МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 5, с. 323-333
НАНОЛИТОГРАФИЯ
УДК 537.533.3;621.385.833.2
ВОЗМОЖНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ РАЗРЕШЕНИЯ 1.6 НМ И МЕНЕЕ В АНАЛИТИЧЕСКОМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ FIB ПРИ ПРИМЕНЕНИИ КОРРЕКТОРА ХРОМАТИЧЕСКОЙ АБЕРРАЦИИ
© 2007 г. В. А. Жуков*, А. И. Титов**, А. В. Завьялова***
* Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН Санкт-Петербургский государственный политехнический университет ВНЦГОИ им. С И. Вавилова E-mail: v-zhukov@cards.lanck.net Поступила в редакцию 19.03.2007 г.
Разрешение в сканирующих аналитических и технологических ионных микроскопах (FIB) определяется тремя основными факторами: 1) размером гауссового (идеального) изображения источника, 2) ионно-оптическими аберрациями этого изображения, 3) рассеянием первичных ионов и вторичных частиц (ионов и электронов) в мишени. В работе показано, что в настоящее время, благодаря последним исследованиям, впервые возникли предпосылки для сведения к минимуму каждого из трех факторов. Такими предпосылками являются: 1) разработка уникальных, обладающих повышенной яркостью и монохроматичностью, автоионизационных источников ионов с размером эффективной области эмиссии менее 1 нм, 2) разработка теории коррекции осевых аберраций ион-но-оптических систем с помощью комбинированного электромагнитного зеркала, 3) исследования по столкновению медленных ионов He+ с поверхностью чистых металлов и исследования торможения медленных ионов O+ в алмазе. Впервые предложена и теоретически исследована модель FIB, в которой используются названные предпосылки и минимизируются все выше упомянутые факторы. Показано, что при коррекции одной лишь хроматической аберрации с помощью предложенного авторами комбинированного электромагнитного зеркала возможно разрешение 1.6 нм в аналитическом и 1.5 нм в технологическом FIB. Показано, что в идеальном (безаберрационном) случае возможно было бы разрешение 0.6 нм в аналитическом и 1 нм в технологическом FIB.
ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В настоящее время в нанотехнологии для исследования и контроля поверхностей объектов, непрозрачных в электронах средних энергий (20 кэВ-200 кэВ), используются сканирующая электронная (SEM) и сканирующая ионная (FIB) микроскопия [1, 2], а также атомно-силовая (AFM) и сканирующая туннельная (STM) микроскопия [3]. Системы SEM и FIB позволяют исследовать не только плоские поверхности, но и 3D структуры. Их разрешение не превышает 5-10 нм. Это связано, прежде всего, со значительным поперечным рассеянием в образцах как первичных зондирующих частиц, так и вторичных электронов перед их выходом в вакуум. В FIB добавляется еще размывание пучка ионов вследствие более значительного влияния хроматической аберрации [4]. AFM и STM обладают атомным разрешением, однако, они обладают низким контрастом изображения, не позволяют получать изображения 3D структур с перепадом рельефа в десятки и сотни нанометров и обладают низкой по сравнению с SEM и FIB скоростью сканирования, связанной с инерционностью механических узлов сканирования.
Перечисленные выше классы приборов (SEM, FIB, AFM, STM) используются также в технологических целях для создания экспериментальных наноструктур, имеющих экстремально малые латеральные размеры [2, 3]. Получаемое при этом литографическое разрешение, например, с применением в качестве резистов пленок Ленгмюра, примерно совпадает с разрешением этих приборов в аналитическом режиме работы.
Цель настоящей работы - доказательство возможности создания аналитических и технологических FIB с разрешением ~1.5 нм, т.е. всего в два-три раза уступающих по разрешению AFM и STM, и позволяющих получать изображения 3D структур с перепадом рельефа в десятки и сотни нанометров.
Будем рассматривать единую ионно-оптиче-скую схему, т.е. FIB-систему, которая в аналитическом режиме регистрирует вторичную ионно-электронную эмиссию, а в технологическом режиме производит реактивное ионное травление твердых кристаллических мишеней ионами окислителей.
За величину разрешения технологической FIB-системы примем так называемую "полуширину"
(FWHM или full width on half maximum [5]) ямки травления на поверхности аморфной [6] или кристаллической мишени. За величину разрешения аналитической FIB-системы возьмем "полуширину" пятна на мишени, испускающего вторичные электроны.
Предположим, как обычно [7], что в случае осе-симметричного ионного зонда плотность тока вторичных электронов в пятне на мишени в аналитической FIB-системе, а также глубина ямки травления в технологической FIB-системе описываются гауссовыми функциями вида:
j (р) = const exp (-p2/2ct2ot). (1)
Здесь р - расстояние от оси зонда, ctot - дисперсия гауссового распределения. Как известно, величина полуширины FWHM связана с величиной дисперсии гауссового распределения ctot соотношением [5]:
FWHM = 2.35 ctot. (2)
Основные ошибки отображения, дающие вклад в величину полной ошибки ctot, имеют различную физическую природу. По этой причине можно предположить их статистическую независимость. В этом случае дисперсии ошибок складываются по квадратичному закону, как дисперсии независимых процессов, имеющих гауссово распределение вероятности [7]:
Ctot = V(°tar)2 + )2 + (°ab)2, (3)
где Ctar - ошибка, связанная с рассеянием первичных зондирующих и вторичных эмиттированных частиц в мишени, - радиус гауссового изображения источника на мишени, Cab - общая аберрационная ошибка ионно-оптической системы. Из квадратичной зависимости полной ошибки от парциальных ошибок и их независимости друг от друга следует, что минимум полной ошибки Ctot достигается при минимуме всех трех выделенных нами парциальных ошибок. Рассмотрим отдельно предпосылки их уменьшения.
I) В первую очередь учтем влияние на полное разрешение зондовой системы ограничений, накладываемых процессами, происходящими в мишени при взаимодействии ее с ионным пучком. Механизм этого влияния будет различным в случае аналитического и в случае технологического микроскопа.
А) Рассмотрим сначала случай аналитического микроскопа на медленных ионах гелия He+ и существующие предпосылки создания такого прибора.
Как известно [8, 9], гелий обладает самым большим из всех химических элементов первым потенциалом ионизации, равным 24.5 эВ. По этой причине при столкновениях с поверхностью твердых тел ион He+, обладающий сколь угодно малой
кинетической энергией, способен возбуждать потенциальную вторичную электронную эмиссию с коэффициентом выхода ~30%. При столкновении иона гелия с поверхностью чистых металлов порог возбуждения кинетической вторичной электронной эмиссии для большинства металлов выше 400 эВ [8]. Положим энергию ионов гелия на мишени Wi равной 300 эВ, чтобы иметь дело с чистой потенциальной эмиссией. Явление потенциальной вторичной электронной эмиссии с поверхности металлических образцов при облучении их медленными ионами He+ в настоящее время используется для получения новой информации о структуре поверхностных энергетических уровней в металлах [9]. Было бы заманчиво использовать его также и для изучения пространственной структуры металлических нанообъектов.
Согласно современным представлениям [9], механизм возбуждения ионом He+ вторичной потенциальной ионно-электронной эмиссии основывается на трехступенчатом процессе, изображенном схематично на рис. 1:
1) деформация под действием налетающего силового центра (иона He+) потенциального порога на границе металл-вакуум и превращение этого порога в потенциальный барьер;
2) туннельный переход электрона (1) из зоны проводимости металла через образовавшийся вакуумный потенциальный барьер на подлетающий силовой центр (He+) и образование возбужденного нейтрального атома He;
3) передача этого возбуждения электрону (2) из зоны проводимости и Оже переход электрона (2) из зоны проводимости в вакуум через область остаточного потенциального барьера.
Весь процесс испускания оже-электрона завершается до внедрения иона гелия под поверхность твердого тела. Таким образом, величина ctar в формуле (3) в случае аналитического FIB на медленных ионах гелия He+ - это радиус области излучения вторичных электронов потенциальной эмиссии, равный радиусу ÀRbd области деформации поверхностного потенциального порога металл-вакуум под действием потенциала налетающего силового центра (Не+) (см. рис. 16). Согласно [9],
ctar = ÀRbd ~ 0.25 нм.
Б) В качестве технологического FIB будем рассматривать FIB на медленных ионах кислорода ( O+ ), осуществляющий реактивное ионное травление (reactive ion etching или RIE) полированной алмазной мишени с целью получения на ней рельефа шаблона для наноимпринта (nanoim-print).
Как известно [10, 11], наноимпринт считается одной из самых перспективных технологий для коммерческого производства чипов с размерами
Рис. 1. Диаграмма в координатах {X, Щ, где x - расстояние вдоль оси X, перпендикулярной поверхности кристалла и проходящей через центр иона Не+, U - потенциал в вольтах, отсчитываемый от уровня вакуума (а). Картина эквипо-тенциалей на плоскости {X, Y}, где ось X прежняя, а ось Y проходит вдоль поверхности металла; по осям {X, Y} отложено расстояние в нанометрах, ЛЯьа - радиус области деформации поверхностного потенциального барьера металл-вакуум (б).
деталей в несколько десятков нанометров. Этот процесс состоит из четырех основных стадий:
а) получения прозрачного для УФ-излучения твердого шаблона-штампа (template),
б) получения оттиска с этого штампа в виде окон и канавок в тонком слое пластичного свето-отвердевающего органического резиста, нанесенного на полупроводниковую пластину,
в) фиксация полученного в резисте оттиска с помощью УФ-излучения, проходящего через полосу прозрачности материала штампа,
г) литографическая обработка полупроводниковой пластины сквозь окна в резисте.
В настоящее время шаблоны для наноимприн-та получают из полированных прозрачных в УФ-диапазоне пластин твердых, однородных материалов. При этом используется многоступенча-
Пробег,
100 200 300 400 500
Энергия, эВ
Рис. 2. Пробег и страгглинги при имплантации иона O+ в алмаз.
0
тый процесс электронной литографии и последующего реактивного травления пар
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.