Введение к работе
Современные микро- и ианотехнологии требуют адекватных методов диагностического контроля качества микроструктур, топологически и композиционно неоднородных по глубине объекта на расстоянии в доли микрометра от поверхности. В частности, в оптоэлектронике, рентгеновской оптике, наноэлектронике существует потребность определения локальных свойств и характеристик трехмерных структур, причем преимущественно неразрушающими методами.
Одним из кардинальных средств диагностики на субмикронном уровне является сканирующая электронная микроскопия с ее нанометровым пространственным разрешением. В последние годы был разработан и многообещающий метод микротомографии в отраженных электронах, позволяющий неразрушающим образом визуализировать подповерхностные слои микроструктур. Однако до начала настоящей работы электронно-зондовая микротомография на базе сканирующей микроскопии была реализована лишь в режиме обратнорассеянных электронов, причем не были решены некоторые спорные вопросы получения качественных изображений и проблемы корректной трактовки их контраста, зависящего от средней энергии отраженных электронов. К тому же изучение характеристик энергии отраженных электронов представляет значительный физический интерес по следующим причинам. В электроннолучевых технологиях обработки материалов важно знать количество поглощенной энергии, а в электронной литографии - дозы экспонирования резистов. В аналитических методах наведенного тока и катодолюминесценции в количественных экспериментах также необходим учет поглощенной энергии, определяемой через отраженную энергию электронов. В электронно-зондовом рентгеновском микроанализе потери на ионизацию за счет обратнорассеянных электронов составляют предмет расчета корректирующего фактора. Из сказанного становится ясной важность определения средней энергии отраженных электронов, но до настоящего времени существовало лишь ограниченное число публикаций по расчету или измерению средней энергии электронов от массивных объектов. И вообще отсутствуют данные по определению средней энергии отраженных
электронов от слоистых микроструктур и от
тшбктричрлжих пбраздюв.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ
БИБЛИОТЕКА !
оз *у тИ)у\
Актуальность темы диссертационной работы обусловлена несовершенством современных методов в диагностической электроннс-зондовой микротомографии как в отраженных электронах, так и в катодолюминесценции, а также отсутствием математической модели, удовлетворительно объясняющей зависимости средней и наиболее вероятной энергии электронов, отраженных от однородных и от слоистых мишеней. С другой стороны такие методы в настоящее время все более востребованы в связи с бурным развитием пленочных технологий в микро- и наноэлектронике.
Целью и основными задачами работы являлась разработка новых методов электронно-зондовой микротомографии и использование их для исследования трехмерной структуры объектов микро- опто- и наноэлектроники. Одновременно решалась сопутствующая, но имеющая и значительный самостоятельный интерес задача - разработка теоретической модели зависимости средней энергии отраженных электронов от трехмерных микроструктур и ее сравнение с полученными экспериментальными данными.
Научная новизна настоящей работы, проведенной при основополагающем вкладе автора, состоит в следующем:
-
Получены основные закономерности средней энергии электронов. отраженных от однородных массивных мишеней, изучены особенности энергии отраженных электронов от слоистых (пленочных) систем. Теоретически и экспериментально установлен эффект аномального поведения средней энергии отраженных электронов для пленочных многослойных композиций.
-
Улучшены параметры и характеристики спектрометра отраженных электронов, что позволило разработать и применить новый модуляционный способ получения томографических изображений с повышенной чувствительностью и контрастом гетерограниц заглубленных микроструктур.
-
Теоретически обоснован и предложен новый метод электронно-зондовой микротомографии, распространенный на режим катодолюминесценции в растровой электронной микроскопии, который позволит исследовать
люминесцентные свойства материалов с повышенным на порядок
пространственным разрешением.
Практическая ценность работы заключается в значительном расширении диапазона возможностей сканирующей электронной микроскопии и микротомографии многослойных микроструктур, повышении локальности анализа трехмерных объектов микро- и наноэлектроники. Предложена и разработана новая экспериментальная методика повышения качества и контраста получаемых томографических снимков путем модуляции рабочего напряжения усовершенствованного спектрометра обратнорассеянных электронов. Обоснован и реализован оценочный метод нахождения толщин пленок в многослойных структурах по аномалиям экспериментальных спектров обратнорассеянных электронов. Предложенные методы могут найти применение во всех электронно-зондовых аналитических методах исследования микроструктур.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Закономерности и основные характеристики средней и наиболее вероятной энергий отраженных электронов от однородных массивных объектов в зависимости от параметров материала и условий облучения первичными электронами.
-
Особенности и аномальность характеристик средней энергии электронов, отраженных от слоистых микроструктур в зависимости от состава и параметров отдельных составляющих пленок, а также от энергии первичных электронов.
-
Модификация тороидального электростатического секторного энергоанализатора, адаптированного к сканирующему электронному микроскопу с целью детектирования спектра Оже- и вторичных электронов и повышения энергетического разрешения при томографических исследованиях в отраженных электронах.
-
Модуляционный способ повышения чувствительности и контраста изображений в микротомографических изображениях заглубленных микроструктур.
5. Принципы и физико-технические решения новою метода томографии в катодолюминесцентном режиме работы электронного микроскопа, в фотолюминесцентных и электролюминесцентных экспериментах. Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались на научных семинарах ИПТМ РАН и физического факультета МГУ
им .Ломоносова, а также на следующих конференциях:
-
XVIII Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка. 2000),
-
Международная научно-техническая конференция «Тонкие пленки и слоистые структуры» (Москва, 2002),
-
XIII Российский симпозиум по РЭМ (Черноголовка, 2003),
-
European Microscopy Congress (Antwerpen, 2004),
-
XX Российская конференция по электронной микроскопии (Черноголовка, 2004).
Публикации
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 20 работах (из них 13 статей в реферируемых журналах и 7 тезисов докладов на конференциях), список которых приводится в конце реферата.
Личное участие автора в выполнении работы
Автором выполнены расчеты по новой модели рассеяния электронов на пленочных структурах, сняты все энергетические спектры на массивных мишенях, на свободных пленках и на многослойных структурах. Автором собрана экспериментальная установка по модуляционной электронно-зондовой микротомографии и подтверждена эффективность предложенного метода.
Расчеты по оптимизации электронно-оптических характеристик тороидального спектрометра проводились совместно с к.ф.-м.н. Фрейнкманом Б.Г. и Вельским М.Д.
Автором разработано программное обеспечение и выполнены все численные расчеты томографического принципа в катодолюминесценции.
Структура я объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (выводов) и списка цитируемой литературы из 99 наименований. Работа содержит 133 страницы текста, 66 рисунков и 2 таблицы.
