Экспериментальные методы исследования и метрология Курск 2012

Экспериментальные методы исследования и метрология Курск 2012

Ван-дер-Ваальсово взаимодействие иглы и поверхности d~1Å 3

Кантилевер АСМ а) Размеры прямоугольного основания 1, 5 3, 5 0, 5 (мм) б) в) Размеры балки: ширина 0, 03 мм, длина 0, 1 0, 5 мм Радиус острия иглы промышл. кант. 5 -50 нм, лаборат. – от 1 нм Рис. 3 Кантилевер в сканирующем атомно-силовом микроскопе: а) – увеличение 1000 крат; б) – игла кантилевера после использования, увеличение 3000 крат; в) – Острие иглы кантилевера после использования, увеличение 50000 крат

Кантилевер на основе УНТ Кантилевер АСМ ЮЗГУ

Аппаратура для АСМ

Оптическая система регистрации положения кантилевера

Пьезосканеры и недостатки Нелинейность Гистерезис Крип (ползучесть) Температурный дрейф Дребезг

Разрешающая способность в контактном режиме

Метрологическое обеспечение наномасштабных измерений Передача единицы длины производится через масштабные (калибровочные) коэффициенты перемещения сканера. Связь с ними осуществляется через файлы параметров (PAR– файлы). Линейные меры АСМ и РЭМ

Определяемые параметры Два типа линейных мер: малые (атомарные) - кристаллические решётки монокристаллов большие (микронные) - рельефные периодические структуры Наиболее удобны шаговые структуры с трапециевидным профилем и большим углом наклона боковых стенок (МШПС). Получают анизотропным травлением канавок в монокристаллическом кремнии с ориентацией поверхности (100).

Периодическая структура - большое кол-во повторяющихся элементов (шагов). t – период N- число шагов ( 100 -10 000) t 1 нм ПС- калибровка по X и Y. Нельзя радиус острия зонда, ортогональность Z- сканера Шаговые структуры - небольшое кол-во повторяющихся элементов (шагов) <10. Качество хуже. Для точности производить много измерений. ШС - калибровка по X и Y. Нельзя радиус острия зонда, ортогональность Z- сканера Одиночные структуры - аттестуется ширина линии. Рельефные прямоугольные структуры (РПС). В АСМ не применимы.

Меры TGZ периодические шаговые структуры с прямоуг. профилем наном. диапазона Передача единицы длины 10 9 10 4 м (РЭМ, АСМ, СБОМ, СТМ)

Поверка АСМ мерой TGZ Сканирование осуществляют в 5 -ти областях (30 30 мкм) рабочего участка контактным или полуконт. методом Период меры определяют в каждой точке (Xi), где i = 1… 5 по спектру быстрого Фурье-преобразования изображения периодической структуры

Определение периода меры и высоты выступа TGZ Среднее значение периода: Случайная абсолютная погрешность с довер. : Среднеквадратическое отклонение: Относительная погрешность периода: Высоту выступа определяют в каждой точке (Zi) сканирования (10 10 мкм, где i = 1… 5) по спектру распределения высоты

Коэффициенты Стьюдента N – число измерений, - доверительная вероятность

Получение и характеристики рельефной шаговой структуры с большим наклоном боковых стенок МШПС-2. 0 К Передача единицы длины 10 9 10 4 м и калибровка (поверка) средств измерений линейных размеров РЭМ, АСМ, СБОМ, СТМ Схема меры Изображение РЭМ

Анизотропное травление канавок в монокристаллическом кремнии с ориентацией поверхности (100) сквозь окна в маске Изотропное травление Схема расположения кристаллографических плоскостей Анизотропное травление

Влияние дефектов маски

Калибровка АСМ с помощью МШПС-2. 0 К Схема сканирования с наклонным остриём зонда Несимметричный сигнал Симметричный сигнал

Схема получаемого АСМ-сигнала при сканировании МШПС 1. Цена деления шкалы вдоль оси сканирования Х при известном шаге структуры t 2. Цена деления вертикальной Z при известной высоте структуры h 3. Неортогональность Z-сканера (составляющая относительно оси Х)

5. Эффективный радиус острия зонда или

Метрологическое обеспечение электронного микроскопа Электронная микроскопия – универсальный инструмент исследования тонкой структуры материала Разрешающая способность – как основная характеристика микроскопии Для оптического микроскопа

2 Ускоряющее Длина волны, λ, нм (10 -12 м) напряжение, к. В Скорость, (108 м/с) 100 3. 7 1. 644 120 3. 35 1. 759 200 2. 51 2. 086 300 1. 97 2. 330 400 1. 64 2. 484 1000 0. 87 2. 823

Виды генерации процессов в массивном образце

Функциональная схема РЭМ

Виды генерации процессов в тонком образце

Виды получаемой информации

Тормозное (сплошное) рентгеновское излучение

Характеристическое рентгеновское излучение

Генерация оже-электронов

Пространственное разрешение

Спецификация РЭМ и ПЭМ РЭМ (SEM) Отражённые е– ПЭМ Вторичные е– Прямопрошедшие е– ПЭМ (ТEM) Прямопрошедшие е– Упругорассеянные е– Приставки АПЭМ ЭДС (EDS) СХПЭЭ (EЕLS) Энергодисперсионный спектрометр характеристического рентгеновского излучения Спектрометр характеристических потерь энергии электронов

ТИПИЧНЫЕ ЗАДАЧИ РЭМ: – проведение измерений геометрических параметров нанообъектов; – определение локального элементного состава, построение элементных карт (электронно-зондовый рентгеновский микроанализ, оже-спектроскопия); – определение границ кристаллических зерен (анализ картин дифракции обратнорассеянных электронов); – исследование зонной структуры и состава полупроводников (катодолюминесценция). ХАРАКТЕРИСТИКИ РЭМ: Разрешение определяется: диаметром электронного зонда; ускоряющим напряжением; током пучка; скоростью развертки (соотношение сигнал-шум).

Траектории электронов в ЭМ-линзах

Аберации электромагнитных линз 1) Сферическая аберрация Плоскость Гаусса f ~ Cs Коэфф. сфер. аберрации

2) Хроматическая аберрация ΔЕ ~ 25 э. В для ПЭМ Коэфф. хром. аберр.

3) Дифракционная аберрация

Угол обзора апертуры линзы на оптимальной дистанции Совокупное влияние аберраций

4) Астигматизм 43

Стигматор 44

Зависимость диаметра электронного зонда от угла его схождения, для 30 к. В. Разброс энергии - 1. 5 э. В, размер кроссовера – 20 нм, уменьшение колонны – 5 х

Диаметр зонда определяется: • Размером кроссовера dv : d g= d v / M (M - степень уменьшения электронной колонны) • Сферической аберрацией: ds = 2 Cs 3 • Хроматической аберрацией: dc = Cc d. V/V (Cs – коэффициент сферической аберрации, – угол схождения пучка на подложке) (Cc – коэффициент хроматической аберрации, d. V – разброс энергии электронов, V – ускоряющее напряжение) • Дифракцией электронов: = 0. 5/√V (нм) Теоретический диаметр пучка: dd= 0. 6 / (нм) d = (dg 2 + ds 2 + dc 2 + dd 2)1/2

Разрешение РЭМ Разрешение d. R определяется диаметром зонда dз = (dg 2 + ds 2 + dc 2 + dd 2)1/2 Диаметр зонда - диаметр диска, в котором сосредоточено 80 % всех электронов

Ток зонда в зависимости от диаметра зонда и ускоряющего напряжения

Глубина фокуса DF

Изменение глубины фокуса с изменением размера апертуры Сетка растра DF = 3 мкм DF = 12 мкм

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! КУРСК 2012