Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИЧЕСКОЙ И КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
КАФЕДРА НАНОМЕТРОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛОВ
УДК 539.25
ОТЧЁТ ПО НИР
на тему:
РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ
ШАГОВЫХ РЕЛЬЕФНЫХ СТРУКТУР
Долгопрудный 2014
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Руководитель темы,
м.н.с
___________________________ Е.В. Коростылев
подпись, дата
Исполнители темы
____________________________ Д.В. Додонов
подпись, дата
____________________________ А.А. Сапегин
подпись, дата
2
Реферат
Отчет 16 с., 1 ч., 11 рис, 4 табл.
РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ, ВТОРИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ
ЭМИССИЯ, МЕТОД ДЕФОКУСИРОВКИ, ШАГОВЫЕ РЕЛЬЕФНЫЕ СТРУКТУРЫ,
JSM-7001F.
Объектом исследования является объект с шаговой рельефной структурой
с
известным шагом.
Цель работы — изучение методов работы растрового электронного микроскопа,
получение
навыков
анализа
и
обработки
данных,
определение
масштабного
коэффициента при различных параметрах микроскопа, измерение ширины выступа
методом дефокусировки и сравнение её с шириной, измеренной в [1].
В работе использовался микроскоп JSM-7001F, с помощью которого были
получены видеоизображения исследуемых периодических структур.
В результате работы измерены масштабные коэффициенты и ширина выступа.
3
Содержание
Обозначения .....................................................................................................5 стр.
Основная часть ..................................................................................................6 стр.
Выводы ..............................................................................................................15 стр.
Список используемых источников...................................................................16 стр.
4
Обозначения и сокращения
РЭМ – растровый электронный микроскоп
ВМЭ – вторичные медленные электроны
WD – working distance, рабочее расстояние
УН – ускоряющее напряжение
5
Основная часть
1. Оборудование
В работе использовался микроскоп JSM-7001F (Рисунок 1). Диапазон увеличений
микроскопа от x10 до x1000000.
Рисунок 1 – Микроскоп JSM-7001F
6
Принципиальная схема микроскопа представлена на Рисунке
2.
Тонкий
электронный зонд генерируется электронной пушкой (катод Шоттки) и фокусируется
электронными линзами (электромагнитами). Сканирующие катушки отклоняют зонд в
двух взаимно перпендикулярных направлениях, сканируя поверхность образца зондом. В
результате взаимодействия между электронным зондом и образцом генерируются ВМЭ,
которые собираются детектором вторичных электронов. Интенсивность электрического
сигнала детектора зависит как от природы, так и от топографии образца в области
взаимодействия. Таким образом, сканируя электронным пучком поверхность объекта,
можно получить карту рельефа проанализированной зоны [2].
Рисунок 2 – Схема РЭМ
7
2. Исследуемый образец
В работе исследуется образец, состоящий из шаговых структур известного шага
(Рисунок 3).
Рисунок 3 – Общий вид образца (x900)
3. Ход работы
При анализе полученных изображений использовалась функция Plot Profile в
программе ImageJ 1.45s для построения зависимости уровня яркости от пикселей вдоль
горизонтального отрезка.
Сначала фотографии выравнивались (поворачивались). Критерий выравнивания:
рассматривалось две строки – 50-ая и 900-ая (отступ от нижней границы информативной
части изображения ~ 50 строк); затем поворотом изображения добивались совпадения
горизонтальных координат первого максимума яркости для обеих строк. С целью
уменьшения отношения сигнал/шум проводилось суммирование кривых видеосигнала по
10-15 строкам видеоизображения. При этом координаты последних максимумов вдоль
этих же строк тоже получались одинаковые.
8
Затем строилась зависимость уровня яркости, усреднённого по 850 строкам
(Рисунок 4), от пикселей (Рисунок 5). Шаг T определялся как расстояние в пикселях
между N максимумами, делённое на N-1.
Рисунок 4– Изображение образца (x4000, УН = 30 кВ)
Рисунок 5 – Зависимость яркости от координаты
9
Используя шаг образца, измеренный на РЭМ FEI Quanta 200 (T=2,99±0,01 мкм) [1],
можно получить масштабный коэффициент для РЭМ JSM-7001F при разных УН и WD.
Масштабный коэффициент m, нормированный на заводское значение mзав=23.81
нм/пиксель, при фиксированном УН = 30 кВ монотонно убывает до WD = 10 мм и после
WD = 10 мм. В точке WD =10 мм наблюдается скачок (Таблица 1, Рисунок 6).
Погрешность была оценена как
ошибки определения шага на РЭМ FEI Quanta 200 в
силу схожести условий и методов измерений.
Таблица – 1
WD, мм
6.5
9.5
10.5
15
20
m/mзав
0.966±0.005
0.942±0.005
1.008±0.005
0.979±0.005
0.958±0.005
Рисунок 6 – Зависимость m от WD
10
В таблице 2 представлены значения масштабного коэффициента m для WD=6.5 мм при
различных УН. Наблюдается немонотонная зависимость m от УН (Рисунок 7).
Таблица – 2
УН, кВ
m/mзав
30
0.966±0.005
25
0.961±0.005
20
0.957±0.005
15
0.958±0.005
Рисунок 7 – Зависимость m от УН
11
10
0.977±0.005
4. Метод дефокусировки
При разных значениях фокусного расстояния (диаметра зонда) проводилось
измерение в пикселях длины контрольного отрезка
, характеризующего размеры
нижнего основания элемента (Рисунок 8) [3]. D (диаметр электронного зонда) определялся
по разности координат между точкой максимума кривой видеосигнала и точкой
пересечения прямой, проходящей вдоль крыла линии сигнала со средним уровнем фона
(Рисунок 9). Строилась зависимость
от D и экстраполировалась до значения D=0.
давало значение ширины выступа. Результаты обработки представлены на рисунке 10.
Рисунок 8 – Принципиальная схема видеосигнала и обозначения ее параметров
Рисунок 9 – Зависимость яркости от координаты (для отдельного выступа)
12
(0)
Рисунок 10 – Зависимость Gp от D
Таким образом, значение ширины выступа составило:
H = 831±10 нм
Погрешность рассчитывалась по формуле:
√
где
– итоговая погрешность,
– погрешность измерения D (
,
– погрешность измерения
пикселей),
пикселей),
– среднеквадратичная погрешность
аппроксимации графика линейной функцией y=b*x+a (0,5 пикселей).
13
(
Значения ширины выступа, полученные на FEI Quanta 200 (864±11 нм) [1] и JSM7001F (843±10 нм), оказались различными. Возможной причиной является крайне
несимметричное положение образца в FEI Quanta 200 относительно детектора ВМЭ, что
привело к искривлению профиля шаговой структуры (Рисунок 11). Следовательно,
применение метода дефокусировки, базирующегося на обработке симметричных
профилей [3], было неправомерно и привело к ошибке.
Рисунок 11—Зависимость яркости от координаты [1]
14
Выводы:
В ходе работы:
1.
Изучены методы работы растрового электронного микроскопа;
2.
Получены навыки работы с микроскопом JSM-7001F;
3.
Рассчитаны масштабные коэффициенты при разных УН и WD;
Таблица – 3
WD, мм
6.5
9.5
10.5
15
20
m/mзав
0.966±0.005
0.942±0.005
1.008±0.005
0.979±0.005
0.958±0.005
30
25
20
15
10
Таблица – 4
УН, кВ
m/mзав
4.
0.966±0.005
0.961±0.005
0.957±0.005
0.958±0.005
0.977±0.005
Методом дефокусировки измерена ширина выступа H = 831±10 нм.
15
Список используемых источников
1 Е.В. Коростылев, А.А. Сапегин, Д.В. Додонов. Отчет о лабораторной работе по теме:
растровая электронная микроскопия. М. (2014). 14 с.
2 А.В. Заблоцкий, Е.В. Коростылев, А.А. Кузьмин, М.Н. Филиппов. Измерение размерных
параметров методами растровой электронной микроскопии. М. (2011). 133 с.
3 К. А. Валиев, П. А. Тодуа, М. Н. Филиппов. Измерение линейных размеров кремниевых
элементов нанорельефа с профилем, близким к прямоугольному, методом дефокусировки
электронного зонда РЭМ. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 6, с. 1–7.
16
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв