Диссертация (1105295), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

На самом деле,ОЭ выходят с меньшей глубины, равной глубине максимальных потерь энергии xE [89] или ещё точнее, наивероятнейшей глубине отражения xη (см. формулу (2.6)).Рис. 2.6 а) – условная схема кольцевого детектора стандартной конфигурации (левая от оси симметрии часть чертежа) и предлагаемой конструкции (правая от оси чертежа): OL – объективная линза СЭМ; H – расстояние от образца до плоскости детектора; d3,θ3 – ширина и угол выхода электронов для третьего кольца; б) – представление областивзаимодействия первичного пучка электронов I0 с образцом и потока отражённых электронов IОЭ с кремниевым p-n-детектором.Отражённые в обратном направлении под углами выхода θ электронымогут достичь поверхности только с определённой глубины t: чем большеглубина обратного рассеяния t, тем меньше угол выхода θ, и тем больше длина обратного пути S = t/cosθ.

Для наклонных участков поверхности объектаобратный путь ОЭ сокращается: S = t*cos(90°-γ)/sin(90°-γ-θ). Отражённый отобразца поток электронов со средней энергией , определяемой зависимостью (2.15), падает на поверхность детектора под углами α проникая в Siкристалл на расстояние x0( ).Все полупроводниковые детекторы имеют “мёртвую” зону толщинойh0 на лицевой стороне, где не происходит разделения электронно-дырочныхпар.

Этот слой уменьшает эффективность детекторов [15, 97-100], что обусловлено рядом причин. Во-первых, из полезного потока ОЭ отсекается доля,отражаемая самим полупроводниковым детектором (  Si E Si ), и этот вклад зависит угла падения α = θ. Во-вторых, часть потока поглощается в мёртвомслое, причём эта часть тем больше, чем толще слой h0 и чем под большим уг46лом α падает поток ОЭ, т. к. в этом случае увеличивается “эффективная”толщина hэфф=h0/cosα (рис. 2.6б).Учитывая указанные потери в полупроводниковом детекторе, в [15, с.179] была предложена следующая формула для полезного сигнала Is:I s  I 0 ( )(1  SiESi E  Eth)()CEiE.(2.19)Здесь I0 ─ ток электронного зонда СЭМ; η(θ) ─ коэффициент отражения электронов от образца; Ω ─ телесный угол сбора ОЭ, вырезаемый плоскостями колец; θ ─ угол вылета электронов из образца; ηSi ─ коэффициентотражения электронов от кремниевого детектора при средней энергии попадающих на него от образца электронов ;─ средняя энергия отраженныхот детектора электронов; Ei =3.65 эВ─ энергия рождения электроннодырочных пар в кремниевом кристалле; Eth ─ пороговая энергия отсечки(пропадание полезного сигнала) при регистрации низкоэнергетических ОЭ вмертвом слое h0 детектора; C – поправочный коэффициент эффективностидетектора (C ≤ 1).Формула (2.19) нуждается в коррекции: нужно учитывать то, что на детектор попадает не монокинетический пучок ОЭ от образца-мишени, а пучоксо сложным спектром.

Это значительно трансформирует функцию откликадетектора [100]. Также для кольцевой конфигурации детектора существенные изменения в значения полезного сигнала Is вносят как размеры, так и положения колец.При расчете сигнала Is необходимо дополнительно принимать во внимание зависимости ηSi и E Si от угла α падения отраженных электронов на детектор. Энергетические спектры ОЭ зависят как от энергии первичных электронов Е0, так и от углов детектирования θ и углов падения α на мишень илина детектор. Несомненно, это сказывается на величине сигнала с детектора,регистрирующего значения средней энергии ОЭ, равной первому моменту ихэнергетического распределения.Прошедшие через мертвый слой t ОЭ теряют в нем некоторое числоэлектронов (помимо отражения) и долю энергии E за счет поглощения.

В результате указанных потерь после прохождения ОЭ слоя t полезный сигналуменьшается от потерь тока ОЭ на величину exp[ ASi t эфф R Si  p ] и потерь энергии на величину exp[ tэфф R Si  ] , где средняя глубина пробега ОЭ в Si – детекторе равна RSi [нм] = 26.35(E-Eth)1.67 [кэВ], согласно работе [89].47Пороговая энергия Eth отсечки ОЭ в мертвом слое рассчитывается изравенства (при tэфф  RSi ( Eth ) ):tEth ( )   эфф26.350, 6t cos 026.350.6(2.20),Учитывая все вышесказанное, уточненное выражение (2.19) принимаетвид:  ASi t эфф  p t I 0 ( ) E ( ) E Si ( )   Eth     exp  эфф  ,Is exp  1   Si ( ) 1 EiE   E ( )    RSi   RSi (2.21)где эффективная толщина мертвого слоя Si детектора tэфф = t0/cosα.

Внаших расчетах и экспериментах использовался детектор с параметрами:t0=20нм, Eth(0) = 0.85 кэВ. В первом приближении η(θ) рассчитывается поформулам (1.2, 1.8),(в диапазоне углов 0°< θ <75°), ηSi(α) можно оценить по формуле (1.5), асогласно [90]:.По формуле   r r n dS , гдеr2(2.22)n – вектор нормали к поверхности де-тектора dS, можно получить точное выражение для телесных углов кольцевых детекторов. Учитывая, что r = Htgθ (см. рис.

2.6а), имеем для случаянормального к поверхности детектора падения потока ОЭ:H  0.5d sin   2  Htg  0.5d cos  2  H  0.5d sin  2H  0.5d sin  Htg  0.5d cos 0.52 H  0.5d sin  2 ,0.5(2.23)а для случая косого (наклонного) падения под углом α=θ:H2H2  222 .2 H  ( Htg  0.5d ) H  Htg  0.5d  (2.24)По формуле (2.21), с учётом всех приведённых выше формул, быларассчитана зависимость сигнала IS(θ) с кольцевого детектора от угла детектирования для случаев наклонного (α = θ) и нормального (α = 0) паденияэлектронов.

Расчёты были проведены для мишени из Cu (Z = 29, η0 = 0.32)48при энергии E0 = 10 кэВ и токе первичного пучка I0 = 2 нА. Ширина кольцаd = 2 мм, рабочий отрезок H = 10 мм.Согласно зависимости IS(θ) (рис. 2.7), по мере удаления от оси симметрии, т.е. с ростом θ, эффективность предлагаемых в настоящей работе кольцевых детекторов, наклонённых так, что α = 0 (рис. 2.6а справа от оси симметрии), по сравнению со стандартным решением [101, 102] (рис.

2.6а слеваот оси симметрии) существенно возрастает, например, в 4 раза при углеθ = 600 и в 8.5 раз при угле θ = 700.Вариацией ширины d колец детектора можно добиться, чтобы сигналыIs были постоянными с каждого кольца. Этот прием позволил бы получатьинформативный сигнал, отражающий только свойства образца, напримеррельеф поверхности или элементный состав. Из формулы (2.21) и условияIs = const можно получить зависимость d(θ). Так как в выражении для сигнала с детектора от ширины кольца зависит только телесный угол то, с учётомвыражений (2.23)-(2.24), можно получить для случая нормального паденияаналитическое выражение зависимости d(θ), а для случая косого паденияуравнение четвёртой степени относительно d при каждом фиксированном θ.Результат такого расчёта представлен на рис.

2.8.Рис. 2.7 Сигнал с кольцевого полупроводникового детектора в зависимости от углов выхода и падения ОЭ на детектор при облучении Cu-мишени электронами с энергиейE0 = 10 кэВ, I0 = 2 нА, H = 10 мм для случаев наклонного (α = θ) и нормального (α = 0) падения электронов при постоянной ширине колец d = 2 мм.49Рис.

2.8 Зависимость ширины кольцевого детектора от угла θ, рассчитанная для Cuмишени при E0 = 10 кэВ, I0 = 2 нА, H = 10 мм, IS = const = 14 нА для случаев наклонного(α = θ) и нормального (α = 0) падения электронов.Другой более наглядной формой представления вышеописанных зависимостей может послужить изображение трёхмерной поверхности IS(d,θ)(рис. 2.9). Линии уровня данной поверхности являются семейством кривыхd(θ) при различных фиксированных сигналах с детектора.Теоретически постоянства сигнала можно было бы добиться поднятиеми опусканием предметного столика СЭМ.

Но для работы во всём диапазонеуглов необходимо значительно варьировать рабочее расстояние, что потребует перманентной перефокусировки и затруднит получение изображений вСЭМ с приемлемым разрешением. Другим способом поддержания постоянного тока с детектора может быть варьирование тока первичного пучка в зависимости от угла детектирования.

Но этот приём также не оперативен и неочень удобен в экспериментах.В связи с этим оптимальной следует признать такую конфигурациюкольцевого детектора, которая отвечает следующим требованиям: во-первых,кольца в зависимости от своего положения необходимо наклонять так, чтобыих плоскости были перпендикулярны потоку падающих ОЭ; во-вторых, необходимо варьировать ширину колец в зависимости от их расстояния от оптической оси микроскопа, т.

е. от угла падения на них ОЭ.50Рис. 2.9 Зависимость сигнала IS от ширины колец d и угла детектирования θ.Эксперименты с дисковым детектором (диаметр d = 2 мм) в общих чертах подтвердили приведенные расчетные зависимости. Детектор-диск (установленный непосредственно под объективной линзой РЭМ) ориентировалипод разными углами к оптической оси. Если поддерживать постоянным токпервичного пучка I0 = const, то детектируемый сигнал ОРЭ зависит от угладетектирования и ориентации детектора.Для угла детектирования θ = 200 сигналы с детектора были равны: пригоризонтальном расположении детектора (когда плоскость детектора пер51пендикулярна оптической оси РЭМ) IS = 0.45 нА, а при ”косом” положениидиска-детектора, когда пучок ОРЭ падал перпендикулярно на поверхностьдетектора, ток IS = 0.48 нА.

Различие сигналов весьма незначительно.Однако, для угла детектирования θ = 450 при горизонтальном расположении диска IS = 0.42 нА, а при косом положении IS = 0.62 нА. Еще большеразличие при угле θ = 600: для горизонтального IS = 0.05 нА, а для косого IS =0.12 нА, т.е. более чем в два раза. Таким образом, эффективность наклонногорасположения детектора ОРЭ резко растет при углах детектирования более400. Для кольцевых детекторов этот эффект еще больше.2.2.3 К вопросу о разделении топографического от композиционногоконтрастовКольцевые полупроводниковые детекторы ОЭ в СЭМ имеют определенные преимущества перед круговыми секторными детекторами при получении раздельных изображений микроструктур по глубине и поверхностногорельефа. Возможность получения изображений заглубленных под поверхностью деталей структуры при вариации энергии первичных электронов Е0 была продемонстрирована во многих работах, например в [103-106].

Дополнительный учет углового распределения ОЭ несколько усиливает эффект разделения материального и топографического контраста [107, 108]. В настоящей работе оба эти принципа объединены при использовании кольцевых полупроводниковых детекторов, описанных в предыдущем разделе.Эксперименты проводились на СЭМ LEO 1455(Zeiss). Тестовый образец состоит из трех пленочных квадратов Au, нанесенных на Si подложку.Размер каждого квадрата 200х200 мкм2, толщины пленок Au равны 5, 10, 15нм соответственно. Центральная часть структуры покрыта слоем алюминиятолщиной 150 нм. Этот квадрат также имеет размеры 200х200 мкм2. Снимкиэтой структуры представлены на рис.

2.10. Они получены при энергиях электронного зонда 5, 10 и 15кэВ и двух детектирующих кольцах, разделенных надве симметричные половины. Ширина первого, ближнего к оси микроскопа,кольца d = 2 мм, раствор угла детектирования равен 260 ÷ 330, т.е. в этом случае детектируются ОЭ, вышедшие близко к нормали к образцу и соответственно из больших глубин. Второе (дальнее от оси симметрии) кольцо имеетширину d = 4мм и охватывает телесный угол в пределах θ = 500 ÷ 630 . В этомслучае детектируются ОЭ из малых глубин и контраст отвечает преимущественно геометрическому рельефу поверхности. Этот эффект значительно заметнее при операции вычитания сигналов с каждого полукольца.

Характеристики

Список файлов диссертации