ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 5, с. 78-89
УДК 537:533
РЭМ-ИЗОБРАЖЕНИЯ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР В РЕЖИМЕ ОБРАТНО РАССЕЯННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ. 2. СТРУКТУРЫ С ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ПРОФИЛЕМ
© 2015 г. Ю. А. Новиков
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия E-mail: nya@kapella.gpi.ru Поступила в редакцию 25.09.2014 г.
Приведены результаты исследования формирования изображений прямоугольных канавок в кремнии в растровом электронном микроскопе, работающем в режиме регистрации обратно рассеянных электронов. Обнаружены три механизма формирования изображений. Экспериментально разделены их вклады. Один из механизмов обусловлен первичными электронами зонда. Два других связаны с многократным рассеянием первичных и вторичных (ионизационных) электронов.
Ключевые слова: растровая электронная микроскопия, обратно рассеянные электроны, вторичные медленные электроны, рельефные прямоугольные структуры.
DOI: 10.7868/S0207352815050091
ВВЕДЕНИЕ
Растровая электронная микроскопия [1, 2] широко применяется для визуализации рельефа и измерения линейных размеров элементов структур в микрометровом (1—1000 мкм) и нанометро-вом (1—1000 нм) диапазонах [3—7]. Обычно используется режим регистрации вторичных медленных электронов [5, 6], для которого разработаны методы калибровки микроскопа [8—10] и измерения в нем линейных размеров [11—13] рельефных микро- и наноструктур. Однако растровый электронный микроскоп (РЭМ) имеет и другой режим регистрации вторичных электронов, названный режимом регистрации обратно рассеянных электронов [7, 14—16]. Он обладает рядом преимуществ перед режимом вторичных медленных электронов [17]. Однако трудности интерпретации результатов до сих пор не позволяют рекомендовать этот режим для широкого применения.
В [15, 17] был описан метод исследования формирования изображения в РЭМ и предприняты попытки анализа информации, полученной как в режиме вторичных медленных электронов, так и в режиме обратно рассеянных электронов. Было показано [17], что для простейших структур в виде прямоугольного края твердого тела имеют место традиционные представления формирования сигналов РЭМ. Однако основным недостатком образца в виде прямоугольного края является невозможность выставить образец так, чтобы его боковая сторона была параллельна оси зонда РЭМ. Это затрудняет анализ результатов экспериментов
и в ряде случаев не позволяет сделать однозначные выводы о механизмах формирования изображения в РЭМ.
В [18, 19] были описаны тест-объекты в виде рельефных прямоугольных структур (РПС) — ще-левидных канавок в кремнии с параллельными стенками. Наличие двух сторон у элементов таких тест-объектов гарантирует возможность провести эксперименты с параллельным положением оси зонда РЭМ и стенок рельефной прямоугольной структуры.
Настоящая работа посвящена анализу результатов экспериментов, выполненных в РЭМ методом, описанным в [17], с использованием структур, имеющих профиль прямоугольной канавки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА И ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБЪЕКТЫ
Метод исследования. Метод исследования формирования РЭМ-изображения в режиме регистрации обратно рассеянных электронов, используемый в данной работе, заключается в следующем. Фокусировку и выбор увеличения РЭМ производят по изображению исследуемого элемента рельефа в режиме регистрации вторичных медленных электронов. Далее, не меняя параметров РЭМ и не двигая образец, его повторно сканируют, но уже при регистрации сигнала обратно рассеянных электронов. Такая методика дает возможность контролировать параметры РЭМ способами, изложенными в [8, 18—21] для режима
вторичных медленных электронов, которые позволяют определять все основные характеристики РЭМ, в том числе и контролировать фокусировку зонда. Неизменность увеличения и фокусировки в обоих режимах регистрации вторичных электронов гарантирует одинаковую форму пучка электронов. А одна и та же область сканирования образца дает возможность непосредственно сравнивать сигналы, полученные в разных режимах, друг с другом. Это позволяет устранить ошибки, возникающие в процессе калибровки РЭМ, и в определении размеров элементов структуры.
Исследуемые объекты. Структурой с прямоугольным профилем рельефа поверхности [19, 22] является такая структура, у которой угол ф (рис. 1а) наклона боковых стенок относительно нормали к поверхности образца меньше половины угла сходимости-расходимости ф^ электронного зонда:
Ф<Ф*/2, (1)
который показан на схеме (рис. 1б) [22]. Методы определения угла сходимости-расходимости описаны в [23, 24].
В качестве исследуемых объектов были выбраны рельефные прямоугольные структуры, состоящие из наборов щелевидных канавок в кремнии, удовлетворяющие условию (1). Технология изготовления таких канавок и аттестация их ширин подробно описаны в [18]. На рис. 2а приведено изображение скола одной из канавок таких структур, а на рис. 2б — изображение такой канавки, полученное в РЭМ 8-806 в режиме регистрации вторичных медленных электронов, и сигналы РЭМ, из которых состоит это изображение. Для наглядности сигналы сдвинуты относительно своего истинного положения.
В экспериментах использовались рельефные структуры с наборами канавок, изготовленных на основе кремния п- и^-типа проводимости [18, 19] (п-РПС и ^-РПС соответственно). Каждая рельефная структура состояла из четырех структур с канавками разной ширины. В табл. 1 приведены значения этих ширин. Все канавки на каждой из структур имели одну и ту же ширину. Глубины канавок всех структур были одинаковыми и составляли 850 нм.
Экспериментальная аппаратура. Эксперименты проводились в РЭМ Сат8сап С8-44 с вольфрамовым катодом. Энергия электронов зонда составляла 20 кэВ. Величина тока зонда 50 пА. Размер получаемого изображения 512 х 512 пикселей. Более подробные сведения о микроскопе и режимах его работы приведены в [17].
Калибровка РЭМ Сат8сап С8-44 осуществлялась с помощью самих рельефных прямоугольных структур методом, изложенным в [8, 25—27]. Схемы профиля прямоугольной канавки и получаемого в РЭМ сигнала вторичных медленных
Рис. 1. Схемы профиля канавки (а) и электронного зонда РЭМ (б) в области фокусировки: ф — угол наклона боковых стенок; ф^ — угол сходимости-расходимости; к^ — глубина фокусировки; — диаметр зонда в фокусе (минимальный диаметр зонда) и ¿1 — действующий диаметр зонда (диаметр зонда на уровне плоскости исследуемого образца).
электронов приведены на рис. 3. Определялись расстояния между максимумами Ь и ширина дна О сигналов (схема сигнала на рис. 3б). Они связаны с
Таблица 1. Ширины канавок п- и^р-РПС и погрешности их аттестации
№
1 2
3
4
Ширина, нм
п-РПС
92.8 + 0.4 128.5 + 0.3 344.4 + 0.8 486.2 + 0.8
^р-РПС
98.8 + 0.4 150.7 + 0.3 369.7 + 0.8 434.7 + 0.8
Рис. 2. Микрофотография скола (а) и РЭМ-изображение прямоугольной канавки шириной 150.7 и глубиной 850 нм (б). Для наглядности сигналы сдвинуты относительно своего истинного положения.
шириной канавки I (схема профиля канавки на рис. 3а) соотношениями:
Ь = (I + 25)/т, в = (I - й)/ т,
(а)
(2) (3)
I
(б) Ь
О
Рис. 3. Схемы профиля прямоугольной канавки (а) и сигнала вторичных медленных электронов (б): d — эффективный диаметр зонда; к — глубина канавки; I — ее ширина; Ь — расстояние между максимумами сигнала; О — ширина дна сигнала.
где т — размер пикселя на изображении [9], d — эффективный диаметр [25—27] (далее диаметр) электронного зонда РЭМ, 5 — сдвиг максимума сигнала относительно стенки канавки [18, 19]. Имея прямоугольные канавки разной ширины (табл. 1), и учитывая независимость т, d и 5 от ширины канавки (более подробно это рассмотрено в [8, 18, 19]), можно записать:
ть =
Ь -ь'
§ = 1вк -2 в - в! '
тв =
в - в;
й =
в]-в - в '
(4)
(5)
(6) (7)
где индексы / Ф ] — номера канавок соответствующих размеров, тЬ и тО — размеры пикселя, определенные по расстояниям между максимумами сигнала и ширине его дна соответственно. Если в пределах ошибок
ть = т6, (8)
то среднее значение величин тЬ и тО является размером пикселя на изображении, а величина d в (7) является диаметром электронного зонда. Более подробно калибровка РЭМ с помощью рельефных прямоугольных структур описана в [8, 18, 19].
В данной работе калибровка РЭМ осуществлялась с использованием п-РПС (канавки с номерами 1—4 из табл. 1) и ^-РПС (канавки с номерами 2 и 4 из табл. 1). Для этого в режиме регистрации вторичных медленных электронов были получены
d
к
изображения десяти канавок п-РПС и пяти канавок р-РПС. Размер пикселя рассчитывался с использованием выражений (4) и (6) при условии (8), а диаметр зонда — с использованием выражения (7). Результаты калибровки представлены в табл. 2. Размеры пикселей в обоих случаях (п- ир-РПС) оказались одинаковыми. Это указывает на стабильную работу микроскопа и правильную установку образцов. В то же время диаметры зонда получились разными. Такое различие обусловлено различием фокусировки зонда для разных типов рельефных прямоугольных структур. Более подробно влияние фокусировки зонда на калибровку РЭМ было рассмотрено в [8].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате эксперимента в режимах регистрации вторичных медленных и обратно рассеянных электронов были получены изображения канавок п-РПС, ширины которых обозначены номерами 1—4 в табл. 1, и канавок р-РПС, ширины которых обозначены номерами 2 и 4. Изображения, полученные в режиме регистрации вторичных медленных электронов, использовались для калибровки РЭМ, а в режиме регистрации обратно рассеянных электронов — для исследования механизмов формирования изображения.
На рис. 4 приведены примеры РЭМ-изображений четырех канавок п -РПС разной ширины в режиме регистрации вторичных медленных электронов, а на рис. 5 — тех же канавок, но в режиме
Таблица 2. Параметры калибровки РЭМ (т и й), определенные по изображениям канавок п- ир-РПС, полученным в режиме регистрации вторичных медленных электронов
Параметр п-РПС р-РПС
т, нм/пикс. 3.74 ± 0.11 3.77 ± 0.04
й, нм 67 ± 2 118 ± 3
регистрации обратно рассеянных электронов. Соответствующие сигналы, из которых состоят эти и
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.