Взаимодействие электронных и механических зондов с рельефной поверхностью в нанометровом диапазоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Шаронов, Виктор Анатольевич

• Шаронов, Виктор Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шаронов, Виктор Анатольевич

Введение.

Глава 1. Физические ограничения диапазона измерений линейных размеров (обзор литературы).

1.1. Формирование углеводородной пленки на поверхности образца в РЭМ;.

1.1.1. Электронно-стимулированная полимеризация углеводородной пленки. Зависимость сечения полимеризации от энергии электронов.-.

1.1.2. Роль поверхностной диффузии.при образовании контаминационной пленки.

1.2. Пространственное разрешение и эффективный диаметр зонда РЭМ.

1.3. Формирование видеосигнала РЭМ.

1.3.1. Трапециевидные структуры с большими углами наклона боковых стенок.

1.3.2. Трапециевидные структуры с малыми углами наклона боковых стенок.

1.4. Погрешность измерений наноструктурированных объектов и размер-электронного зонда. Г.

1.5. Различные подходы к измерениям нанообъектов с помощью РЭМ.

1.6. Изготовление мер.

1.7. Модели взаимодействия зонда АСМ с поверхностью рельефной структуры.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие электронных и механических зондов с рельефной поверхностью в нанометровом диапазоне»

Актуальность темы

Интенсивное развитие нанотехнологий в последние десятилетия обусловило значительный интерес к измерениям линейных размеров в нанодиапазоне (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 времени изучены мало. Количественные данные об этом процессе отсутствуют.

Альтернативный метод измерения линейных размеров — АСМ в диапазоне размеров менее 70 нм таюке 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 дополнительное1 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 интегральной;дозой, 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 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.

21 Наблюдаемое изменение размера рельефных элементов эталонных мер нанометрового 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-Г5 нм) до 70 нм.

4. Расстояния/ между точками излома на зависимости первой производной сигнала АСМ от пространственной координаты прямо пропорциональны радиусу острия кантилевера 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 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 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. XXIII 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.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Шаронов, Виктор Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы были экспериментально получены и проанализированы новые данные по физическим закономерностям при измерениях размерных параметров свободных и контаминированных нанорельефных поверхностей, выявлена природа погрешностей, которые содержатся в сигналах, регистрируемых средствами измерений^ (растровыми электронными и атомно-силовыми микроскопами), и определены способы уменьшения указанных погрешностей.

По результатам работы можно сделать следующие основные выводы:

1. Установлены закономерности электронно-стимулированного формирования углеводородной' контаминационной пленки на элементах рельефной структуры в зависимости от энергии, тока электронного пучка и кинетики набора дозы облучения. Изменение ширины верхнего основания элементов рельефной меры в результате контаминации для заданной дозы электронного облучения может увеличиться более чем на порядок в случае наличия пауз в облучении.

2. Образование контаминационной пленки значимо меняет размер рельефной структуры (от 2 нм за 12 облучений) как при паромаслянной откачке РЭМ, так и при использовании турбомолекулярного (ионного и т.п.) насосов.

3. Мера МШПС-2.0К допускает до 360 циклов поверки или калибровки РЭМ с использованием аттестованного значения проекции боковой стенки.

4. Разработан и экспериментально опробован метод измерения геометрических характеристик рельефной структуры нанометрового диапазона с помощью РЭМ вплоть до величин, соизмеримых с эффективным диаметром электронного пучка (экспериментально измерено до 14 нм).

5. Разработан и экспериментально опробован метод измерения верхних оснований рельефных структур нанометрового диапазона с помощью АСМ.

6. По результатам сравнений измерений элементов рельефной структуры в РЭМ и АСМ было показано, что результаты сходятся в пределах погрешностей, что подтвердило достоверность результатов, получаемых на этих приборах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шаронов, Виктор Анатольевич, 2011 год

1. Нанотехнологии, метрология, стандартизация в терминах и определениях. Под ред. М. Ковальчука и П.Тодуа, Техносфера, 2009.

2. Тодуа П.А. Измерительная техника. 2008, №5, С.5-10:

3. Тодуа П.А. Успехи современной радиоэлектроники. 2010, № 6, с. 56-62

4. Postek М.Т. J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 1994. V. 99. P. 641-671.

5. Растровая и электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. В 2-х книгах. Пер. с англ. М.: Мир, 1984.

6. Reimer L. Springer Series in Optical Sciences, 1998. Vol. 45, 2nd ed.

7. Филиппов M.H. Известия АН. Серия физическая. 1993. Т. 57. № 8. С. 165-171.

8. Muller К.Н. I. Optik 33 (3). 1971, pp.296-311 (in German).

9. Wall J.S. Scanning Electron Microscopy.1980Д, pp. 99-106.

10. Ларионов Ю.В., Митюхляев В.Б., Филиппов M.H. Поверхность, №9, c.53-64, 2008.

11. Новиков Ю.А., Раков A.B. Известия вузов. Электроника. 1998. № 4. С. 81-88.

12. Жданов Г.С. Поверхность. 1983, №1. С.65-72.

13. Ennos А.Е. Brit. J. Appl. Phys. 4 April, pp. 101-106 (1953).

14. Christy R.W. J. Appl. Phys. 31 (9), pp. 1680-1683 (1960).

15. Amman M., Sleight J.W., Lombardi D.R., Welser R.E., Deshpande M.R., Reed M.A., Guido L.J. J. Vac. Sei. Technol. B. 1996. Vol.14, №1, p.54-62.

16. Postek M.T. Scanning.1996. V.18, N 4. P. 269-274.

17. Miller D.E. Scanning Electron Microscopy. 1978/1, pp. 513-528.

18. Reimer L. New York, Springer. 1997. P.492.

19. Bauer B. und Speidel R. Optik 48 (2). 1977, pp. 237-246 (in German).

20. Ennos A.E. Brit. J. Appl. Phys. 5 (1). 1954, pp. 27-31.

21. Yoshimura N. and Oikawa H. Shinku (J. Vac. Soc. Japan) 13 (5). 1970, pp. 171-177 (in Japanese).

22. Bance U.R., Drummond I.W., Finbow D., Harden E.H., and Kenway P. Vacuum 28 (10/11). 1978, pp. 489-496.

23. Knox W.A. Ultramicroscopy 1.1976, pp. 175-180.

24. Kanaya K., Okayama S. J. Phys. D. 1972. V.5, N1. P.43-58.

25. Silvis-Cividjan N., Hagen C.W., Kruit P. J.Appl. Phys. 2005. V.98. P.084905-1-084905-12.

26. Жданов Г.С., Верцнер B.H. Докл. АН СССР. 1967. т. 176, с. 1040.

27. Vladar А.Е. Scanning, 1999. v.21, р.191-196.

28. Amman М., Sleight J.W. J.Vac.Sci. Technol. B. 1996, № 14(1), p. 54.

29. Fourie J.T. Optik 52 (5). 1978/79, pp. 421-426.

30. Fourie J.T. Scanning Electron Microscopy. 1979/П, pp.87-102.

31. Yoshimura N. Vacuum Technology. Practice for Scientific Instroments. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008, p. 198.

32. Pay Э.И., Савин Д.О., Спивак Г.В. Серия физическая. 1984. Т.48. №2. С.306-310.

33. Pay Э.И., Савин Д.О., Спивак Г.В. Автометрия, 1987, Ш, с.74-83.

34. Rau E.I. Scanning, 1988, v.10, p.207-209.

35. Hirsch P., Kaessens M., Puettmann M., Reimer L. Scanning 16.1994, p. 101.

36. Ennos A.E. Br. J. Appl. Phys. 5.1954, p. 27.

37. Leisegang S. Ueber Versuche in einer stark gekuehlten Objektpatrone, in: R.H. Lange, J. Bloedorn: Das Elektronenmikroskop, TEM+REM (Thieme,Stuttgart, 1981), p. 184.

38. Postek M.T. Scanning Microscopy. 1989. V. 3.14. P. 1087-1099.

39. Haessler-Grohne W., Bosse H. Meas. Sei. Technol. 1998. V. 9. P. 1120-1128.

40. Postek M.T., Vladar A.E. In "Handbook of Silicon Semiconductor Metrology". Ed. A.C.Diebold. Macel Dekker, Inc. New York Basel. P. 295-333.

41. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии / Пер. с англ. М.:Мир, 1985. 496 с.

42. Gornev E.S., Novikov Yu.A., Rakov A.V., Volk Ch.P. Preprint IOFAN No. 5. Moscow: General Phys. Inst., 2002. 56 p.

43. Новиков Ю.А., Раков A.B. Известия вузов. Электроника. 1998. № 4. С. 81-88.

44. Волк Ч.П., Горнев Е.С., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И., Прохоров A.M., Раков A.B. Микроэлектроника. 2002. Т. 31, № 4. С. 243-262.

45. Волк Ч.П., Горнев Е.С., Новиков Ю.А., Плотников Ю.И., Раков A.B., Тодуа П.А. Труды ИОФАН, том 62.

46. Новиков Ю.А., Раков A.B. Микроэлектроника. 1996. Т. 25. № 6. С. 417-425.

47. Новиков Ю.А., Раков A.B. Микроэлектроника. 1996. Т. 25. № 6. С. 426-435.

48. Novikov Yu. A., Gavrilenko V. P., Rakov A. V., Todua P. A. Proc. of SPIE, Vol. 7042, 704208-1 704208-12, (2008).

49. Новиков Ю.А., Озерин Ю.А., Плотников Ю.И. и др. В сб. Линейные измерения микрометрового и нанометрового диапазонов в микроэлектронике и нанотехнологии, Труды ИОФАН, Наука, 2006. с. 36-76.

50. Новиков Ю.А., Стеколин И.Ю. Труды ИОФАН. 1995. Т. 49. С. 41-65.

51. Волк Ч.П., Новиков Ю.А., Раков A.B. Измерительная техника. 2000. № 4. С. 48-52.

52. Волк Ч.П., Горнев Е.С., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И., Прохоров A.M., Раков A.B. Патент на изобретение № 2207503. 2003.

53. Волк Ч.П., Горнев Е.С., Календин В.В., Ларионов Ю.В., Морозов В.А., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Раков A.B., Черняков В.Н. Электронная промышленность. 2000. № 3. С. 6064.

54. Новиков Ю.А., Раков A.B. Измерительная техника. 1999. № 1. С. 14-18.

55. Бухараев A.A., Бердунов Н.В., Овчинников Д.В., Салихов K.M. Микроэлектроника. 1997. Т. 26. №3. С. 163-175.

56. Villarrubia J.S., Ritchie N.W.M., Lowney J.R. Proc. of SPIE. 2007, v.6518,65180Kl-14.

57. Li Y.G., Mao S.F., Ding Z.J. Part 4 in Applications in Monte-Carlo method in Science and Engineering, 2009. p.231-296.

58. Данилова M.A., Митюхляев В.Б., Новиков Ю.А. и др., Измерительная техника, 2008, №8, с.20-23.

59. Shattenburg M.L., Smith H.I. Proc. of SPIE. 2001, v.4608.

60. Новиков Ю.А., Пешехонов С.В., Стрижков И.Б. Труды ИОФАН. 1995. Т. 49. С. 20-40.62. .Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И., Раков A.B., Тодуа П.А. Труды ИОФАН. 2006. Т. 62. с. 36-76.

61. D.M.Eigler, E.K.Schweizer. Nature. 1990. pp. 344, 524.

62. Shanefield D. J., Kluwer. Academic Publ., Boston:

63. Binnig G., Quate C.F., Gerber Ch. Phys. Rev. Lett., 1986. v. 56, № 9, p. 930 933.

64. Ю.С.Бараш "Силы Ван-дер-Ваальса", M: "Наука", 1988, 344 с.

65. Saint Jean М., Hudlet S., Guthmann С., Berger J. J. Appl. Phys., 1999, v. 86 (9), p. 5245 -5248.

66. Matey J.R., Blanc J. J. Appl. Phys., 1985, v. 57, № 5, p. 1437 1444.

67. Миронов В. JI. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. // Российская академия наук, Институт физики микроструктур г. Нижний Новгород, 2004 г.

68. Арутюнов П.А., Толстихина А.Л. Микроэлектроника. 1997. Т. 26. № 6. С. 426-439.71. .Bykov V., Gologanov A., Shevyakov V. Appl. Phys. 1998. V. A66. P. 499-502.

69. Bykov V.A., Novikov Yu.A., Rakov A.V., Shikin S.M. Ultramicroscopy. 2003. V. 96. P. 175-180.

70. Арутюнов П. А., Толстихина А.Л. Микроэлектроника. 1999. Т. 28, № 6. С. 405-414

71. Раков A.B., Новиков Ю.А., Тодуа П.А. Измерительная техника. 2008, №5, С.13-15.

72. Nagase M., Namatsu H., Kurihara К., Iwadate К., Murase К. Jpn. J. Appl. Phys. 1995. V. 34. P. 3382-3387.

73. Горнев E.C., Новиков Ю.А., Плотников Ю.И., Раков A.B. Измерительная техника. 2001. № 1.С. 28-31.

74. ГОСТ 8.628-2007. Меры рельефные нанометрового диапазона. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и материалу изготовления. Москва, 2007.

75. Mueller К.Н. Optik 33,1971, 296.

76. Love G., Scott V.D., Dennis N.M.T., Laurenson L. Scanning 4,1981, 32.

77. Hren J.J. Barriers of AEM: contamination and etching, in: В. Jouffrey, С. Colliex (eds.): Electron Microscopy 1994, Paris, Vols. 1—5 (Les Editions de Physique, Les Ulis, 1994) p. 481.

78. Бронштейн И. M., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука 1969 -407 стр.

79. Postek М.Т. Proceeding of SPIE. 2002. V. 4608. P. 84-96.

80. Nyyssonen D.N., Postek M.T. Proceedings SPIE. 1985. V. 565. P. 180-186.

81. Postek M.T. J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 1994. V. 99. P. 641-671.

82. ГОСТ 8.594—2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые. Методика поверки».

83. Принят Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации — протокол № 36 от 11.11.2009 г.

84. Утвержден Госстандартом приказ № 58-ст от 05.04.2010 г. Дата введения — 2010-11-01.

85. ГОСТ 8.591—2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки».

86. Принят Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации — протокол № 36 от 11.11.2009 г.

87. Утвержден Госстандартом приказ № 55-ст от 05.04.2010 г. Дата введения — 2010-11-01.

88. ГОСТ 8.592-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления».

89. Принят Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации — протокол № 36 от 11.11.2009 г.

90. Утвержден Госстандартом приказ № 56-ст от 05.04.2010 г.

91. Дата введения — 2010-11-01.

92. Кузин А.Ю., Лахов В.М., Новиков Ю. А., Раков A.B., Тодуа П.А., Филиппов М.Н. Наноиндустрия. 2009. № 3. С. 2-5.

93. Гавриленко В.П., Лесновский E.H., Новиков Ю.А., Раков A.B., Тодуа П.А., Филиппов М.Н. Известия. Серия физическая. 2009. Т. 73. № 4. С. 454-462.

94. Kalendin V.V., Chernyakov V.N., Todua P.A., Zhelkovaev Zh. Proc. of the 9-th International Precision Engineering Seminar. Germany. 1997. P. 138-139.

95. Новиков Ю.А., Раков A.B., Стеколин И.Ю. Измерительная техника. 1995. № 2. С. 6466.