Автореферат (Электронная спектроскопия материалов и микроструктур в сканирующем электронном микроскопе)

На правах рукописиКупреенко Степан ЮрьевичЭлектронная спектроскопия материалов и микроструктур в сканирующемэлектронном микроскопе01.04.04 – физическая электроникаАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре физической электроники Физическогофакультета Федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего образования Московский государственный университетимени М.В.

Ломоносова.Научный руководитель:Доктор физико-математических наук, профессор Рау Эдуард ИвановичОфициальные оппоненты:Филиппов Михаил Николаевич,Доктор физико-математических наук, профессор, Федеральноегосударственное бюджетное учреждение науки Институт общей инеорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук(ИОНХ РАН им.

Курнакова), зав. лабораторией химического анализаЯкимов Евгений Борисович,Доктор физико-математических наук, профессор, Федеральноегосударственное бюджетное учреждение науки Институт проблемтехнологии микроэлектроники и особочистых материалов Российскойакадемии наук (ИПТМ РАН), зав. лабораторией локальной диагностикиполупроводниковых материаловВедущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки ФизикоТехнологический Институт Российской Академии Наук (ФТИАН РАН)Защита состоится «__» __________ 2017 года в __-__ на заседаниидиссертационногосоветаД 501.001.66набазеМосковскогогосударственного университета имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991,Москва, Ленинские горы, д.

1, стр. 2, Физический факультет МГУ, ауд. ___.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имениМ.В.Ломоносова и на сайте phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-66/Автореферат разослан «__» __________ 2017 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н.Карташов2Общая характеристика работыАктуальность темыРазвитие современной микро- и наноэлектроники невозможно безадекватного сопровождения новых контрольно-измерительных методов иаппаратуры для локальной диагностики микроструктур и исследования ихэлектрофизических свойств. Среди методов характеризации новыхматериалов и приборных устройств в области нанотехнологий уже многиегоды приоритетную роль играет сканирующая электронная микроскопия.

Нопока что не все известные возможности стандартного сканирующегоэлектронного микроскопа (СЭМ) с его остросфокусированным электроннымзондом полностью удовлетворяли всё растущим запросам и потребностямисследователей в области микроэлектроники и других смежных микро- инанотехнологиях.В частности, в СЭМ почти не использовалась аналитическая электроннаяспектроскопия, которая требует, как правило, наличия высокого вакуума (10-9Торр) и энергоанализаторов с хорошим разрешением (доли эВ).

Оба этитребования отсутствовали долгое время в СЭМ, где вакуум порядка 10 -6Торр, но некоторые эксперименты могут обходиться без этих условий и втоже время давать новую богатую информацию о свойствах, структуре ифизических явлениях в изучаемых микрообъектах.Осуществление электронной спектроскопии в СЭМ, проведённое вдиссертационнойработе,значительнорасширяетвозможностиколичественной сканирующей электронной микроскопии и позволяетполучать новую информацию при диагностике микро- и наноструктур.Дополнительныевозможностиэлектроннаяспектроскопияпредоставляет также при изучении диэлектрических материалов в СЭМ.

Притаких исследованиях возможны контролируемые эксперименты по изучениюмеханизмов зарядки диэлектрических мишеней под воздействиемэлектронного облучения. Указанная проблема весьма актуальна во многихобластях науки и техники: в радиационной физике, аналитических методах спомощью пучков заряженных частиц, в электронной литографии, в областиобеспечения надёжности космических аппаратов, в ядерных и плазменныхустройствах. Многие нюансы электронно-зондовой зарядки диэлектрическихмишеней оставались до настоящего времени непрояснёнными. Новыерезультаты исследований в этой области, представленные в настоящейработе, снимают ряд важных дискуссионных вопросов и способствуютисчерпывающему пониманию многогранного явления электронной зарядкидиэлектрических мишеней.Цели и задачи исследования- физическое обоснование методов спектроскопии вторичных иотражённых электронов в СЭМ на основе анализа и уточнения выраженийдля параметров эмиссионных характеристик электронов и выводе новойполуэмпирической формулы для электронных энергетических спектров.3- усовершенствование методов измерений толщин ультратонкихлокальных плёнок с помощью дифференциальных и интегральныхкоэффициентов отражения электронов.- разработка нового конструктивного решения для повышенияэффективности детектирования отражённых электронов.- обоснование новой физико-технической модели трёхмернойреконструкции микротопологии поверхности образцов по данным сигналовэнергетически отфильтрованных вторичных и отражённых электронов.- анализ механизмов и кинетики зарядки диэлектрических мишенейпучками электронов средних энергий, устранение противоречий впредыдущих известных моделях.- изучение закономерностей электронной зарядки диэлектриков после ихпредварительного ионного и электронного облучения с различными дозами.Научная новизна результатов1.

На основе анализа и необходимой модификации выражений дляпараметра затухания электронов в твёрдом теле и наиболее вероятнойглубиныотраженияобратнорассеяныхэлектроновполученаполуэмпирическая формула для энергетических спектров, пригодная дляпрактических применений.2. Предложена и рассчитана новая конструктивная конфигурациякольцевого детектора отражённых электронов с переменными угламинаклона и ширинами составляющих колец, позволяющая в несколько разповысить эффективность детектора.3. Обоснованы и реализованы методы определения толщинультратонких локальных плёнок, нанесённых на массивные подложки, поизмерениям интегральных или дифференциальных коэффициентовотражения электронов.

Показаны преимущества метода, основанного назависимости относительной амплитуды энергетических спектров ОЭ оттолщины плёнки, по сравнению с традиционным методом, основанном назнании интегральных коэффициентов.4. Указаны возможности и перспективы нового подхода к проблеметрёхмерной реконструкции топологии поверхности микроструктур,основанного на детектировании энергетически отфильтрованных вторичныхили отражённых электронов.5. Предложено два новых метода определения потенциалов зарядкиповерхностидиэлектрическихмишенейнаосновесигналовкатодолюминесценции и средней энергии ОЭ.6. Теоретически и экспериментально изучен новый сценарий кинетикизарядки диэлектрических мишеней, впервые учитывающий эффектповышения эмиссии вторичных электронов за счёт термализованныхсвободных первичных электронов, ускоренных в поле дипольного слоязарядов облучаемой диэлектрической мишени.47.

Выявлена специфика в кинетике зарядки диэлектрических образцовAl2O3 (сапфир), Al2O3 (керамика) и монокристалла SiO2, подвергнутыхпредварительной ионной и электронной бомбардировке.Научная и практическая значимость работызаключается в том, что полученные модифицированные выражения дляряда параметров обратного рассеяния электронов позволили применятьсравнительно простые аналитические выражения для прикладныхисследований и экспресс-оценок энергетических спектров отражённыхэлектронов, толщин тонких плёночных покрытий, коэффициентов отраженияи средней энергии отражённых электронов.После полной реализации нового подхода по трёхмерной реконструкциитопологии поверхности микроструктур сканирующая электроннаямикроскопия получит новый количественный метод трёхмернойвизуализации микрорельефа, т.е.

практически новый режим работы СЭМ синтересными и важными информативными возможностями.Раскрытиеновыхнюансовпроцессаэлектроннойзарядкидиэлектрических мишеней позволяет предсказывать такие практическиважные характеристики, как критические потенциалы зарядки поверхности,пробойные напряжения, количество аккумулируемых зарядов, дозовыезависимости зарядки, что важно в космической технике, радиационночувствительной микроэлектронике, электронно- и ионнопучковыхтехнологиях.Основные положения, выносимые на защиту1. Получение полуэмпирических аналитических выражений для рядахарактеристических параметров отражённых электронов, а также ихэнергетических спектров2. Оптимизацияконфигурациикольцевыхполупроводниковыхдетекторов отражённых электронов в сканирующем электронноммикроскопе с целью повышения их эффективности3.

Усовершенствование методов измерения толщин ультратонкихлокальных плёночных покрытий по измерениям интегральных идифференциальных коэффициентов отражённых электронов4. Разработкановойметодикитрёхмернойреконструкциитопографического рельефа поверхности микроструктур на основерегистрации сигналов энергетически отфильтрованных вторичных иотражённых электронов5. Объяснение сценария зарядки диэлектрических мишеней приэлектронном облучении с учётом одновременного измерения всехкинетических характеристик: вторичной электронной эмиссии,поверхностного потенциала, аккумулируемого заряда6. Предложение и объяснение новой модели усиления эмиссиивторичных электронов в диэлектрических мишенях за счётпервичных термализованных свободных электронов (псевдо-Малтерэффекта)57.

Изучение влияния предварительного облучения диэлектрикаионными и электронными пучками на специфику кинетикиэлектронно-зондовой зарядкиДостоверность результатовобеспечивается их многократной проверкой с использованиемсовременной аппаратуры, а также согласием с широким спектром какэкспериментальных работ, так теоретических исследований из обширногосписка цитируемой литературы.Апробация работыОсновные научные результаты работы докладывались на российских имеждународных конференциях и симпозиумах, в том числе:18th International Microscopy Congress (IMC 2014), Prague, Чехия, 7-12сентября 2014XXV Российская конференция по электронной микроскопии., г.Черноголовка, 2014International conference «Micro- and Nanoelectronics - 2014» (ICMNE2014), Moscow-Zvenigirod, Russia, Россия, 2014XIX Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии ианалитическим методам исследования твердых тел (РЭМ - 2015) и 3-яШкола молодых ученых "Современные методы электронной и зондовоймикроскопии в исследованиях наноструктур и наноматериалов", г.Черноголовка Московской обл., Россия, 1-5 июня 2015XXVI Российская конференция по электронной микроскопии и врамках Конференции 4-я Школа молодых учёных «Современные методыэлектронной и зондовой микроскопии в исследованиях наноструктур инаноматериалов, г.

Москва, Зеленоград, Россия, 30 мая - 3 июня 2016The 16th European Microscopy Congress, Лион, Франция, 28 августа - 2сентября 2016International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2016", October 3 7 , 2016, Moscow-Zvenigorod, Russia, Москва- Звенигород, Россия, 3-7октября 2016По теме диссертации опубликовано 13 работ (5 статей изрекомендуемого перечня ВАК и 8 тезисов докладов на конференциях),список которых приведён в конце диссертации и автореферата.Личный вклад автораПриведённые в работе теоретические расчёты, а также результатыэкспериментальных исследований получены лично автором или при егонепосредственном определяющем участии.