技术领域本发明涉及微纳米测量类仪器的校准领域。
背景技术：
随着纳米科技、生命科学的蓬勃发展，微纳米测量类仪器已广泛应用于前沿科学研究、产品设计和大规模生产的过程质量控制中。该类仪器主要有扫描电子显微镜、原子力显微镜、透射电子显微镜、环境电子显微镜、扫描隧道显微镜等等，它们主要用于观察、分析在微米或纳米范围内所发生的物理、化学现象和相关参量的准确测量。其中扫描电子显微镜和原子力显微镜的应用最为广泛。扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope)，简称扫描电镜(SEM)，是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。扫描电镜的放大倍率从几倍到几十万倍，几乎在每个行业都得到了广泛的应用。在半导体领域，加工特征尺寸已进入深亚微米和纳米量级，传统的光学显微镜已经无能为力，必须借助于扫描电镜才能测量亚微米以下的尺寸。原子力显微镜(AFM)是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性，不仅可以测量一定范围内X、Y方向的样品特性，还可以测量一定范围内Z方向的样品特性。在半导体领域中的应用十分广泛。我国是一个大约拥有数千台、每台价值几百万元的微束分析仪器大国，其中扫描电镜约有近千台，原子力显微镜约有几百台。它们在科研和生产单位得到了广泛的应用，仪器的普及率很高。目前，绝大多数扫描电镜只在仪器安装时由生产商的工程师使用厂家提供的铜网样片对仪器图像的放大倍率和畸变进行调试和校准，而由于扫描电镜是采用电子束逐点逐行扫描成像，X、Y方向的扫描图像尺寸将受X、Y方向扫描电子线路的影响。随着使用时间的增加，仪器的电子线路会发生变化，从而影响扫描电镜图像的质量。如在测量物体长度时，普遍与准确值之间存在不同程度的偏差，也常发现因X、Y方向的扫描不同造成图像在X、Y方向的放大倍率不同，且在不同放大倍数下X、Y方向所给出的测量值的Y/X系数也不一样；此外，扫描电镜的图像还常发生畸变，尤其在低倍情况下更为严重。由于缺少统一尺寸的光栅验证样片，扫描电镜在应用方面产生了许多不良后果，如在微电子器件的加工中，由于缺少统一的尺度标准，可使电子器件加工尺寸的误差达30%，引起失效或指标偏离设计要求，类似的问题在实际工作中屡见不鲜。对于原子力显微镜，其输出数据中具有计量量值意义的有二个：一个是类似于扫描电镜的二维平面尺寸的放大倍率，也就是扫描管的X、Y方向的扫描范围；另一个是原子力显微镜具有很高的深度分辨力(Z轴方向)，同时具有深度方向的可定量测试的能力。该类仪器的准确度直接影响其测量结果的准确性，因此本专利主要发明了一种带有台阶高度的微米级光栅验证样片，用于校准此类仪器的图像放大倍率和深度测量特性。当前光栅标准样片的供应商包括美国的VLSI公司、德国的NANOSENSORS公司等等，他们主要提供单值样片。存在的问题和缺陷主要体现在：1、当前样片的尺寸范围不能完全覆盖校准仪器使用的样片范围，并且没有将一维结构和二维结构共同制作在同一样片上的成品。2、校准仪器不同的放大倍率需要使用不同尺寸的样片，当前在售的样片都是单值样片，校准过程中需要多次更换样片，严重影响校准效率。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有台阶高度的微米级光栅校准样片，该样片具有多种结构、测量范围广、避免了校准过程中频繁更换样片，使用方便，提高了校准效率。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种带有台阶高度的微米级光栅校准样片，包括基底、以及在基底上设置的至少一组同一周期尺寸的光栅结构和覆盖在光栅结构表面的金属层；所述一组同一周期尺寸的光栅结构包括同一周期尺寸的一维X方向栅条结构、同一周期尺寸的一维Y方向栅条结构和同一周期尺寸的二维栅格结构，所述一维X方向栅条结构和一维Y方向栅条结构中的若干个栅条分别沿X方向和Y方向均等排列，所述二维栅格结构中的若干个栅格沿X方向和Y方向均等排列，所述栅条和栅格均为凸起的台阶高度结构。进一步优化的技术方案为所述至少一组为7组，其周期尺寸分别为100μm、50μm、20μm、10μm、5μm、2μm、1μm。进一步优化的技术方案为所述栅条和栅格的台阶高度量值为180nm。进一步优化的技术方案为所述基底采用硅材料，所述光栅结构采用氮化硅材料。进一步优化的技术方案为若干个不同周期尺寸的光栅结构均设有对应的计量值标记和循迹标志。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明设计的样片包括一维X方向结构、一维Y方向结构、二维栅格结构、台阶高度结构，避免常规样片结构单一、量值单一，校准过程中要不断更换样片，特别繁琐等问题，并采用分区域设计的方法将7个不同尺寸的样片结构分布在同一模板上，可以整体用于校准该类仪器，并且不用替换样片即可校准该仪器的多个放大倍率及其深度特性，同时在每一区域内均标注了该尺寸样片的设计量值，同时标有循迹标志，帮助使用人员方便快捷的寻找到所需尺寸的样片结构。附图说明图1是本发明整体结构示意图；图2是本发明单个光栅结构的示意图；图3是本实施例使用AFM测量的周期尺寸为2μm的一维光栅样片数据图；图4是本实施例使用AFM测量的周期尺寸为10μm的二维栅格样片数据图；图5是本实施例周期尺寸为2μm的一维光栅样片验证测量数据图；图6是本实施例周期尺寸为10μm的二维栅格样片验证测量数据图；其中，1基底，2光栅结构，3一维X方向栅条结构，4一维Y方向栅条结构，5二维栅格结构。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1和图2所示，本发明公开了一种带有台阶高度的微米级光栅校准样片，包括基底1、以及在基底1上设置的至少一组同一周期尺寸的光栅结构2和覆盖在光栅结构2表面的金属层；所述一组同一周期尺寸的光栅结构2包括同一周期尺寸的一维X方向栅条结构3、同一周期尺寸的一维Y方向栅条结构4和同一周期尺寸的二维栅格结构5，所述一维X方向栅条结构3和一维Y方向栅条结构4中的若干个栅条分别沿X方向和Y方向均等排列，所述二维栅格结构5中的若干个栅格沿X方向和Y方向均等排列，所述栅条和栅格均为凸起的台阶高度结构。进一步优化的实施例为所述至少一组为7组，其周期尺寸分别为100μm、50μm、20μm、10μm、5μm、2μm、1μm。进一步优化的实施例为所述栅条和栅格的台阶高度量值为180nm。进一步优化的实施例为所述基底1采用硅材料，所述光栅结构2采用氮化硅材料。进一步优化的实施例为若干个不同周期尺寸的光栅结构2均设有对应的计量值标记和循迹标志。本发明有效的结合了现有的商业测试样片的结构和尺寸，研制了带有台阶高度的微米级光栅验证样片，应用于校准扫描电镜和原子力显微镜，通过自行设计样片尺寸和结构分布图，并制作验证样片，有效的提高了该类仪器的测量准确性。本发明由一维X方向结构、一维Y方向结构、二维栅格结构组成，如图1所示，分为9个区域，包含了100μm、50μm、20μm、10μm、5μm、2μm、1μm等7个不同的尺寸，台阶深度尺寸为180nm。并且在每一区域内均标注了该尺寸样片的设计量值，同时标有循迹标志，帮助使用人员方便快捷的寻找到所需尺寸的样片结构。带有台阶高度的微米级光栅校准样片的制作步骤，具体如下：(1)样片的选材样片的材料选取需要综合考虑加工的难易程度、样片的稳定性和用于校准仪器时的成像质量等等诸多因素。通过查阅相关资料，结合现有的半导体加工条件，制作标准样片的材料选择为：基底材料选择硅，光栅结构的材料为氮化硅，表面覆盖金属层。选用硅作为衬底材料是因为硅是比较重要的半导体材料，广泛应用于微电子行业，其化学性质非常稳定，适应于加工成多种微电子行业中专用设备的标准样片。选择在硅衬底上面淀积一层氮化硅用于加工光栅结构，选择氮化硅的原因是氮化硅与硅的对比度相对较好，并且氮化硅硬度大、致密、工艺存在很大的优势；考虑到样片应用于校准扫描电镜，需要具备导电性，最终在其表面溅射金属层保证其具备导电性能。(2)样片的图形设计本发明使用L-Edit软件绘制图形，设计图中不仅包括了7个尺寸的一维X方向结构、一维Y方向结构，还包括了各个尺寸的二维栅格结构，这样设计的原因是校准扫描电镜时不用转动样片即可校准了X方向和Y方向的不同放大倍率，制作栅格结构用于校准图像畸变，带有台阶结构用于校准原子力显微镜的测深能力，满足了样片的使用功能。设计的样片版图如图1所示。在图形设计时需要考虑以下两个方面：1)什么结构的样片适用于校准扫描电镜和原子力显微镜2)不同放大倍率使用不同尺寸的样片，多种尺寸的样片如何方便快捷的应用于校准工作中。为了解决以上问题，本发明结合当前微电子行业的需要，设计了带有台阶高度的微米级光栅样片。样片尺寸拟选择为：100μm、50μm、20μm、10μm、5μm、2μm、1μm，台阶深度量值为180nm，结构分别制作一维和二维光栅，一维结构分别制作X方向和Y方向，二维结构制作栅格图形，如图2所示。扫描电镜的不同放大倍率要使用不同尺寸的样片，当前校准扫描电镜时，校准人员需要按照被校仪器的放大倍率选择相应尺寸的样片依次放进扫描电镜的工作台中，计量过程中校准每一放大倍率大约需要0.5小时，这一过程包括样片的准备、载入工作台、测量过程等等，通常情况下校准一台扫描电镜需要使用5种尺寸的样片，耗时大约为2.5~3小时，计量过程不仅繁琐而且特别费时。为了解决这些问题我们采用了分区域设计的方法将微米级光栅样片的7个不同尺寸的栅条结构都分布在同一掩模版上，并在掩模版上设计循迹标志，计量时方便寻找各个尺寸的位置，加工出的样片在校准过程中只需移动工作台寻找各种尺寸的结构进行校准即可，比较省时。同样适用于校准原子力显微镜的放大倍率和测深能力。(3)样片的加工本发明采用投影光刻的方法加工样片，利用Laser-beam制版技术制作掩模板，掩膜板尺寸为60mm×60mm，投影光刻的缩小比例为5:1，制作出的样片整体尺寸为12mm×12mm，包括了7个尺寸，9个方格区域，可以整体用于校准仪器的放大倍率和测深能力，并且计量的过程中不用替换样片即可校准该类仪器的多个放大倍率。加工过程中为了更好的刻蚀光栅结构对样片要进行涂胶、曝光、显影，然后去除掉样片上的水渍等残留物，再进行刻蚀，最终完成样片的加工。数据测量：本发明采用原子力显微镜(AFM)对制作出的样片进行了栅条宽度和台阶高度的测量。光栅样片的栅条宽度即为每条光栅的两边缘线之间的距离，台阶深度为光栅的上边缘和其下边缘的高度差；本发明在对光栅样片的栅条宽度进行测量时，首先选取AFM扫描图像中的一条比较均匀的周期光栅，采用AFM的分析软件对其栅条宽度和台阶高度进行重复测量六次，平均值作为该周期光栅的栅条宽度值和台阶高度值。本发明以周期尺寸为2μm和10μm的样片为例，详细阐述了测量过程，测量结果如图3、图4所示。图3中选择其中的一条周期光栅进行宽度测量，在这条光栅上面均匀选择六个位置测量其宽度值，分别为：2.015μm、2.014μm、2.012μm、2.012μm、2.016μm、2.015μm，取其平均值作为该段周期光栅的宽度测量结果，结果为2.014μm。同样选择这六个位置进行高度测量，分别为：180.67nm、180.56μm、180.61nm、180.71nm、180.85μm、180.69μm，取其平均值作为该段周期光栅的台阶高度测量结果，结果为180.68nm。表1周期为2μm的光栅测量结果对图4中的一个周期栅格均匀选取6个位置测量其宽度值，分别为：10.078μm、10.081μm、10.079μm、10.089μm、10.096μm、10.091μm，取其平均值作为该周期栅格的宽度测量结果，结果为10.086μm；同样选择这六个位置进行高度测量，分别为：180.45nm、180.33μm、180.72nm、180.65nm、180.58μm、180.67μm，取其平均值作为其台阶高度测量结果，结果为180.68nm。表2周期为10μm的栅格样片的测量结果测试数据验证：为了验证微米级光栅样片的测试结果，我们使用扫描电子显微镜对制作的光栅样片进行了栅条宽度测量验证，使用白光干涉仪对制作的样片进行台阶高度测量验证。测量设备名称：扫描电镜；型号：S-4800；机号：9278-10使用该设备对制作的样片进行测量，以周期尺寸为2μm的光栅栅条和周期尺寸为10μm的光栅栅格为例，使用扫描电镜自身所带的测量软件测量样片的尺寸。选择这5个周期光栅进行宽度测量，在这5条光栅上面均匀选择三个位置测量其宽度值，分别为：10.033μm、10.045μm、10.033μm，取平均值作为五个周期的栅条宽度平均值，最后计算出单个周期光栅的宽度值，结果为2.007μm。选择这2个周期栅格进行宽度测量，在这2个光栅上面均匀选择三个位置测量其宽度值，分别为：20.009μm、20.009μm、20.009μm，取平均值作为两个周期的栅格宽度平均值，最后计算出单个周期栅格的宽度值，结果为10.005μm。由上面的测量数据可知，其量值的相对误差均小于3%，满足了JJG550-88《扫描电子显微镜试行检定规程》中对微米级光栅样片的要求。测量设备名称：白光干涉仪；型号：GT-X8。使用该设备对制作的样片进行测量，以周期尺寸为2μm的光栅栅条和周期尺寸为10μm的光栅栅格为例，使用白光干涉仪测量相应位置的台阶高度，测量结果图如图5、6所示。图5中选择其中任意周期光栅进行台阶高度测量，在这条光栅上面均匀选择六个位置测量其台阶高度值，分别为：0.1779μm、0.1777μm、0.1821μm、0.1861μm、0.1829μm、0.1797μm，取平均值作为该周期光栅的台阶高度值，结果为0.1811μm，即为181.1nm。图6中选择其中任意周期栅格进行台阶高度测量，在这一栅格上面均匀选择六个位置测量其台阶高度值，分别为：0.1793μm、0.1821μm、0.1795μm、0.1792μm、0.1813μm、0.1817μm，取平均值作为该周期光栅的台阶高度值，结果为0.1805μm，即为180.5nm。