Диссертация (1105295), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Из снимковвидно, что при повышении энергии облучающих электронов Е0 приводящей52к увеличению глубины выхода ОЭ, подповерхностная структура лучше визуализируется при больших Е0 при суммировании сигналов с первого (внутреннего) кольца. И наоборот, поверхностная геометрия более четко обозначается при детектировании ОЭ внешним кольцом при вычитании сигналов сего полуколец.Интересно сравнить снимки на рис. 2.10 с аналогичными изображениями того же структурного образца, приведенными ранее в работе [109], гдеиспользовался тороидальный электронный спектрометр – микротомограф.Разделение изображений послойной структуры в последнем варианте происходит более эффективно, но экспериментально для «квазитомографических»исследований более доступен описываемый здесь метод одновременного сочетания вариаций энергии Е0 и угла детектирования θ.
Рис. 2.11 также демонстрирует эффективность разделения контрастов структуры по топографии(рельеф поверхности) и состава структуры «по глубине» при вычитании исуммировании сигналов с полуколец детектора в зависимости от энергииэлектронов Е0 и углов детектирования θ. При вариации Е0 лучше различаются отдельные слои структуры, а при детектировании разностного сигнала спериферийных полуколец отчетливо проявляется поверхностная топографическая картина образца.Дальнейшее улучшение томографических снимков в плане более резкой сепарации контраста от отдельных глубинных слоев трехмерной структуры можно добиться при компьютерной обработке послойных изображений[101, 102, 110]. Математически операция реконструкции таких изображенийсводится к следующему.
Пусть, например, при трех выбранных энергиях Е0регистрируются три массива изображения трехмерной структуры, причемкаждая энергия подбирается таким образом, чтобы наиболее вероятная глубина выхода ОЭ была близка к глубине раздела каждого слоя образца. Далеевыбирается кольцо детектирования, расположенное таким образом, чтобырегистрировать только электроны, вышедшие под наиболее вероятным угломвыхода θ, а тем самым с наиболее вероятной глубины t.Сигналы с детекторных колец S(x, y, t, Е0, θ) связаны с истинными изображениями трех отдельных слоев, описываемых через распределенияJ1(x,y,t1, Е01,θ1), J2(x,y,t2, Е02,θ2), J1(x,y,t3, Е03,θ3), следующей системой уравнений:S1= k1J1+ k2J2+ k3J3; S2= k4J1+k5J2+k6J3; S3 = k7J1+ k8J2+ k9J3 ,53(2.25)где параметры ki обозначают константы, отражающие весовой фоновыйвклад от близлежащих слоев в изображение искомого слоя структуры.
В рамках данной модели необходимо решить обратную задачу в определении характеристик Ji из уравнений (2.25). Такая реконструкция может быть предметом будущей работы.Рис. 2.10 Изображения многослойной микроструктуры Al-Au-Si, снятые при условиях: а), б) – суммарный сигнал с двух полуколец детектора при θ = 26°-33°, E0 = 5 и10 кэВ соответственно; в, г – разностный сигнал с двух полуколец детектора при θ = 50°63°, E0 = 10 и 15 кэВ соответственно.54Рис.
2.11 Изображения сложного композиционного образца, представляющего собой подложку из элементов Si, Cu, Pb, покрытую полоской Al-плёнки (нижняя часть изображения) и Au-плёнкой (верхняя часть изображения), полученные при E0 = 10 кэВ (а, б)и 25 кэВ (в, г), θ = 50°-63° и суммировании (а, в), и вычитании (б, г) сигналов с двух полуколец детектора.§ 2.3 Определение толщин плёночных покрытий по интегральному сигналуотражённых электроновС развитием нанотехнологий в настоящее время возникает проблемаадекватной трехмерной метрологии сэндвич-структур, особенно по глубине.Существующие методы определения толщин пленок не универсальны иимеют существенные ограничения. Так, оптические интерференционные иэллипсометрические методы требуют оптической прозрачности пленок, чтоне всегда достижимо. К тому же они, как и рентгенодифракционные методы,не обладают высоким латеральным разрешением, что существенно ограничивает область их применимости в современных нанотехнологиях.
Поэтомубольшее распространение получил метод, основанный на измерениях коэффициента отражения η от слоистых структур [111, 112]. Он базируется насравнении коэффициентов ОЭ от исследуемых и тестовых структур, получаемых в экспериментах. Но проблемой является набор тестовых калибровочных образцов, которых требуется большое многообразие (с вариациямитолщин пленок и их состава).
Указанные недостатки устраняются в предла55гаемом ниже методе определения толщин нанопокрытий с субмикроннымразрешением по все трем координатам.Здесь предлагается экспресс-метод определения толщин пленок в любом коммерческом СЭМ при наличии стандартного полупроводникового детектора ОЭ. Суть его в следующем. При облучении слоистой микроструктуры сфокусированным электронным пучком с энергией Е0 и током зонда I0 детектируемый сигнал будет зависеть как от эффективного коэффициента ηэффОЭ, так и от аппаратной функции отклика применяемого детектора F. Используя формулу 2.21 можно оценить толщину плёночного покрытия.
Оттолщины плёнки в выражении для сигнала с полупроводникового детекторазависят только коэффициент отражения электронов ηsf системы «пленка наподложке», определяемый формулами 1.38 и 2.7, и средняя энергия ОЭ отсистемы «пленка-подложка». E sf можно определить по соотношению [113]:E sf E fo E so E fo EfE fot E fo E so E fo 1 BRf1/ n,(2.26)где B=Rf/xd (см. (2.18)), t - толщина пленки; E fo и Eso соответственносредние энергии ОЭ от материалов массивных элементов пленки и подложкивыраженные соотношением (2.15), Rf - глубина пробега первичных электронов в массивной мишени с атомным номером материала пленки (определяется по соотношению (2.2)), xd – глубина полной диффузии. Решив нелинейноеуравнение, можно получить толщину плёнки t по измеренному сигналу с полупроводникового детектора IS при известных параметрах Ω, hэфф, h0.
В наших контрольных экспериментах h0=20нм, hэфф= h0/cos 450 =1.414 h0 , I0 =1нА, E0=15 кэВ, Ω=0.0476 ср. Тестовым, откалиброванным на атомно-силовоммикроскопе образцом являлась пластинка кремния, на которую последовательно термическим напылением наносились полоски (шириной 10 мкм) иззолота толщиной t = 5.7; 10.7; 17.6; 23; 27.8 нм. Эксперименты проводилисьна СЭМ JSM-35CF(JEOL) и LEO 1455(Zeiss), снабженными стандартнымиполупроводниковым детекторами ОЭ.
Профилограмма сигнала Isf в ОЭ поперек этой полосковой структуры приведена на рис. 2.12а. На рис. 2.12б представлены экспериментальные и расчетные зависимости Isf =f(t) для указанного образца, а также для структуры, состоящей из массивной Cu – подложки снапыленными пленками из Al толщиной 200, 400, 600 и 800 нм соответственно. Как и следовало ожидать, в первом случае (Zf > Zs) Isf растет с увеличением толщины пленки Au, во втором случае (Zf < Zs) Isf уменьшается с ростом толщины пленки Al. Расхождение между расчетными и эксперименталь56ными результатами не превышает 5÷10%, что характеризует достаточнобольшую точность определения локальных толщин пленок.
По абсолютнойвеличине ошибка измерений толщин тонких пленок составляет доли нм, адля толстых – единицы нм.Рис. 2.12 а – профилограмма суммарного с детектора от тестовой структуры, состоящей из Si-подложки с полосками Au толщиной t, E0 = 15 кэВ; б - зависимости сигналаот толщины t Al-плёнки на Cu-подложке (1) и Au-плёнки на Si-подложке.§ 2.4 Определение толщин ультратонких поверхностных плёнок по энергетическим спектрам ОЭВ настоящее время в связи с бурным развитием нанотехнологий фабрикуется всё большее количество разнообразных трёхмерных структур микро- и наноэлектроники, имеющих многослойное тонкоплёночное строение сразмерами составляющих фрагментов в единицы и десятки нанометров как влатеральном, так и в глубинном измерении. Соответственно возникает проблема адекватной неразрушающей диагностики таких трёхмерных сандвичструктур, их метрологии по всем трём координатам.
Если для метрологического обеспечения линейных латеральных размеров уже разработан аппаратнанометрологии, то проблема измерения «глубинных» размеров нанообъектов, т. е. количественное неразрушающее зондирование трёхмерных наноструктур по глубине, находится на стадии поиска оптимального решения.Существующие, наиболее распространенные оптические методы измерений толщин тонкоплёночных покрытий (эллипсометрические, интерференционные) не обладают необходимым для наноструктур латеральным разрешением и требуют оптической прозрачности плёнок, что существенно ограничивает область их применимости.
Рентгеновский дифракционный методопределения толщин плёнок, как и метод, основанный на Резерфордовском57обратном рассеянии ионов, также не обладают достаточным латеральнымразрешением. При этом метод Резерфордовского обратного рассеяния чувствителен только в определении толщин плёнок из более тяжёлых элементов,чем элементов подложки. Наиболее приемлемым способом для указаннойцели является сканирующий зондовый профилометр [73], но он требует наличия ступеньки на границе плёнка-подложка.СЭМ есть практически в любой современной лаборатории, поэтому неутихает интерес к методам, основанным на работе с этим прибором. Большоераспространение получил способ измерения толщин свободных плёнок иплёнок на подложках, основанный на зависимости коэффициента отраженияη от толщины плёнки и энергии облучающих электронов (см. предыдущийпараграф).
В спектроскопии практикуется измерение толщин плёночных покрытий по амплитуде энергетических спектров ОЭ [114], по положению точек перегиба и экстремумов спектров плёночных образцов по сравнению смассивными [115], по значению средней энергии [116], по величине так называемых характеристических потерь энергии ∆Ec [117], по площадям подупругими пиками [118] и элементарным фиттингом расчётных спектров теоретическими зависимостями [51].Существующие электронно-зондовые методы имеют свои достоинстваи недостатки. Цель данной работы – выявить наиболее удобные методы определения толщин плёночных покрытий и определить границы их применимости.2.4.1 Экспериментальные результатыНа рис. 2.13 схематически представлены две условные структуры, которые демонстрируют уникальность предлагаемого метода.
Если фрагментнаноструктуры, состоящей из материала с атомным номером Z2 и толщиной dскрыт под плоской поверхностью в материале с атомным номером Z1 на глубине t или прямо под поверхностью, то в случае нанометровых латеральныхразмеров x и нанометровых же размеров t и d, только СЭМ с его нанометровым электронным зондом способен визуализировать указанную структуру(рис. 2.13а), находящуюся на массивной (толстой) подложке.Определение величины заглубления t наноструктуры и есть цель настоящей работы. В настоящее время такое измерение доступно только методом поперечного среза структуры (например, ионным скальпелем) и последующим его наблюдением со стороны среза в современном высокоразрешающем СЭМ. Но указанный метод является разрушающим, что во многихслучаях недопустимо или нежелательно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
