Содержание
Введение....................................................... 3
Глава 1. Физические ограничения диапазона измерений линейных размеров (обзор литературы).................................... 9
1.1. Формирование углеводородной пленки на поверхности образца в РЭМ...................................................... 10
1.1.1. Электронно-стимулированная полимеризация углеводородной пленки. Зависимость сечения полимеризации от энергии электронов................................................ 12
1.1.2. Роль поверхностной диффузии при образовании контаминациошюй пленки............................................. 15
1.2. Пространственное разрешение и эффективный диаметр
зонда РЭМ.......................................................... 17
1.3. Формирование видеосигнала РЭМ........................... 20
1.3.1. Трапециевидные структуры с большими углами
наклона боковых стенок............................................. 23
1.3.2. Трапециевидные структуры с малыми углами наклона боковых стенок..................................................... 25
1.4. Погрешность измерений наноструктурированных
объектов и размер электронного зонда...... Г....................... 26
1.5. Различные подходы к измерениям нанообъектов с
помощью РЭМ........................................................ 28
1.6. Изготовление мер........................................ 32
1.7. Модели взаимодействия зонда АСМ с поверхностью
рельефной структуры................................................ 35
Заключение к главе 1............................................... 49
Глава 2. Кинетика электронно-стимулированного формирования углеводородной пленки на поверхности образца в растровой электронной микроскопии............................................ 50
2.1. Формирование углеводородной пленки на поверхности рельефной структуры................................................ 50
2.1.1. Условия эксперимента.................................. 50
2.1.2. Формирование углеводородной пленки при энергии электронов зонда 20 кэВ............................................ 53
2; 1.2.1. Прерывистый режим облучения........................ 55
2.1.2.2. Анализ полученных результатов....................... 58
2.1.3. Формирование углеводородной пленки при энергии электронов зонда 1 кэВ............................................. 62
2.2. Влияние контаминации на калибровку РЭМ.................. 67
2.2.1. Влияние контаминации на определение масштабного коэффициента видеоизображения...................................... 68
2.2.2. Влияние контаминации на результат измерения эффективного диаметра электронного зонда........................... 68
2.3. Рекомендации по применению эталонных мер в
2
растровой электронной микроскопии................................... 69
Заключение к главе 2................................................ 71
Глава 3. Разработка метода измерения размеров элементов
нанорельефа тестовой структуры на поверхности кремния с
помощью РЭМ......................................................... 72
3.1. Линейная модель зависимости расстояний между характерными точками видеосигнала от эффективного диаметра электронного зонда............................................. 73
3.2. Экспериментальная проверка основных допущений
можели измерений............................................... 74
3.2.1. Условия эксперимента................................... 74
3.2.2. Объекты измерений...................................... 75
3.2.3. Зависимость расстояния между характерными точками видеосигнала от эффективного диаметра зонда.................... 77
3.3. Ограничения метода измерений линейных размеров на
основе дефокусировки электронного зонда......................................... 84
Заключение к главе 3........................................... 92
Глава 4. Метод измерения верхних оснований рельефных структур наномегрового диапазона с помощью АСМ.......................... 92
4.1. Определение размеров элемента нанорельефа и радиуса острия кантилевера с использованием первой производной видеосигнала АСМ............................................... 93
4.2. Экспериментальное определение параметров образца и кантилевера с использованием производной видеосигнала АСМ 95
4.3. Источники погрешности результата измерений с
использованием дифференцирования сигнала АСМ................... 97
Заключение к главе 4.............................................. 106
Заключение......................................................... 107
Список литературы.................................................. 110
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Интенсивное развитие нанотехнологий в последние десятилетия обусловило значительный интерес к измерениям линейных размеров в нанодиапазоие (1-100 нм) [1]. Наиболее универсальными приборами, в принципе позволяющими проводить такие измерения, являются растровый электронный микроскоп (РЭМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ) [2-3]. Создание специальных, тест-объектов - рельефных структур с аттестованными геометрическими параметрами нанорельефа, позволяет проводить калибровку и РЭМ, и АСМ, превратив их тем самым в средства измерений линейных размеров в нанодиапазоне.
Детальные исследования метрологических характеристик линейных измерений в нанометровом диапазоне показали, что в области размеров менее 70 нм возникают существенные трудности [4]. В этом диапазоне размеров эффективный диаметр электронного зонда РЭМ, радиус острия кантилевера АСМ становятся сопоставимыми с размерами элементов микрорельефа. Это не позволяет использовать простейшие геометрические модели формирования информативных сигналов при взаимодействии электронных и механических зондов с рельефной поверхностью. Так, в частности, на видеосигнале РЭМ становятся, неразличимыми характерные изломы и горизонтальные участки, наличие которых необходимо для использования традиционных методов измерения, базирующихся на простейшей геометрической модели и ограниченных условием малости эффективного диаметра зонда по сравнению с размерами элементов нанорельефа. Кроме того, в этом диапазоне размеров становится значимым изменение со временем аттестованных геометрических параметров рельефных структур при их многократном использовании для калибровки РЭМ. Однако закономерности этого процесса, в частности в условиях так называемого «чистого вакуума» (безмасляная откачка) до настоящего
4
времени изучены мало. Количественные данные об этом процессе отсутствуют.
Альтернативный метод измерения линейных размеров - АСМ в диапазоне размеров менее 70 нм также ограничен отсутствием данных о реальном (в данном эксперименте) размере острия кантилевера. Предварительное измерение этого параметра АСМ не решает проблемы, поскольку в этом диапазоне значимым является изменение формы острия кантилевера в ходе эксперимента.
Для расширения диапазона измерений РЭМ и АСМ в область малых размеров необходимо дополнительное исследование специфики взаимодействия электронных и механических зондов в условиях сопоставимости эффективного диаметра электронного зонда и радиуса острия кантилевера с размерами элементов рельефа исследуемых структур.
Цель диссертационной работы
Целью работы являлось изучение специфики взаимодействия электронных и механических зондов с нанорельефом поверхности твердого тела и разработка адекватных методов измерения геометрических параметров элементов рельефа с размерами менее 70 нм с использованием РЭМ и АСМ.
Для достижения этой цели должны быть решены следующие задачи:
исследованы закономерности электронно-стимулированного формирования углеводородной пленки на поверхности рельефных структур с размерами элементов в нанометровом диапазоне, в частности в условиях безмасляной откачки, применяемой в современных РЭМ высокого разрешения;
-изучены информативные возможности видеосигнала РЭМ в. условиях сопоставимости эффективного диаметра электронного зонда с размерами элементов рельефных структур, разработан метод измерений этих размеров и установлены действительные значения неопределенности результатов таких измерений;
- изучены информативные возможности сигнала АСМ в условиях сопоставимости радиуса острия кантилевера с размерами элементов рельефных структур, разработан метод измерений этих размеров и установлены действительные значения неопределенности результатов таких измерений.
Новизна результатов
Научная новизна работы заключается в следующем:
- впервые установлены закономерности электронно-стимулированного образования углеводородной пленки на поверхности элементов рельефных структур с нанометровыми размерами элементов в условиях «чистого вакуума» (безмасляная откачка). РЭМ. Показано, что толщина и латеральные размеры пленки в условиях «чистого вакуума» определяются кинетикой электронного облучения, а не интегральнойдозой, как считалось ранее;
- разработан новый метод измерения геометрических параметров. рельефных структур с помощью РЭМ, диапазон измерений этого метода снизу ограничен только эффективным диаметром электронного зонда;
- разработан новый метод измерения верхних оснований выступов рельефных структур с помощью АСМ; основанный на измерении расстояний между точками излома зависимости первой производной от координаты, позволяющий в одном эксперименте определять как радиус острия кантилевера, так и размер верхнего основания симметричного выступа рельефной структуры.
Научные положения, выносимые на защиту
1. В условиях «чистого вакуума» (безмасляная откачка) толщина и латеральные размеры углеводородной пленки, формирующейся под действием электронного облучения РЭМ на поверхности рельефной структуры с нанометровыми размерами элементов рельефа, определяются
6
кинетикой набора дозы облучения, а не ее интегральным значением. Это свидетельствует о доминирующей роли поверхностной диффузии молекул углеводородов от необлученных участков к облученным как источника вещества для образования пленки.
2. Наблюдаемое изменение размера рельефных элементов эталонных мер манометрового диапазона при их многократном использовании в РЭМ, обусловлено селективным ростом пленки углеводородных загрязнений под воздействием электронного облучения;
3. Расстояние между максимумами видеосигнала РЭМ в режиме вторичной электронной- эмиссии от трапецеидального выступа рельефной структуры с размерами выступа в нанометровом диапазоне является линейной функцией эффективного диаметра электронного зонда со свободным членом, равным; ширине верхнего выступа. Экстраполяция экспериментальной зависимости этого расстояния от эффективного диаметра-электронного зонда к нулевому значению эффективного диаметра позволяет проводить измерения верхнего основания выступа в диапазоне, в котором невозможно применение традиционного метода с использованием контрольных отрезков - от значения эффективного диаметра сфокусированного электронного зонда РЭМ-(8-15 нм) до 70 нм;
4. Расстояния г между точками излома на зависимости первой производной сигнала АСМ от пространственной координаты прямо пропорциональны радиусу острия кантилевсра и размеру верхнего основания трапецеидального выступа рельефной структуры. Это позволяет по данным одного измерения определить как радиус острия кантилевера, так и размер верхнего основания выступа.
Практическая значимость
В результате проведенных исследований, было выяснено, что эффект электронно-стимулированного формирования углеводородной пленки значимо изменяет размеры аттестованных тест-объектов для калибровки РЭМ даже в условиях «чистого вакуума». При этом срок службы эталонной меры
7
определяется не общей набранной дозой облучения, а числом проведённых измерений . В частности, на примере эталонной рельефной меры МШПС 2.0К показано, что максимальное число отдельных измерений в этих условиях составляет 360.
На основе исследования информативных возможностей видеосигналов в РЭМ и АСМ в условиях сопоставимости диаметра электронного зонда и радиуса острия кантилевера удалось снизить границу диапазона-измерений с 70 нм для традиционного способа с использованием контрольных отрезков до величины 10-15 нм, лимитируемой эффективным диаметром электронного зонда или реальным радиусом острия кантилевера.
Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы применены для определения срока службы эталонной меры МШПС 2.0К. Разработанный метод дефокусировки зонда в РЭМ и метод определения размера верхнего основания по зависимости производной сигнала АСМ от координаты использован для калибровки и поверки микроскопов в Научно-исследовательском центре по изучению свойств поверхности и вакуума и в Центре коллективного пользования Московского физико-технического института. Также данные по сличению и установлению действительных значений неопределенностей измерений на РЭМ и АСМ используются ведущими российскими метрологическими организациями, занимающиеся измерениями в субмикронном и нанометровом диапазонах (ВНИИМС, ВНИОФИ, НИЦПВ).
Апробация работы
Результаты диссертации опубликованы в статье в журнале, входящем в «Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы научные результаты диссертаций на соискание ученых
8
степеней доктора и кандидата наук» ВАК Минобрнауки РФ, статье в иностранном журнале, а также доложены на следующих конференциях:
1. International conference «Micro- and nanoelectronics - 2007» (ICMNE -2007), 2007, Moscow - Zvenigorod, Russia.
2. 50-я научная конференция МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: Часть V. Физическая и квантовая электроника, Москва-Долгопрудный, 2007.
3. Молодежная научная конференция «Физика и Прогресс» 14-16 ноября 2007г., Санкт-Петербург, 2007.
4. ХХШ Российская конференция по электронной микроскопии. Черноголовка 31 мая - 4 июня 2010 г.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка цитированной литературы. Работа содержит 114 страниц, 60 рисунков, 8 таблиц.
9
- Київ+380960830922