Измерения в информационных технологиях
6. Мясникова Н. В., Берестень М. П., Долгих Л. А. Методы разложения сигналов на основе экстремальной фильтрации // Датчики и системы. 2011. № 2. С. 8—11.
7. Долгих Л. А., Мясникова Н. В., Мясникова М. Г. П риме-нение разложения по эмпирическим модам в задачах цифровой обработки сигналов // Датчики и системы. 2011. № 5. С. 8—10.
8. Мясникова Н. В., Берестень М. П., Строганов М. П. Аппроксимация многоэкстремальных функций и ее приложения в технических системах // Известия вузов. Технические науки. Поволжский регион. 2011. № 2. С. 113—119.
9. Ломтев Е. А., Терехина А. В., Цыпин Б. В. Применение метода на основе экстремальной фильтрации в задачах сжатия измерительных сигналов // Измерение, мониторинг, управление, контроль. Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. № 1 (3). С. 55—60.
10. Терехина А. В. Сравнительная оценка алгоритмов сжатия информации на основе метода Прони // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 1 .
Дата принятия 23.09.2015 г.
ЛИНЕЙНЫЕ И УГЛОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
539.25 + 537.533.35+620.187
Трехмерная реконструкция поверхностей рельефных структур по стереоизображениям, полученным в растровом электронном
микроскопе
В. П. ГАВРИЛЕНКО1, Д. А. КАРАВАНОВ1, А. Ю. КУЗИН1, В. Б. МИТЮХЛЯЕВ1, А. А. МИХУТКИН2, П. А. ТОДУА1, М. Н. ФИЛИППОВ1, Т. Н. БАЙМУХАМЕТОВ2- 3,
А. Л. ВАСИЛЬЕВ2, 4
1 Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума,
Москва, Россия, e-mail: fgupnicpv@mail.ru
2 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия
3 Московский физико-технический институт (государственный университет),
Москва, Россия
4 Институт кристаллографии РАН, Москва, Россия
Методом трехмерной реконструкции по стереоизображениям, полученным в растровом электронном микроскопе, восстановлен профиль поверхности двух образцов из монокристаллического кремния, содержащих выступы трапецеидальной формы, и определено среднее значение высоты их выступов.
Результаты сравнивали с результатами измерений атомно-силовым микроскопом.
Преимущество по точности реконструкции для образца, подвергшегося дополнительной плазменной обработке, объяснено образованием наноразмерных морфологических особенностей поверхности в виде контрастных элементов, повышающих точность совмещения изображений в процессе 3D-реконструкции.
Ключевые слова: 3D-реконструкция, профиль поверхности, растровый электронный микроскоп, атомно-силовая микроскопия, стереоизображения, рельефные элементы.
A method of 3D reconstruction by stereo scanning electron microscope images for calculation of the surface profile of two samples comprising trapezoidal protrusions in single-crystal silicon was applied and the average value of the protrusions height was calculated.
The measurements results received by the method 3D reconstruction and atomic force microscope were compared.
Better accuracy of 3D reconstruction for the sample additionally treated by plasma magnitudes of the protrusions has been explained by formation of nanometer-sized features on its surface as a result of plasma treatment improving the precision of image superposition during the 3D reconstruction.
Key words: 3D reconstruction, surface profile, scanning electron microscope, stereo-pair images, relief elements.
Растровый электронный микроскоп (РЭМ) — один из приборов, наиболее часто используемых для получения изображений поверхностей, который обладает большой глубиной фокуса и высокой разрешающей способностью (до 1 нм). Метод трехмерной (3D) реконструкции поверхности образца по изображениям, полученным в РЭМ, позволяет извлечь
информацию о его трехмерной поверхностной структуре из пары двумерных РЭМ-изображений, полученных при различных углах наклона образца [1, 2]. Данный метод использует явление стереоэффекта, проявляющегося в следствие параллакса — изменения видимого положения объекта относительно удаленного фона в зависимости от положения на-
Рис. 1. 3D-peкoнcтpyкция поверхностей образца 1 по РЭМ-стереоизображениям (а) и усредненный профиль реконструированной поверхности образца 1 (б)
блюдателя. На этом же основано, в частности, бинокулярное зрение человека и животных: пространственное представление об объекте формируется на основе двух изображений (с правого и левого глаза), полученных из разных точек обзора (под разными углами). На основе различий в изображениях формируется пространственное (объемное) восприятие наблюдаемого объекта (стереоэффект). Такие изображения называют стереоизображениями (в случае двух изображений — стереопарой), причем различия в стереоизображениях тем больше, чем больше разница в углах, под которыми наблюдается объект (стереоугол).
Методика получения стереопары изображений в РЭМ заключается в повторной съемке одного и того же объекта, наклоненного под разными углами (1—20°) по отношению к электронному зонду, а угол наклона образца изменяется с помощью гониометра. Желательно, чтобы образец в гониометре находился в эуцентрической позиции, когда при наклоне отсутствует (или минимизировано) его перемещение в плоскости изображения. Стереоскопические изображения дают представление о рельефе образца и позволяют в отдельных случаях количественно оценить высоту некоторых
Рис. 2. 3D-peкoнcтpyкция поверхности образца 2 по РЭМ-стереоизображениям (а) и усредненный профиль реконструированной поверхности образца 2 (б)
объектов, однако они недостаточны для полноценных измерений высоты рельефа и комплексного анализа морфологии поверхности [2—5].
Появление новых алгоритмов обработки изображений позволило на основе полученных изображений создать 3D-модель исследуемой поверхности с высоким разрешением (нанометровым разрешением по высоте) и провести полноценный анализ поверхности, в том числе измерить высоты неровностей поверхности, объемы углублений и выпуклостей и т. д. [6—10]. При этом необходимо исследование точности данного метода, в частности, определение погрешности измерений параметров рельефа.
Предварительные оценки точности измерений проведены в [1, 6, 9], в них также рассмотрены факторы, влияющие на разрешение метода.
В настоящей работе приведены результаты исследований показателей точности измерений параметров рельефа поверхности по стереоизображениям, полученным в РЭМ.
Эксперимент. Объекты исследования — два тестовых образца, имеющие рельефную структуру, полученную на подложке из монокристаллического кремния, поверхность которого параллельна плоскости (100). Элементы рельефа формировали методом фотолитографии с последующим анизотропным травлением, в результате чего образовавшиеся выступы имели трапецеидальную форму. Боковые стенки выступов совпадали с плоскостями {111} и составляли угол 54,7° с плоскостью подложки. В данном методе глубина профиля рельефной структуры определяется временем травления и поэтому одинакова для всех выступов. Трапецеидальная форма элементов рельефа, полученных по описанной выше технологии, подтверждается при исследовании их поперечного среза методом просвечивающей электронной микроскопии [11].
Для исследования характеристик 3D-реконструкции по РЭМ-изображениям использовали два тестовых образца: образец 1, изготовленный по описанной выше технологии, и аналогичный образец 2, прошедший дополнительную процедуру плазменной обработки. Плазменную обработку проводили в установке плазменной очистки Plasma Cleaner PC-2000 (Southbay Technology), при этом исследуемый образец помещали в камеру, где индуцировался тлеющий высокочастотный разряд мощностью 15 Вт в аргоне или кислороде. Процедура плазменной обработки состояла из 10 циклов, каждый из которых включал 15 мин обработки в аргоне и 5 мин в кислороде. Промежуток между циклами составлял 2 ч, при этом образец извлекался из камеры и выдерживался при лабораторных условиях.
Для получения РЭМ-изображений использовался РЭМ S-4800 (фирма Hitachi), оснащенный автоэмиссионным катодом холодного типа. Исследуемый образец помещали в эуцентрическую позицию, задаваемую положением образца относительно столика объектов. Для определения параметров профиля рельефной структуры образцов использовали атомно-силовой микроскоп Ntegra Aura (NT-MDT), который калибровали с применением меры высоты ступени TGZ3.
Сравнение РЭМ-изображений образцов 1, 2 показывает, что при плазменной обработке на поверхности второго образца образуются дополнительные контрастные элементы с латеральными размерами порядка 10 нм. В результате измерений методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) получено, что параметр шероховатости Rq, определяемый как
среднее квадратическое отклонение (СКО) профиля, для верхней поверхности выступа составил 0,9 и 1,5 нм для образцов 1, 2, соответственно. Высоты выступов по данным АСМ-измерений составили 545 и 563 нм для образцов 1, 2, соответственно. Абсолютная погрешность АСМ-измерений для высоты выступов составила А = ±4 нм (Р = 0,95).
При ускоряющих напряжениях 2 и 15 кВ получены серии РЭМ-изображений исследуемых образцов при разных углах их наклона (±7°; ±10°) с использованием двух значений силы тока электронного зонда (30 и 200 пА), различного времени экспозиции при увеличениях 25000х и 40000х. На основе каждой стереопары изображений с использованием программного обеспечения МеХ (АПсопа, Австрия) выполняли 3D-реконструкцию исследуемого участка поверхности для различных комбинаций параметров эксперимента (ускоряющего напряжения, углов наклона образца, силы тока электронного зонда). По результатам 3D-реконструкции для каждого образца определены значения высоты трапецеидальных выступов при всех комбинациях параметров, СКО результатов измерений высоты выступов и для верхнего основания выступов.
Высоту выступов усредняли по участкам образцов размерами 4,6x2,5 и 2,9x1,2 мкм. Вычисление параметров шероховатости реконструированных поверхностей проводили следующим образом: выбирали интересующую область поверхности; рассчитывали гистограмму распределения по высотам в пределах выбранного участка поверхности; вычисляли параметры шероховатости для данного участка.
Обсуждение результатов. Наилучшая 3D-реконструкция поверхности образца
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.