Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию (1027508), страница 29
Текст из файла (страница 29)
3.1.Таблица 3.1Технические характеристики нанопозиционераДиапазон перемещения (Х)50 мкмДиапазон перемещения (Y)50 мкмДиапазон перемещения (Z)50 мкмРазрешение0,1 нмРезонансная частота (Х)2,5 кГц ± 20 %Резонансная частота (Y)1.5 кГц ± 20 %Резонансная частота (Z)1,0 кГц ± 20 %Скорость сканирования (полная амплитуда)до 400 ГцКоэффициент жесткости3,0 Н/мкмМаксимальная нагрузка (горизонтальная)0,5 кгМаксимальная нагрузка (вертикальная)0,2 кгВ российских стандартах по поверке и калибровке микроскопов, используемых в наноиндустрии [8 – 14], в качестве наименьшего дискретно140го элемента изображения информативного сигнала используется пиксел(пиксель).
Это обусловлено тем, что основным «кирпичиком», из которыхстроятся все компьютерные изображения, является элемент картинки илипиксел. Пиксел – это световое пятно на экране дисплея, которое можетпринимать различные оттенки. Любое изображение вне зависимости от егосложности – это всего лишь совокупность пикселов.В литературе и общении используются два произношения: пиксел(английское) и пиксель (французское).
Пиксель – это сокращение слов picture element («условная точка» или «элемент изображения»). Анализ, проведенный по источникам Интернета (Ю.А. Сманцер, http://www.kv.by/index.ru), свидетельствует о том, что написание и произношение «пиксел, пикселы» является более корректным, чем «пиксель, пиксели», несмотря на распространенность последнего варианта. Ю.А. Сманцер советует: «На вопрос, как произносить и писать термин “пиксел(ь)”, пусть каждый ответит сам, выбор за вами. Однако не забывайте о корректности,если она вам необходима. Термин все-таки англоязычный».Все пикселы одного изображения имеют одинаковый размер.
Изначально размер пиксела определен разрешением, с которым было сканировано или оцифровано изображение. Так, разрешение в 600 пикселов надюйм указывает, что размер каждого пиксела равен 1/600 дюйма. При более высоком входном разрешении генерируются пикселы меньшего размера, что, в свою очередь, обеспечивает большее количество информации ивероятных деталей на единицу времени измерения, а также большую плавность тоновых переходов. Изменив разрешение, можно изменить размерпиксела.
Понятие «размер пиксела» (и обратная ему величина – количествопикселов на дюйм) напрямую связано с разрешением матрицы монитора –чем выше ее разрешение, тем меньше расстояние между соседними пикселами и, тем самым, выше четкость изображения.При попытке напечатать ровно один пиксел, разные программы будут выдавать разные результаты. В среднем сторона (диаметр) одного напечатанного на бумаге пиксела равна 0,35 мм. Любой пиксел состоит изпяти элементов информации: положение по вертикали, положение по горизонтали, яркость красного, яркость синего и яркость зеленого цвета. Совместно эти элементы информации позволяют поместить точку правильного цвета в правильном месте на экране. Все пикселы, заполняющие экран,вместе образуют один видеокадр.
Параметр «пиксел» используется также141для оценки разрешающей способности монитора. Чем больше пикселовможет отображать ваш монитор – тем лучше.3.2. Измерение линейных размеров рельефных наноструктурРазвитие нанотехнологии неразрывно связано с измерением линейных размеров рельефных элементов на поверхности твердого тела. В настоящее время такие измерения выполняют на растровых электронныхмикроскопах (РЭМ).
В мировой практике применения РЭМ для этих целейнаметились два подхода: один из них связан с использованием низковольтных (менее 3 кВ), другой – высоковольтных (более 15 кВ) микроскопов.По методике [16, 20] задачусравнения процедуры измерений наразных типах РЭМ можно разбитьна три составляющие. Во-первых,необходимо правильно выбратьобъект измерения и исследовать егона обоих типах микроскопов.
Вовторых, надо иметь методы калибровки этих микроскопов (определения основных параметров, такихкак увеличение и диаметр зонда).В-третьих, необходимо иметь методы измерения линейных размеровна этих типах РЭМ, которые впринципе могут быть различными.Рис. 3.1. Форма сигнала (а), получаеВ качестве объекта измерениямого при сканировании на высоко- лучше всего подходит рельефнаявольтном РЭМ, выступа (б) с трапециеструктура тест-объекта МШП-2,0К,видным профилем и большими угламинаклона боковых стенок. Параметры который представляет собой наборсигнала и их связь с параметрами вы- рельефных шаговых структур, выполненных на поверхности кремнияступа показаны штриховыми линиямис помощью анизотропного травления. Аббревиатура МШПС-2,0К расшифровывается как мера ширины ипериода, специальная, номинальный размер 2,0 мм, кремниевая.
Мера име142ет трапециевидную форму профиля, а в качестве аттестуемых параметров– шаг и ширину линии элемента рельефа (выступа).Сканирование трапециевидных структур с большими углами наклонабоковых стенок на высоковольтных РЭМ, работающих в режиме регистрации вторичных медленных электронов, приводит к формированию сигнала, форму которого поясняет рис. 3.1. При условии(3.1)u >> d ,где d – эффективный диаметр электронного зонда РЭМ (сфокусированныйна поверхность объема диаметра электронного пучка).Связь параметров выступа и видеосигнала можно описать выражениями:b = mB;u = mU ;s L = mS L ;(3.2)s R = mS R .Здесь m – масштабный коэффициент изображения РЭМ, связанный сувеличением микроскопа М выражением m = 1 / M .Величина m была названа размером пиксела и это название утвердилось.Из рис.
3.1 следует, что нижние границы выступа соответствуютточкам 1 и 4 на сигнале, а верхние границы – точкам 2 и 3. При соблюдении условия (3.1) автоматически выполняются условия(3.3)b >> d ; s L , R >> d .Поэтому на видеосигналах положения точек 1 – 4 (см. рис.3.1, а)можно легко определить. Однако при малых размерах верхнего основаниявыступа условия (3.3) будут выполняться, а условие (3.1) – нет. В этомслучае положения точек 1 и 4 определить легко, а точек 2 и 3 – затруднительно.Современные новые растровые электронные микроскопы имеютдиаметры зондов 10 – 30 нм. Поэтому для таких РЭМ доступны для исследования только структуры с шириной верхнего основания u ≥ 30 нм . Именноэто и было отражено в стандарте [8], где в качестве нижней границы размеров верхних оснований выступов выбрано значение 30 нм.Однако есть и другой подход, состоящий в том, что параметры выступа связаны выражением b = u + sL + sR .
Поэтому, измерив величины b, s L иs R , можно найти размер верхнего основания выступаu = b − (s L + s R ) .(3.4)143Значения s L и s R можно определить после обработки сигнала, зарегистрированного на РЭМ при сканировании зондом одиночных левой иРис. 3.2. Изображения шаговой структуры тест-объекта МШПС-2,0К и видеопрофиля, полученных на РЭМправой ступенек рельефа, если удастся доказать, что проекции наклонныхстенок у одиночных ступенек и у выступов одинаковы.
Такие эксперименты были выполнены на низковольтном РЭМ, входящем в электроннооптическую метрологическую систему (Electron optical metrological system(EOMS), РТВ, Германия).Авторы [31] отмечают большую погрешность измерения размеровверхних оснований выступов по методу 2. Это связано с разностным мето144дом определения размера выступа (выражение (3.4)). В настоящее времяуменьшить погрешность не представляется возможным. Все упирается вэффективный диаметр зонда используемого РЭМ.
Для уменьшения погрешности измерений необходимо использовать метод 1 (выражение (3.2)),но это возможно только при выполнении условия (3.1), а для этого необходимы растровые электронные микроскопы с эффективными диаметрамизондов менее 2 нм, что в настоящее времянеосуществимо. Лучшие РЭМ имеют минимальный размер эффективного диаметразонда 10 нм. И это только для нового РЭМ.Эксплуатация в течение одного-двух летухудшает параметры растрового электронного микроскопа.Рис.
3.3. Видеосигналы изоТем не менее, конструкция тест-объекта бражений, полученных наизмерений позволяет не только легко нахо- растровых электронных микдить любой элемент любой шаговой структу- роскопах CamScan S-4 (сигнал 1) и S-6200H (сигнал 2)ры, но и выделять на выбранном рельефном при сканировании шага (дваэлементе один и тот же фрагмент, что дает выступа и канавка между нивозможность исключить ошибки, связанные с ми) измеряемого тест-объектанеодинаковостью разных элементов, обу- МШПС-2,0Ксловленные технологией изготовления самого объекта.Рис. 3.4.
Схема шаговой структуры (а) и сигналов, получаемых при ее сканированиис большим наклоном боковых стенок в высоко- (б) и низковольтном (в) РЭМ, и определения их параметровНа рис. 3.2 приведены изображения шаговых структур тест-объектаМШПС-2,0К и видеопрофиля на фоне меры. На рисунке четко видно: темные линии – это впадины, более светлые – выступы, а совсем светлые –боковые плоскости меры.145На рис. 3.3 показаны сигналы, полученные на высоковольтном (кривая 1) и низковольтном (кривая 2) микроскопах.Схемы шаговой структуры, имеющей трапециевидный профиль элементов, и сигналов высоко- и низковольтного РЭМ, с помощью которыхописываются параметры их реальных сигналов, а также определение параметров структуры и сигналов представлены на рис.
3.4, из которого следует, что форма сигналов обоих микроскопов (см. рис. 3.3) хорошо совпадаетс формой модельных сигналов (см. рис. 3.4, б и в) для этих микроскопов.Выбор в качестве объекта измерений шаговой структуры позволяетсущественно упростить калибровку обоих типов РЭМ. Измерение увеличения М микроскопа осуществляется в этом случае при помощи аттестованного значения шага структуры t и определенного на изображении значения параметра Т, который характеризует шаг на изображении (сигнале):(3.5)M =T / t .Такая калибровка увеличения легко осуществляется как на низковольтных, так и на высоковольтных РЭМ. Однако в настоящее время в связи с использованием цифровых изображений параметр увеличения теряетсвой физический смысл.
Поэтому в качестве параметра РЭМ, характеризующего увеличение, используют размер пиксела(3.6)m =1 / M = t / T .Диаметр d электронного зонда РЭМ можно определить из выражения(3.7)d = mD = Dt / T .Калибровку РЭМ можно осуществить и с использованием проекциибоковой наклонной стенки выступов и канавок шаговой структурыМШПС-2,0К:(3.8)m = s / S;(3.9)d = Ds / S .Такая калибровка в ряде случаев даже более выгодна, чем при помощи выражений (3.5) и (3.7), так как в силу особенностей технологии изготовления тест-объекта МШПС-2,0К проекция боковой наклонной стенкиимеет меньший разброс значений по всему тест-объекту, чем шаг.Отметим, что методы калибровки обоих типов РЭМ одинаковы. Этообусловлено выбором в качестве тест-объекта, с помощью которого осуществляется калибровка микроскопов, шаговых структур МШПС-2,0К.Методы измерения линейных размеров рельефных элементов полностью определяются физическими механизмами формирования изображе146ний в РЭМ и режимом сбора вторичных электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
