ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 4, с. 124-134
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.385.833:548.316
МЕТОД И АППАРАТУРА ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОТОМОГРАФИИ В СКАНИРУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ
© 2010 г. А. В. Гостев*, С. А. Дицман*, Ф. А. Лукьянов, Н. А. Орликовский, Э. И. Рау*, Р. А. Сеннов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Россия, 119992, Москва, Воробьевы горы *Институт проблем технологии микроэлектроники РАН Россия, 142432, Черноголовка Московской обл., ул. Институтская, 6 E-mail: rau@phys.msu.ru Поступила в редакцию 29.10.2009 г.
Описан метод микротомографии слоистых микроструктур при детектировании обратнорассеянных электронов в растровом электронном микроскопе. Метод основан на формировании послойных изображений скрытых под поверхностью микроструктур с помощью отфильтрованных в узком энергетическом окне отраженных электронов. Для микротомографии и спектроскопии отраженных электронов применен усовершенствованный спектрометр дефлекторного типа с тороидальными электростатическими секторными электродами. Для повышения четкости и точности сепарации отдельных заглубленных гетерограниц осуществлен модуляционный принцип детектирования видеосигнала.
ВВЕДЕНИЕ
Послойный мониторинг отдельных структур заглубленных твердотельных микро- и нанообъ-ектов, выполненных, например, по многослойной пленочной технологии, становится все более актуальным в современной локальной неразру-шающей диагностике, основанной на высокоразрешающих электронно-зондовых методах. Одним из стандартных методов послойного мониторинга является режим отраженных электронов в растровом электронном микроскопе (р.э.м.). Вариацией ускоряющего напряжения р.э.м. достигается различная глубина зондирования объекта, т.е. различная глубина, откуда поступают регистрируемые наружной аппаратурой отраженные электроны [1, 2]. Однако такой стандартный прием детектирования обратнорассеянных электронов (о.р.э.) при различных энергиях первичных электронов в р.э.м. не позволяет достаточно четко селектировать на изображениях отдельные глубинные слои микроструктуры, так как преобладающий вклад здесь вносит интегральный по глубине зондирования и усредненный по энергиям и числу о.р.э. видеосигнал.
В работах [3—6] предложен способ получения более качественных изображений отдельных тонких слоев микроструктуры, заглубленных под поверхностью исследуемого объекта, с помощью полосового анализатора энергий о.р.э., специально адаптированного к р.э.м. Детальный анализ проведенных исследований показал, что для ви-
зуализации с максимальной четкостью и контрастом отдельных подповерхностных слоев и их ге-терограниц необходимо выполнить следующие условия:
1) подобрать энергию Е0 первичных электронов р.э.м. так, чтобы наиболее вероятная глубина отражения о.р.э. хцс была близка к глубине ? залегания искомой, скрытой под поверхностью гете-рограницы исследуемого слоя микроструктуры;
2) установить энергию настройки спектрометра равной наиболее вероятной энергии о.р.э., отразившихся от данного слоя на глубине
3) учесть телесный угол детектирования о.р.э. относительно их наиболее вероятного угла вылета из поверхности 90, определяемого энергией Е0 и массовой глубиной залегания слоя р?, где р — удельная плотность материала верхнего слоя мишени;
4) энергетическую фильтрацию о.р.э. желательно осуществлять в возможно более узком энергетическом окне ДЕ, равном разрешению спектрометра, чтобы не только улучшить разрешение по глубине сепарации слоев микроструктуры, но и одновременно соблюсти оптимальный компромисс для достижения приемлемого отношения сигнал/шум на детектируемом видеосигнале.
Указанные пути оптимизации изображений при проведении микротомографии в режиме отфильтрованных отраженных электронов в р.э.м.
были учтены при модернизации конструкции спектрометра и методов обработки видеосигналов, что и является содержанием настоящей работы.
УСТРОЙСТВО СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО ТОРОИДАЛЬНОГО СПЕКТРОМЕТРА И МОДУЛЯЦИОННЫЙ ПРИНЦИП
ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ВИДЕОСИГНАЛА
Микротомография в отраженных электронах в р.э.м. базируется на детектировании части о.р.э., имеющих заданный узкий интервал энергий, соответствующий глубине залегания тонкого слоя инородной структуры под поверхностью объекта, на котором они преимущественно рассеялись. Для детектирования электронов с энергией Е, выбранной так, чтобы она соответствовала глубине исследуемого слоя микроструктуры, применен оригинальный спектрометр с тороидальными электродами. Конструкция энергоанализатора была усовершенствована по сравнению с предшествующей моделью [3—5] с учетом результатов более точных расчетов электронно-оптических характеристик [7, 8].
Модернизированный спектрометр адаптирован к р.э.м. и удовлетворяет требованиям получения качественных послойных изображений:
1) примененный энергоанализатор дефлектор-ного типа требует меньших на порядок рабочих напряжений, чем анализатор с тормозящим потенциалом, и, главное, позволяет выделять необходимую полосу энергий электронов из суммарного спектра;
2) электронный зонд проходит по нормали к поверхности через пространство, свободное от электромагнитных полей, а о.р.э. собираются через кольцевую осесимметричную входную диафрагму, при этом угол детектирования 90 и связанный с ним телесный угол сбора отраженных электронов ^ удовлетворяют условию О.Е5 = ДЕ;
3) конструкция всего спектрометра аксиально-симметрична с допустимыми размерами по окружности и с возможно малыми габаритами по высоте; последнее диктуется необходимостью сохранения стандартного рабочего расстояния р.э.м., чтобы не ухудшать пространственного разрешения микроскопа;
4) детектор прошедших через анализатор электронов имеет высокую чувствительность и малую пороговую энергию, а также достаточное быстродействие.
Схема модифицированного тороидального электростатического секторного спектрометра представлена на рис. 1.
Электронный зонд 1 проходит через центральный заземленный цилиндр (диаметром 3 мм) корпуса энергоанализатора 3, диаметр которого ра-
Рис. 1. Схема электронного микротомографа. 1 — электронный зонд р.э.м.; 2 — тестируемый образец; 3 — корпус энергоанализатора; 4 — тороидальные электроды спектрометра; 5 — кольцевой детектор электронов; 6 — резонансный усилитель; 7 — персональный компьютер р.э.м.; 8 — высоковольтный источник питания спектрометра; 9 — задающий генератор; 10 — стробирующее устройство.
вен 60 мм. Часть обратнорассеянных неоднородным по глубине образцом 2 электронов попадает под углом 90 = 25° ± 2° на входную кольцевую щель диафрагмы. Толщина корпуса 3 спектрометра равна 22 мм, а рабочее расстояние, отсчитываемое от дна объективной линзы р.э.м. до поверхности образца, — 25 мм. После входной кольцевой апертуры о.р.э. движутся между тороидальными электродами 4 по каналу шириной 2 мм. Центральный секторный угол тороидального дефлек-торного конденсатора равен 65°. Обратнорассе-янные электроны, кинетическая энергия Е5 которых равна энергии настройки анализатора кдУ0 (где коэффициент к = 10 и зависит от геометрических параметров конструкции дефлектора, # — заряд электрона, У0 — абсолютная величина прикладываемых к электродам 4 симметричных положительного и отрицательного потенциалов ±У),
проходят через выходную кольцевую диафрагму и достигают кольцевого детектора 5. Так, например, если энергия настройки анализатора (энергия пропускания) Es = 10 кэВ, то рабочее напряжение на соответствующих электродах V0 = ±1 кэВ, и тогда общая разность потенциалов составляет 2 кэВ. Для повышения светосилы спектрометра при съемке изображений ширина входной и выходной диафрагм увеличивается, и тогда относительное разрешение AE/Es = const = 5%. При регистрации энергетических спектров кольцевые щели диафрагмы уменьшаются, и разрешение по энергиям достигает 0.5-1% [9, 10].
Для повышения чувствительности и эффективности спектрометра в качестве детектора о.р.э. предпочтительней использовать сцинтилляцион-ный детектор, поскольку полупроводниковый детектор обладает довольно высокой пороговой энергией (от 1 до 3 кэВ). Моделирование светового транспорта показало, что более эффективным является кольцевой детектор с малым диаметром кругового сечения тороидального сцинтиллиру-ющего световода, т.е. детектор должен иметь форму тонкого кольца [11]. Если к тому же на входе в кольцевой сцинтиллятор использовать мелкоячеистую проводящую сетку с положительным потенциалом Vth, превосходящим пороговую энергию электронов для данного сцинтилляционного вещества (Vth = 1 кэВ), то появляется возможность анализировать низкоэнергетические о.р.э., что важно при развитии методов нанотомографии. Представляется, что наиболее эффективным детектирующим устройством может явиться линейка из микроканальных пластин - умножителей электронов.
Высоковольтное питание анализатора осуществляется с помощью управляемого блока 8, причем в режиме съема томографических изображений на электроды 4 подается фиксированное заданное напряжение, а при регистрации спектров о.р.э. — пилообразное.
Повысить контраст изображений в р.э.м. можно с помощью суперпозиции исходного сигнала и его производных. Так, в работе [12] для лучшего разделения изображений гетерограниц слоистых структур и их катодолюминесцентных спектров было предложено периодически менять ускоряющее напряжение р.э.м. и выделять производные гармонического сигнала, причем дополнительно модулировать на этой же частоте интенсивность первичного пучка электронов. Расчеты указывают на высокую эффективность принципа двойной модуляции катодолюминесцентного сигнала, однако его практическая реализация затруднительна. В данной работе вместо варьирования ускоряющего напряжения р.э.м. использована легко реализуемая модуляция рабочих потенциа-
лов энергоанализатора, которая обычно применяется в оже-спектрометрах [13]. Если пренебречь пороговой энергией Е,к примененных сцинтилля-ционных или полупроводниковых детекторов, то сигнал I, со спектрометра при постоянном напряжении на электродах У0(?0) = к1Е, прямо пропорционален энергии Е, прошедших через анализатор электронов и числу N = 10цО.ДЕ этих электронов в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.