可以由處于掃描的不變橫截面內的點602連接而成。然后可以發現寫入極的喇叭張開部分內的點602連接而成的第二最佳擬合線606。然后可以找到線604，606的交點608。這個交點608準確地表示寫入極302的底部喇叭張開點310的位置。類似的操作使得在掩模-極界面平面中的603和605的線擬合之后，找到頂端喇叭張開位置，即交點609。這個頂端喇叭張開點609是非常關鍵的尺寸。應當指出，如果在平坦表面上構造該特征，則第一和第二最佳擬合線應當交叉。然而，對于這些線條不交叉的情況，可以作為這兩條線交點的最佳近似而找到交點608和609。這樣的近似可以是例如沿著連接第一和第二最佳擬合線的最短可能線的中間點。當線條彼此相交時，這可以例如在這些線條彼此重疊的位置處。
應當指出，僅僅為所掃描結構的一側說明了最佳擬合線的構造。然而這僅僅是為了清楚的目的，而且應當理解，可以為該結構的兩側都執行線擬合過程。還應當指出，雖然已經根據用于磁記錄的寫入極的掃描而描述了本發明，但是本發明適用于諸如在Si圓片上產生的半導體電路之類的任意數量的其它樣品類型。
圖7是說明用于從樣品的AFM掃描確定關鍵尺寸的方法700。首先，在步驟702執行樣品的掃描。該掃描包括多條輪廓掃描線。然后，在步驟703，如果重現關鍵尺寸信息是最終目標，則執行用于關鍵尺寸原子力顯微鏡(CDAFM)的末端-樣品去卷積算法以便揭示真實的特征輪廓。如果要提取計量信息則可以采用這個步驟703。然后，在步驟704，在步驟702獲得的每條掃描線中找到局部最大值或最小值位置或者局部斜度改變位置。如上所述，局部最大值或最小值位置或者斜度改變位置可以具有掃描線中的凸起或者異常504或者602的形式。然后，在步驟706，從每條掃描線的局部最大值或最小值或者斜度改變點找到一條或者多條最佳擬合線。在可選步驟708，如果找到兩條基本上交叉的最佳擬合線，則找到交點位置。可以使用在最大值、最小值、或者斜度改變位置所處的平面中擬合的線尋求交點。在步驟710，可以從掃描線、最佳擬合線以及交點(如果可應用的話)中導出包括界面信息在內的樣品的三維輪廓。最終，在步驟712，產生關鍵尺寸(CD)和喇叭張開點信息。
雖然上面已經描述了各種實施例，但是應當理解它們僅僅以示例方式給出而不是用于限制。例如，雖然已經根據原子力顯微鏡描述了本發明，但是可以使用例如但不限于使用掃描隧道顯微鏡等之類的其它掃描技術實踐本發明。對于本領域技術人員來說，其它屬于本發明范圍內的實施例也可能是顯然的。因此，本發明的廣度和范圍不應該由任何上述示范實施例所限制，而是應該僅僅根據所附權利要求以及它們的等效物所定義。
權利要求
1.一種用于確定樣品上的關鍵尺寸的方法，包括執行對樣品的掃描，該掃描包括多條掃描線；以及為多條掃描線中的每條掃描線確定最大值、最小值、或者局部斜度改變的位置。
2.如權利要求1所述的用于確定關鍵尺寸的方法，其中，使用具有末端-特征去卷積能力的原子力顯微鏡執行掃描。
3.如權利要求1所述的方法，其中局部最大值由掃描輪廓中的異常表示。
4.一種用于確定樣品上的材料界面信息的方法，包括執行對樣品的掃描，該掃描包括生成多條掃描線；執行末端-樣品去卷積；以及在末端-樣品去卷積之后，確定多條掃描線中至少一條的異常位置。
5.如權利要求1所述的方法，其中使用原子力顯微鏡執行掃描。
6.如權利要求4所述的方法，其中，至少一個異常由局部最大值、局部最小值或者局部斜度改變所表示。
7.一種用于確定樣品上的關鍵尺寸的方法，包括執行對樣品的掃描，該掃描包括多條掃描線；執行這些掃描線的末端-樣本去卷積；在多條掃描線中的兩條或者更多條上尋求局部最大值或最小值或者斜度改變；以及尋求用于連接多條掃描線的最佳擬合線。
8.如權利要求7所示的方法，其中，由原子力顯微鏡執行掃描。
9.一種用于確定樣品上的關鍵尺寸的方法，包括執行對樣品的掃描，該掃描包括多條掃描線；執行這些掃描線的末端-樣本去卷積；在多條掃描線中一條或者多條上尋求局部最大值或最小值或者斜度改變；基于第一組最大值或者最小值或者斜度改變尋求第一最佳擬合線；以及基于第二組最大值或者最小值或者斜度改變尋求第二最佳擬合線；以及尋求第一和第二最佳擬合線的交點。
10.如權利要求9所述的方法，其中使用原子力顯微鏡執行掃描。
11.如權利要求9所述的方法，其中第一和第二最佳擬合線的交點確定關鍵尺寸的位置。
12.如權利要求9所述的方法，其中局部最大值或最小值或者斜度改變表示為在掃描線中的局部異常。
13.一種用于確定樣品上的關鍵尺寸的系統，該系統包括原子力顯微鏡探針；計算機，與該原子力顯微鏡探針相連接，用于接收、末端-樣本去卷積以及解釋來自探針的樣品掃描數據，并用于控制探針的位置；以及存儲器，配備在計算機中或者與該計算機相連接，以便存儲計算機可讀指令，所述計算機可讀指令包括用于執行以下操作的指令執行對樣品的掃描，該掃描包括多條掃描線；執行末端-樣本去卷積以解析所掃描特征的輪廓；在多條掃描線中的四條或者更多條上尋求局部最大值或最小值或者斜度改變；基于第一組最大值或者最小值或者局部斜度改變尋求第一最佳擬合線；以及基于第二組最大值或者最小值或者局部斜度改變尋求第二最佳擬合線；以及尋求第一和第二最佳擬合線的交點。
14.如權利要求13所述的系統，其中，局部最大值和最小值或者斜度改變由掃描線中的局部異常所表示。
15.如權利要求13中所述的系統，還包括用于產生樣品的三維模型的指令，該三維樣品包括在該樣品內定義和測量的關鍵尺寸。
16.如權利要求13中所述的系統，還包括用于從局部最大值和最小值或者局部斜度改變確定界面信息的指令。
17.如權利要求13中所述的系統，還包括用于從局部最大值和最小值或者局部斜度改變確定界面信息的指令；以及用于產生樣品的三維模型的指令，所述三維模型包括所述界面信息。
18.一種嵌入計算機可讀介質的計算機程序，該程序包括用于執行以下操作的計算機可讀指令執行對樣品的掃描，該掃描包括多條掃描線；執行這些掃描線的末端-樣品去卷積；在多條掃描線中的四條或者更多條上尋求局部最大值或最小值或者斜度改變；基于第一組最大值或者最小值或者斜度改變尋求第一最佳擬合線；以及基于第二組最大值或者最小值或者斜度改變尋求第二最佳擬合線；以及尋求第一和第二最佳擬合線的交點。
19.如權利要求18所述的計算機程序，其中用于執行對樣品的掃描的指令包括用于使用原子力顯微鏡執行對樣品的掃描以及該掃描的末端-樣本去卷積的指令。
20.如權利要求18所述的計算機程序，還包括用于從局部最大值或最小值或者局部斜度改變確定界面信息的指令。
21.如權利要求18所述的計算機程序，還包括用于產生樣品的圖形模型的指令，該圖形模型包括關鍵尺寸。
22.如權利要求18所述的計算機程序，還包括用于從局部最大值和最小值或者局部斜度改變確定界面信息的指令；以及用于產生樣品的圖形模型的指令，所述圖形模型包括所述界面信息。
全文摘要
一種使用原子力顯微鏡確定樣品的界面信息和關鍵尺寸的方法。在關鍵尺寸信息處理之前，對掃描線執行末端－樣本去卷積。在多條掃描線上尋求每條掃描線的局部最大值和最小值或者局部斜度改變。然后為多個最大值和最小值或者斜度改變點尋求最佳擬合線。可以使用多個最大值或者最小值或者斜度改變點尋求兩條最佳擬合線。這兩條最佳擬合線的交點可用于確定諸如轉變點之類的關鍵尺寸。這樣的方法可以用于確定梯形磁寫入頭的軌道寬度，或者可以用于確定磁寫入頭上的喇叭張開點的位置。
文檔編號G01B11/00GK1877246SQ200610094518
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月9日 優先權日2005年6月9日
發明者胡家禎 申請人:日立環球儲存科技荷蘭有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
