научная статья по теме ИЗМЕРЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ В НИЗКОВОЛЬТНОМ РЕЖИМЕ РАСТРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА МЕТОДОМ ДЕФОКУСИРОВКИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕРЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ В НИЗКОВОЛЬТНОМ РЕЖИМЕ РАСТРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА МЕТОДОМ ДЕФОКУСИРОВКИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 2, с. 127-130

МЕТРОЛОГИЯ

УДК 537.533:620.187:539.25

ИЗМЕРЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ В НИЗКОВОЛЬТНОМ РЕЖИМЕ РАСТРОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА МЕТОДОМ ДЕФОКУСИРОВКИ

ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

© 2013 г. Д. С. Бодунов1, 2, М. А. Данилова1, В. А. Кальнов3, А. Ю. Кузин1, В. Б. Митюхляев1, А. А. Орликовский2, 3, А. В. Раков1, П. А. Тодуа1, 2, М. Н. Филиппов1, 2, 4

Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума 2Московский физико-технический институт 3Физико-технологический институт Российской АН 4Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской АН E-mail:fil@igic.ras.ru, fgupnicpv@mail.ru, orlikovsky@ftian aivta.ru Поступила в редакцию 16.12.2011 г.

Выполнены измерения линейных размеров элемента нанорельефа с трапецеидальным профилем в растровом электронном микроскопе (РЭМ), работающем при ускоряющем напряжении 800 В, методом дефокусировки электронного пучка. Показано, что видеосигнал во вторичных электронах может быть представлен как кусочно-линейная функция с характерными точками излома. Установлено, что расстояния между экстремумами и точками начала возрастания сигнала линейно зависят от эффективного диаметра def, электронного пучка РЭМ. Экстраполяция этих прямых к def = 0 позволяет определить значения размеров верхнего и нижнего оснований упомянутого выше элемента нанорельефа и среднее значение проекции боковой стенки элемента.

DOI: 10.7868/S0544126913020051

1. ВВЕДЕНИЕ

Понятие эффективного диаметра электронного пучка РЭМ определено в национальном стандарте ГОСТ Р 8.629 [1]. Метод измерений, основанный на дефокусировке электронного пучка РЭМ (далее метод дефокусировки), изложен в работах [2, 3], где использовался высоковольтный режим РЭМ с ускоряющим напряжением и > 15 кВ. Однако, при линейных измерениях часто используют РЭМ в низковольтном режиме (и < 1 кВ). В связи с этим представляет интерес исследовать метод дефокусировки электронного пучка РЭМ в низковольтном режиме.

2. ФОРМА КРИВОЙ ВИДЕОСИГНАЛА В НИЗКОВОЛЬТНОМ РЭМ ПРИ СКАНИРОВАНИИ ЭЛЕМЕНТА НАНОРЕЛЬЕФА С ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫМ ПРОФИЛЕМ

В качестве наноразмерного объекта рассмотрим элемент нанорельефа из шаговой структуры на поверхности монокристаллического кремния, имеющий профиль в форме равнобедренной трапеции. На рис. 1 приведены схемы трапецеидального профиля элемента нанорельефа (а) и реги-

стрируемого сигнала вторичных электронов при сканировании этого элемента в РЭМ в низковольтном режиме (б). Указанный сигнал можно представить в виде кусочно-линейной функции с характерными точками излома, обозначенными цифрами от 1 до 8. Расстояния по оси X между точками 1 и 2 и точками 7 и 8 позволяют измерить значения и Бк, характеризующие эффективный диаметр de:f электронного пучка РЭМ. Проекции левой и правой боковых сторон трапецеидального профиля элемента нанорельефа а (рис. 1а) и Лк (рис. 1б) могут быть измерены на уровнях 0.5Н и 0.5Н2, если на отрезке между точками 4 и 5 имеется горизонтальный участок. В случае малых значений верхнего основания профиля элемента нанорельефа (рис. 1а) горизонтальный участок между точками 4 и 5 может отсутствовать. В этом случае проекции боковых сторон профиля исследуемого элемента нанорельефа можно определить по расстояниям на оси X между точками 1 и 3 и 6 и 8. Нижнее основание профиля элемента нанорельефа можно измерить по расстоянию между точками 1 и 8 (рис. 1б). Обозначим это расстояние как Ор. Верхнее основание этого профиля можно определить с помощью сигнала вторичных электронов по расстоянию между точками 3

128

БОДУНОВ и др.

(а)

(б)

X

Рис. 1. Сечение выступа (а) использованного наноразмерного объекта (б); видеопрофиль выступа, зарегистрированный на РЭМ в низковольтном режиме: X — ось значений координаты электронного зонда в направлении сканирования в нанометрах; У — ось значений величины информативного сигнала в нанометрах.

и 6 (смотри рис. 1б). Обозначим это расстояние как Lp. Его также можно определить по разности между измеренным нижним основанием и суммой измеренных левой и правой проекций боковых сторон профиля элемента нанорельефа.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Эксперименты выполнялись на РЭМ S-4800 (Hitachi) при ускоряющем напряжении 800 В, рабочем отрезке 2.4 мм и увеличении РЭМ М = = 90000. В качестве наноразмерного объекта использовался элемент нанорельефа (выступ с трапецеидальным профилем) из шаговой кремниевой структуры, полученной анизотропным травлением в КОН. Способ изготовления этой структуры опубликован в работе [4]. При указанных условиях на РЭМ регистрировались видеоизображения упомянутого выступа при разных условиях фокусировки. Изменение условий фокусировки электронного пучка осуществлялось с помощью рукоятки тонкой фокусировки микроскопа. На рис. 2

приведены два регистрируемых сигнала вторичных электронов вдоль оси сканирования. На рис. 2а показан видеосигнал при оптимальной фокусировке электронного пучка (0.5 [. + .Од]) = 30.6 ± ± 5.2 пиксель. Здесь и далее использованы обозначения, приведенные на рис. 1б и в разделе 1 настоящей работы. Из этого рисунка видно, что на видеосигнале между двумя экстремумами практически отсутствует горизонтальный участок. Поэтому для измерения геометрических параметров исследуемого наноразмерного объекта был применен способ дефокусировки электронного пучка РЭМ. На рис. 2б показан сигнал вторичных электронов вдоль оси сканирования для структуры, у которой (0.5[. + .Од]) = 91.4 ± 1.5 пиксель. Из рис. 2 видно, что с ростом величины (0.5[. + .Од]) значения Ьр (расстояние между двумя экстремумами, точки 3 и 6) и Ор (расстояние между точками начала роста регистрируемого сигнала, точки 1 и 8) растут. Отметим, что по мере роста (0.5[. + .Од]) проекции боковых сторон и

ИЗМЕРЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАНОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ 129

Отн. ед. 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Пиксели

Отн. ед. 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2 0

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Пиксели

Рис. 2. Экспериментальный сигнал вторичных электронов по оси сканирования, полученный на РЭМ в низковольтном режиме (а), при регистрации используемого наноразмерного объекта (выступа с трапецеидальным профилем) при среднем значении def = 28.7 пиксель; (б) — экспериментальный сигнал вторичных электронов по оси сканирования, полученное на том же РЭМ при регистрации того же объекта при среднем значении def = 92.8 пиксель. Калиброванное значение масштабного множителя равно 0.5512 нм/пиксель.

Лк (рис. 1б) практически не меняются, так как эти величины характеризуют постоянную глубину рельефа используемой шаговой структуры. Калиброванный масштабный коэффициент РЭМ для указанных выше условий равен 0.5512 нм/пиксель.

На рис. 3 и 4 приведены результаты измерений Ьр и Ор при при различных значениях эффективного диаметра электронного зонда def. Зависимости и Ор^е_) хорошо описываются линейными функциями общего вида А + Вdef, где А и В — коэффициенты, не зависящие от def. При этом для зависимости коэффициент А равен ширине верхнего основания, а для зависимости Ор(й(2) — ширине нижнего основания.

Это было экспериментально проверено на симметричных выступах шаговой структуры с шириной верхнего основания, при которой наблюдается горизонтальный участок между экстремумами. В этом случае ширина верхнего осно-

вания может быть определена по методике, аналогичной [1]. Сохранение линейного характера зависимости Ьр(¿^ и Ор(¿^ в случае отсутствия горизонтального участка позволяет утверждать, что значения Ьр(0) и бр(0) равны соответственно ширине верхнего и нижнего оснований трапециевидного симметричного выступа, по крайне мере до значений, сопоставимых с эффективным диаметром зонда в условиях оптимальной фокусировки.

Экстраполяция этих зависимостей к def = 0 дает на оси ординат значения размеров верхнего и нижнего оснований исследуемого элемента нано-рельефа (выступа).

Верхнее основание равно 70 ± 5 нм; нижнее основание равно 582 ± 6 нм. Среднее значение проекции боковой стороны исследованного выступа 0.5(ЛХ + Л^) = 253.9 ± 0.8 нм. Этих данных достаточно, чтобы определить все остальные геометри-

130

БОДУНОВ и др.

220

200

180

160

140

м

н 120

,p 100

80

60

40

20

0

20 40 60 80 100 120 140 def, нм

Рис. 3. Экспериментальная зависимость Lp(def).

740

720

700

680

660

м

н p640

620

600

580

560

0

20

40

60

80 def, нм

100 120 140

Рис. 4. Экспериментальная зависимость Gp(def).

ческие характеристики исследованного нанораз-мерного объекта. Так высота (глубина) рельефа выступа равна h = 358.6 ± 1.1 нм.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное в РЭМ в низковольтном режиме измерение наноразмерного объекта (выступа с трапецеидальным профилем) показало, что видеосигнал во вторичных электронах можно представить как кусочно-линейную функцию с характерными точками излома. Сигнал имеет два экстремума, между которыми имеется глубокий провал с практически отсутствующим горизонтальным участком. Установлено, что расстояния между экстремумами и точками начала возрастания сигнала линейно зависят от эффективного диаметра def электронного пучка РЭМ. Экстраполяция этих прямых к def = 0 дает значения размеров верхнего и нижнего оснований упомянутого выше элемента нанорельефа.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации с использованием оборудования Центров коллективного пользования МФТИ и НИЦПВ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 8.631-2007 Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые измерительные. Методика поверки. М.: Стандартинформ, 2011.

2. Filippov M.N., Novikov Yu.A., Rakov A.V., Todua P.A. SEM probe defocusing method of measurement of linear sizes of nanorelief elements // Proc. of SPIE. 2010. V. 7521. P. 752116-1-752116-9.

3. Валиев К.А., Гавриленко В.П., Жихарев Е.Н., Данилова М.А., Кальнов В.А., Ларионов Ю.В., Митюхля-ев В.Б., Орликовский А.А., Раков А.В., Тодуа П.А., Филиппов М.Н. Измерение линейных размеров элементов нанорельефа с профилем, близким к прямоугол

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.

Показать целиком