Нанометрология (1027621), страница 38
Текст из файла (страница 38)
рис. 3.12).Именно такие трехмерные меры малой длины, или эталоны сравнения, − материальные носители размера, позволяющие осуществлять комплексную калибровку и контроль основных параметров растровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов. Меры позволяют по одному ее изображению в растровом электронном микроскопе (даже по одному сигналу), что очень важно для контроля технологических процессов,195выполнить калибровку микроскопа (определить увеличение микроскопа,линейность его шкал и диаметр электронного зонда).Кроме того, при необходимости подтверждения правильности измерений можно контролировать параметры растрового электронного микроскопа непосредственно в процессе проведения измерений размеров исследуемого объекта, что является дополнительной гарантией высокого качества измерений.
Мера позволяет легко автоматизировать линейные измерения и создавать на основе растровых электронных микроскопов автоматизированные измерительные комплексы. В НИЦПВ создан автоматизированный комплекс для линейных измерений в области размеров от 10 нм до100 мкм на основе растрового электронного микроскопа JSM-6460LV.Аналогичным образом по заданным параметрам меры проводятсякалибровка и контроль таких характеристик атомно-силовых микроскопов,как цена деления и линейность шкал по всем трем координатам, ортогональность систем сканирования, радиус острия зонда (кантилевера), настройка параметров и выход микроскопа в рабочий режим.Системы калибровки и аттестации атомно-силовых микроскопов успешно внедряются на предприятиях, специализирующихся на созданииоборудования для нанотехнологии.
Развитие нанотехнологий ужесточаеттребования к измерительным системам, погрешности измерений которыхдолжны быть сравнимы с межатомными расстояниями. Все это требуетсерьезного отношения к вопросу обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне.Растровый электронный и сканирующий зондовый микроскопытолько тогда смогут считаться средствами измерений, когда их параметрыбудут соответствующим образом аттестовываться, калиброваться и контролироваться, причем последнее непосредственно в процессе измерений.Трехмерные меры или эталоны сравнения – материальные носители размера − своеобразный мост между объектом измерений и эталоном метра, являются идеальным средством для осуществления таких операций.Для обеспечения нормативной базы поверки и калибровки специалистами указанных выше научно-исследовательских институтов разработаныряд российских стандартов [8 – 14].Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) обеспечивает точноеопределение расстояний и размеров нанообъектов с нанометровой разрешающей способностью 0,01 нм.
Пьезосканеры нуждаются в периодической калибровке с использованием эталонных решеток.196Необходимо отметить несколько факторов, изменяющих параметрыкалибровки (изменение температуры приводит к так называемым температурным дрейфам и изменениям межатомных расстояний; длина зонда может влиять на линейность шкалы и т.д.). Следовательно, калибровка пьезосканера (пьезопозиционера) должна производиться до и после измеренийна неизвестном образце.
Параметры калибровки могут быть различнымидля разных шкал (например, нано- или микрометровая шкала).На разрешение СЗМ-изображения может сильно влиять и форма острия наконечникам СЗМ, характеризуемая радиусом кривизны (коэффициентом формы). Он может быть оценен с помощью калиброванных образцов или коэффициента кремниевых калиброванных решеток. Эти решеткиимеют вид шахматной доски с квадратной формы столбиками с острымисрезанными краями. Радиус кривизны края должен быть менее 5 нм, чтопозволяет определять коэффициент формы с высокой точностью. Крометого, уже существуют калиброванные стандартные образцы для аттестацииаппаратуры с разрешением 0,1 нм.Однако в процессе измерений конфигурация наконечника может измениться за счет «прилипания» к нему атомов, молекул и небольших кластеров.
В результате может измениться разрешающая способность аппаратуры при формировании изображений. Поэтому опытные операторы повторяют формирование изображений с различными наконечниками и используют различные измеряемые параметры, меняя направление сканирования, параметры цепи обратной связи, количество точек и линий.Поскольку ниже будут использованы некоторые специальные термины, уточним их:• медленные вторичные электроны (МВЭ) - это группа вторичных электронов, возникающая в результате взаимодействия электронногозонда с исследуемым объектом, энергия которых не превышает 50 эВ(≈8·10-18 Дж);• эффективный диаметр электронного зонда - это значение величины, характеризующей поперечный размер электронного зонда, экспериментально определяемое путем обработки кривой видеосигнала в режимерегистрации медленных вторичных электронов (МВЭ) в рамках выбранноймодели взаимодействия зонда с веществом;• масштабный коэффициент видеоизображения РЭМ (масштабный коэффициент) – отношение значения длины исследуемого элемента рельефа на объекте измерений к числу пикселей этого элемента на197видеоизображения.
Масштабный коэффициент определяют для каждогоРЭМ;• изображение на экране монитора (видеоизображение) − изображение на экране монитора в виде матрицы из n строк по m пикселей вкаждой, яркость которых прямо пропорциональна значению сигнала соответствующей точки матрицы. Яркость пиксела определяется силой света,излучаемой в направлении глаза наблюдателя.4.2. Рельефные меры для нанометрового диапазона4.2.1. Классификация тест-объектовВ пп. 3.2 и 3.3 (гл. 3) приведены результаты теоретических исследований геометрии и точности тест-объектов, используемых для поверки икалибровки электронных сканирующих зондовых микроскопов. Такиетест-объекты разрабатываются в различных странах и возникает проблемавыбора их для метрологических операций. С этой целью в работе [33] приведена классификация существующих тест-объектов. Данное исследованиеполезно и при проектировании новых объектов подобного назначения.В основу классификации положен профиль рельефа элементов тестобъекта, и наиболее известные из них приведены в табл.
4.1.Таблица 4.1Наиболее распространенные тест-объекты для калибровки РЭМТест-объект(страна)HJ-1000(Япония)SRM-2090(США)ПрофильрельефаПрямоугольныйТрапециясмалыми углами наклонаBCR-97A/G-7То же(Германия)РПСПрямоуголь(Россия)ныйМШПС-2,0К Трапецияс(Россия)большимиугламинаклонаМетодаттестацииАттестуемыйпараметрПериодНоминальныйразмер, нм240УвеличениеИнтерференцияШаг200УвеличениеТо жеТо же400УвеличениеЭллипсометрияИнтерференцияШириналинииШаг.Шириналинии.Высотарельефа90 – 500Увеличение.Диаметр зондаУвеличение.Диаметр зонда.ЛинейностьшкалДифракция19820005 – 1500100 – 1500КалибровкаРЭМС учетом особенностей взаимодействия электронного зонда с рельефной поверхностью все структуры тест-объектов можно разделить начетыре основных типа соответственно по рельефу профиля:• прямоугольные;• трапециевидные с малыми углами наклона боковых стенок;• трапециевидные с большими углами наклона боковых стенок;• трапециевидные с отрицательными углами наклона боковых стенок.Структуры с отрицательными углами наклона боковых стеноквстречаются довольно часто, но в настоящее время отсутствуют методыкалибровки РЭМ с помощью таких структур, поэтому здесь они не рассматриваются.У структуры с прямоугольным профилем рельефа поверхностиугол ϕ наклона боковых стенок относительно нормали к поверхности образца (рис.
4.2) удовлетворяет условиюϕ < ϕ d / 2.(4.1)Неравенство (4.1) поясняется рис. 4.2, на котором сходящийся электронный зонд облучает поверхностьструктуры (канавки). При этом электроны можно разделить на две составляющие – электроны, входящие вправую и левую части зонда.На рис.4.2, а ось зонда прохоа)б)дит рядом со стенкой канавки, но вне Рис. 4.2. Схема облучения сходящимканавки. Электроны правой части ся пучком электронов структуры сзонда облучают левую боковую стен- прямоугольным профилем: ось зондарядом со стенкой вне (а) и внутри (б)ку канавки, двигаясь из вакуума вканавкитвердое тело, а электроны левой части вообще не попадают на эту стенку. На рис.4.2, б ось зонда проходит рядом с левой стенкой, но внутри канавки.
При этом электроны левой частизонда пересекают левую стенку канавки и движутся из твердого тела в вакуум, а электроны правой части вообще не попадают на эту стенку.Существует механизм вторичной электронной эмиссии, названныйэффектом «стряхивания», который обладает асимметрией: при движениипервичных электронов из вакуума в твердое тело происходит эмиссияэлектронов из поверхностных состояний, а при движении первичных элек199тронов из твердого тела в вакуум она отсутствует. Поэтому в сигнал в области, соответствующей левой боковой стенке канавки, правая и левая части электронного зонда вносят разный вклад. Аналогичная ситуация наблюдается и у правой стенки канавки (с учетом изменения частей зонда слевой на правую и наоборот).
Согласно данным [33] вклад в сигнал эффекта «стряхивания» достигает (для кремния) примерно 50% для горизонтальной поверхности и 100% − для вертикальной. Это приводит к тому, чтомаксимумы сигнала, отвечающие прохождению зонда около стенок канавок, оказываются очень узкими, так как их ширина соответствует толькополовине диаметра зонда.Прямоугольные структуры удовлетворяют неравенству (4.1).
Поэтому, учитывая значение угла сходимости-расходимости современных зондов РЭМ, прямоугольными считают структуры с углами наклона боковыхстенок ϕ < 0.04o , а трапециевидными – с углами ϕ > 0,04o .Таким образом, для РЭМ практически все структуры, полученные спомощью микро- и нанотехнологий и используемые в промышленности,являются трапециевидными. Прямоугольные структуры создают по специальным технологиям и применяют только в качестве тест-объектов.В настоящее время существует два вида прямоугольных структур.
Вструктурах одного вида (HJ-1000) прямоугольный рельеф получают потехнологии анизотропного травления монокремния (см. табл. 4.1). Аттестация периода осуществляется с помощью дифракции лазерного излучения. Эти структуры используют для калибровки увеличения РЭМ.Другой вид (см. табл. 4.1) – рельефные прямоугольные структуры(РПС), представляющие собой щелевидные канавки в кремнии с прямоугольным профилем и известным с высокой точностью расстоянием междупротивоположными стенками.Таблица 4.2Ширина щелевидных канавок n-РПС и p -РПСШирина, нмn-РПСp -РПС92,8 ± 0,498,9 ± 0,4128,5 ± 0,3150,7 ± 0,3344,4 ± 0,8369,7 ± 0,8486,2 ± 0,8434,7 ± 0,8В России были изготовлены два вида РПС на основе кремния n- и pтипов проводимости (n-РПС и p-РПС соответственно) с разной шириной200канавок (табл.
4.2). Рельефные прямоугольные структуры, объединенныепо четыре структуры разной ширины в один тест-объект, применяют длякалибровки увеличения РЭМ и измерения диаметра его электронного зонда.Структура с трапециевидным профилем и малыми углами наклона боковых стенок удовлетворяет условиямϕ > ϕ d / 2;(4.2)ϕ = arctg (s / h) < arctg (d / h) .(4.3)На рис. 4.3 показана ситуация, аналогичная приведенной на рис. 4.2,но в случае выполнения неравенств (4.2) и (4.3). При этом электроны правой и левой частей зонда пересекают поверхность левой боковой стенкиканавки из вакуума в твердое тело. Поэтому вклады эффекта «стряхивания» в сигнал от правой и левой частей зонда будут одинаковыми. Этоприводит к тому, что максимумы сигналов, соответствующие прохождению зонда около стенок канавок, оказываются широкими, так как их ширина определяется шириной проекции боковой стенки и диаметром зонда.Рис.
4.3. Схема облучения сходящимся пучком электронов структуры с трапециевидным профилем ималыми углами наклона боковыхстенок: ось зонда со стенкой вне (а)и внутри (б) канавкиРис. 4.4. Схемы облучения пучком электронов структуры с трапециевиднымпрофилем и малыми (а) и большими (б)углами наклона боковых стенокНеравенство (4.2) ограничивает углы наклона боковых стенок структур снизу, а (4.3) – сверху. Более удобно (4.3) представить в видеs = h ctg ϕ < d ,которое указывает, что при его выполнении диаметр зонда столь велик(или проекция боковой наклонной стенки структуры столь мала, но приэтом не выполняется условие (4.1)), что зонд засвечивает сразу всю стенку(рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
