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

Московский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваФизический факультетКафедра физической электроникиНа правах рукописиКупреенко Степан ЮрьевичЭлектронная спектроскопия материалов и микроструктур в сканирующемэлектронном микроскопе01.04.04 – физическая электроникаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:д. ф.-м. н., проф. Рау Э.И.Москва – 2017ОглавлениеВведение .......................................................................................................... 5Глава 1 Основные закономерности эмиссии обратнорассеянных ивторичных электронов (Обзор) ........................................................................

10§ 1.1 Угловые зависимости коэффициентов отражения и вторичнойэмиссии электронов для массивных мишеней ............................................... 101.1.1 Основные зависимости коэффициента отражения электронов......................................................................................................................... 101.1.2 Параметрические зависимости коэффициента вторичнойэмиссии электронов ...................................................................................... 15§ 1.2 Угловые зависимости энергетических спектров отражённых ивторичных электронов ......................................................................................

211.2.1 Угловые зависимости спектров отражённых электронов ....... 221.2.2 Угловые зависимости спектров вторичных электронов .......... 24§ 1.3 Зависимости коэффициента отражения для свободных плёнок иструктур типа “плёнка на подложке” .............................................................. 29§ 1.4 Анализ существующих методов восстановления профиляповерхности .......................................................................................................

31Глава 2 Некоторые прикладные вопросы спектроскопииотражённых и вторичных электронов от проводящих мишеней в СЭМ 35§ 2.1 Уточнение характеристических параметров отражённыхэлектронов для массивных и плёночных образцов ....................................... 352.1.1 Расчёт коэффициента отражения для плёночных структур .... 352.1.2 Эмпирическое выражение для энергетических спектровотражённых электронов................................................................................

382.1.3 Эмпирические выражения для наиболее вероятной и среднейэнергии отражённых электронов ................................................................. 41§ 2.2 Оптимизация кольцевых детекторов обратнорассеянныхэлектронов в СЭМ ............................................................................................. 442.2.1 Задача исследования .................................................................... 442.2.2 Расчёт оптимальных параметров кольцевых детекторов ........

452.2.3 К вопросу о разделении топографического откомпозиционного контрастов ...................................................................... 522§ 2.3 Определение толщин плёночных покрытий по интегральномусигналу отражённых электронов ..................................................................... 55§ 2.4 Определение толщин ультратонких поверхностных плёнок поэнергетическим спектрам ОЭ .......................................................................... 572.4.1 Экспериментальные результаты................................................. 582.4.2 Выбор метода определения толщин плёночных покрытий поэнергетическим спектрам отражённых электронов ..................................

66§ 2.5 Трёхмерная реконструкция профиля поверхности вотфильтрованных по энергии отражённых и вторичных электронах ......... 692.5.1 Предпосылки создания метода трёхмерной реконструкциирельефа поверхности в отфильтрованных по энергии вторичных иотражённых электронах ................................................................................ 692.5.2 Эксперимент ................................................................................. 71Глава 3 Электронная спектроскопия диэлектрических мишеней приэлектронном облучении ..................................................................................... 80§ 3.1 Критический анализ основных противоречий традиционныхмоделей зарядки диэлектрических мишеней.

Постановка задачи ............... 81§ 3.2 Методики экспериментов ................................................................ 843.2.1 Выбор методов определения поверхностных потенциаловдиэлектрических мишеней в СЭМ .............................................................. 843.2.2 Оценка зарядовых потенциалов по сигналамкатодолюминесценции и обратноотражённых электронов ...................... 93§ 3.3 Экспериментальные результаты и расчётные оценки ............... 1013.3.1 Экспериментальные характеристики зарядки различных типовдиэлектриков................................................................................................

1013.3.2 Расчёт электростатического потенциала в моделидвухслойного распределения заряда ......................................................... 104§ 3.4 Новый сценарий кинетики зарядки диэлектрических мишенейпри электронном облучении .......................................................................... 107§ 3.5 Особенности зарядки дилектрических мишеней, предварительнооблучённых ионами и электронами .............................................................. 1133.5.1 Постановка задачи, решаемые проблемы................................

1133.5.2 Образцы и методика экспериментов ........................................ 1163.5.3 Результаты измерений ............................................................... 11733.5.4 Обсуждение результатов исследований предварительнооблучённых мишеней ................................................................................. 122Основные результаты и выводы: .......................................................... 128Список публикаций по теме диссертации............................................ 129Список цитируемой литературы ........................................................... 1314ВведениеАктуальность темыРазвитие современной микро- и наноэлектроники невозможно без адекватного сопровождения новых контрольно-измерительных методов и аппаратуры для локальной диагностики микроструктур и исследования их электрофизических свойств.

Среди методов характеризации новых материалов иприборных устройств в области нанотехнологий уже многие годы приоритетную роль играет сканирующая электронная микроскопия. Но пока что невсе известные возможности стандартного сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с его остросфокусированным электронным зондом полностью удовлетворяли всё растущим запросам и потребностям исследователейв области микроэлектроники и других смежных микро- и нанотехнологиях.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 эти требования отсутствовали долгое время в СЭМ, где вакуум порядка 10-6 Торр, нонекоторые эксперименты могут обходиться без этих условий и в тоже времядавать новую богатую информацию о свойствах, структуре и физических явлениях в изучаемых микрообъектах.Осуществление электронной спектроскопии в СЭМ, проведённое в диссертационной работе, значительно расширяет возможности количественнойсканирующей электронной микроскопии и позволяет получать новую информацию при диагностике микро- и наноструктур.Дополнительные возможности электронная спектроскопия предоставляет также при изучении диэлектрических материалов в СЭМ.

При таких исследованиях возможны контролируемые эксперименты по изучению механизмов зарядки диэлектрических мишеней под воздействием электронногооблучения. Указанная проблема весьма актуальна во многих областях наукии техники: в радиационной физике, аналитических методах с помощью пучков заряженных частиц, в электронной литографии, в области обеспечениянадёжности космических аппаратов, в ядерных и плазменных устройствах.Многие нюансы электронно-зондовой зарядки диэлектрических мишеней оставались до настоящего времени непрояснёнными. Новые результаты исследований в этой области, представленные в настоящей работе, снимают ряд5важных дискуссионных вопросов и способствуют исчерпывающему пониманию многогранного явления электронной зарядки диэлектрических мишеней.Цели и задачи исследования- физическое обоснование методов спектроскопии вторичных и отражённых электронов в СЭМ на основе анализа и уточнения выражений дляпараметров эмиссионных характеристик электронов и выводе новой полуэмпирической формулы для электронных энергетических спектров.- усовершенствование методов измерений толщин ультратонких локальных плёнок с помощью дифференциальных и интегральных коэффициентовотражения электронов.- разработка нового конструктивного решения для повышения эффективности детектирования отражённых электронов.- обоснование новой физико-технической модели трёхмерной реконструкции микротопологии поверхности образцов по данным сигналов энергетически отфильтрованных вторичных и отражённых электронов.- анализ механизмов и кинетики зарядки диэлектрических мишеней пучками электронов средних энергий, устранение противоречий в предыдущихизвестных 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 вероятной глубины отражения обратнорассеяных электронов получена полуэмпирическаяформула для энергетических спектров, пригодная для практических применений.2.Предложена и рассчитана новая конструктивная конфигурациякольцевого детектора отражённых электронов с переменными углами наклона и ширинами составляющих колец, позволяющая в разы повысить эффективность детектора.3.Обоснованы и реализованы методы определения толщин ультратонких локальных плёнок, нанесённых на массивные подложки, по измерениям интегральных или дифференциальных коэффициентов отражения электронов.