ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 10, с. 59-69
УДК 537:533
РЭМ-ИЗОБРАЖЕНИЯ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР В РЕЖИМЕ ОБРАТНО РАССЕЯННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ. 3. СТРУКТУРЫ С ТРАПЕЦИЕВИДНЫМ ПРОФИЛЕМ И МАЛЫМИ УГЛАМИ НАКЛОНА БОКОВЫХ СТЕНОК
© 2015 г. Ю. А. Новиков1, 2
Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Москва, Россия E-mail: nya@kapella.gpi.ru Поступила в редакцию 12.01.2015 г.
Приведены результаты исследования формирования изображений кремниевых канавок с трапециевидным профилем и малыми углами наклона боковых стенок в растровом электронном микроскопе, работающем в режиме сбора обратно рассеянных электронов. Показано, что существует четыре механизма формирования изображений. Один из механизмов обусловлен первичными электронами зонда. Два других связаны с многократным рассеиванием первичных и вторичных (ионизационных) электронов. Четвертый механизм обусловлен взаимодействием выходящих в вакуум электронов с рельефом образца. Первые три механизма дают прямой контраст, а четвертый — обратный.
Ключевые слова: растровый электронный микроскоп, обратно рассеянные электроны, вторичные медленные электроны.
DOI: 10.7868/S0207352815100170
ВВЕДЕНИЕ
Растровый электронный микроскоп (РЭМ) получил широкое применение для визуализации рельефа поверхности твердого тела и измерения линейных размеров элементов рельефа в микрометровом (1—1000 мкм) и нанометровом (1—1000 нм) диапазонах [1—9]. Однако все методы калибровки РЭМ [10—17] и измерения линейных размеров рельефных структур [16—22] реализованы для низковольтного режима работы РЭМ и высоковольтного режима при регистрации вторичных медленных электронов (ВМЭ). Второй высоковольтный режим — сбор обратно рассеянных электронов (ОРЭ), не получил распространения для линейных измерений. Это связано с особенностями формирования изображения в режиме регистрации ОРЭ [23—25] и слабой изученностью этих особенностей.
Однако режим ОРЭ обладает и некоторыми преимуществами перед режимом ВМЭ. На рис. 1 приведены РЭМ-изображения одной и той же области тест-объекта, полученные при регистрации ВМЭ (рис. 1а) и ОРЭ (рис. 1б). Предварительно отдельные области этого образца сканировались в РЭМ для проведения измерений некоторых элементов тест-объекта. Эти области легко опреде-
лить на рис. 1а по почернению сканируемой области. Такие почернения связаны с эффектом контаминации — углеродным загрязнением сканируемой поверхности [26, 27]. На ВМЭ-изображении (рис. 1а) такие области легко определяются, так как на ВМЭ-сигнал оказывают сильное влияние эмиссионные свойства поверхности, которые изменились в процессе загрязнения. Эти загрязнения не только ухудшают изображение, но и сильно искажают [26, 27] результаты измерений линейных размеров элементов рельефной поверхности.
В то же время на ОРЭ-изображении (рис. 1б) области загрязнения не видны, так как сигнал ОРЭ определяется электронами, вышедшими из глубины образца, где загрязнения нет. Поэтому режим регистрации обратно рассеянных электронов не чувствителен к поверхностным загрязнениям, создаваемым самим диагностическим пучком электронов.
Однако до настоящего времени не удалось создать методы калибровки РЭМ, работающего в режиме сбора ОРЭ, и измерения в этом режиме линейных размеров элементов рельефа микро- и наноструктур. Такое положение обусловлено недостаточной изученностью механизмов форми-
Рис. 1. РЭМ-изображения одного и того же участка рельефной структуры в режиме сбора ВМЭ (а) и ОРЭ (б).
рования РЭМ-изображений в режиме сбора обратно рассеянных электронов [23—25].
Анализ литературы показал, что это связано с отсутствием систематических исследований формирования ОРЭ-изображения образцов, рельеф которых (форма и размеры) хорошо известен (такие образцы носят название "тест-объекты"), и отсутствием методов исследования формирования ОРЭ-изображений.
В настоящее время существуют тест-объекты с прямоугольным профилем рельефа [28—30] и трапециевидными профилями с малыми [4, 20, 31—32] и большими [11, 30, 32—34] углами наклона боковых стенок. Создан и метод исследования формирования ОРЭ-изображений [23, 24, 35]. Это позволило начать систематические исследования формирования в РЭМ изображений в режиме сбора обратно рассеянных электронов [35, 36].
В работе [35] было изучено формирование ОРЭ-изображений от простейшего рельефа в виде прямоугольного края твердого тела. Было показано, что для такой структуры традиционные представления о механизмах формирования ОРЭ-изображений имеют место. В следующей работе [36] этого цикла исследовалось формирование ОРЭ-изображений прямоугольных канавок в кремнии. При этом были обнаружены три механизма формирования ОРЭ-изображений, экспериментально разделены вклады от этих механизмов и создана модель, описывающая эти механизмы.
Настоящая работа является продолжением серии статей [35, 36], посвященных определению механизмов формирования изображения в растровом электронном микроскопе, работающем в режиме сбора обратно рассеянных электронов. Представлены результаты исследования формирования ОРЭ-изображений рельефных структур в виде канавок в кремнии, имеющих трапецие-
видный профиль с малыми углами наклона боковых стенок.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА И ИССЛЕДУЕМЫЕ ОБЪЕКТЫ
Метод исследования. Метод исследования формирования РЭМ-изображения в обратно рассеянных электронах, используемый в данной серии работ [35, 36], заключается в следующем. Фокусировку и выбор увеличения РЭМ производят по изображению исследуемого элемента рельефа в режиме регистрации ВМЭ. Далее, не меняя параметров РЭМ и не двигая образец, проводят повторное сканирование образца, но уже при регистрации сигнала ОРЭ. Такой метод дает возможность контролировать параметры РЭМ по результатам ВМЭ, которые позволяют определять все основные характеристики РЭМ, в том числе и контролировать фокусировку зонда РЭМ. 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 проводить непосредственное сравнение сигналов, полученных в разных режимах, друг с другом. Это позволяет устранить ошибки, возникающие в процессе калибровки РЭМ и определении численных значений размеров элементов структуры.
Отметим, что для таких экспериментов лучше всего было бы проведение одновременной регистрации изображений ВМЭ и ОРЭ. Однако современные РЭМ не позволяют этого делать. Последовательная регистрация изображений приводит к небольшому смещению изображений друг относительно друга (рис. 1а и 1б). Такое смещение легко контролируется и может быть учтено при обработке и анализе результатов экспериментов. При этом не следует пытаться устранять смеще-
Рис. 2. Схема вертикального профиля электронного зонда РЭМ в области фокусировки с углом сходимости-расходимости ф^, глубиной фокусировки кр диаметром зонда в фокусе йр (минимальный диаметр зонда) и действующим диаметром зонда й (диаметр зонда на уровне плоскости исследуемого образца).
ние путем сдвига образца, так как это приводит к изменению параметров РЭМ, особенно к изменению фокусировки РЭМ [10, 37, 38], которое проявляется в виде неконтролируемого изменения диаметра электронного зонда РЭМ на уровне плоскости поверхности образца из-за сходящейся-расходящейся формы зонда (рис. 2) [39].
Экспериментальная аппаратура. Эксперименты проводились на РЭМ Саш8еап С8-44 с вольфрамовым катодом. Энергия электронов зонда составляла 25 кэВ, величина тока зонда 50 пА. Размер получаемого изображения 512 х 512 р1х. Более подробные сведения о микроскопе и режимах его работы приведены в [35]. Калибровка РЭМ (определение размера пикселя т и эффективного диаметра зонда й [37, 38] — далее диаметра зонда) осуществлялась с помощью рельефных прямоугольных структур (РПС) [10, 28—30], выполненных на основе кремния я-типа (я-РПС), по методу, изложенному в работах [10, 28—30, 36]. Результаты калибровки составили: т = 6.38 ± ± 0.10 нм/р1х, й = 130 ± 6 нм.
Исследуемые объекты. Структурой с трапециевидным профилем и малыми углами ф наклона боковых стенок (рис. 3) является структура, удовлетворяющая условию [30, 39, 40]:
Ф 2 <ф< аг^ (¿/к), (1)
где фй — угол сходимости-расходимости электронного зонда РЭМ [30, 36—42] (рис. 2), й — диа-
Рис. 3. Схемы канавки (а) с трапециевидным профилем и параметрами, определяющими ее форму, и сигнала (б), получаемого при сканировании такой канавки с малыми углами наклона боковых стенок в режиме сбора ВМЭ.
метр электронного зонда РЭМ [37, 38], к — глубина (высота) элемента структуры (рис. 3а). Определение угла сходимости-расходимости и методы его измерения описаны в работах [41, 42], а диаметра электронного зонда — в [37, 38].
Более удобно верхнюю границу угла ф (1) представить в виде следующего выражения:
^ = к tg ф < (2)
которое указывает на то, что для трапециевидной структуры с малыми углами наклона боковых стенок электронный зонд может полностью накрыть боковую стенку структуры. Таким образом, малость угла наклона является характеристикой не только самой структуры, но и характеристикой РЭМ (определяется диаметром электронного зонда).
В качестве структур с трапециевидным профилем и малыми углами наклона боковых стенок в данной работе использовались канавки в кремнии шириной 12 мкм и тестовые канавки с номинальным размером ширины 1 мкм. Глубины всех элементов структуры имели номинальное значение 300 нм. Все эти канавки входят в тест-объект, представленный на рис. 1.
Параметры трапециевидной канавки с малыми углами наклона боковых стенок (рис. 3а) свя-
г, мкм
1 | 1 1 1 1 II |
-0.8 -0.4 : 0 0.4 0.8 , мкм
- ■ | 1 1
-0.4
Рис. 4. Форма профиля трапециевидной канавки с номинальной шириной 1 мкм и глубиной 0.3 мкм. Штриховые вертикальные линии соответствуют номинальным границам рельефной структуры.
заны с параметрами ВМЭ-сигнала (рис. 3б) выражениями:
и = т (2Ь - в) - й, (3)
Ь = тО + й. (4)
Суммируя выражения (3) и (4), легко получить
I = (и + Ь)/ 2 = тЬ (
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.