Способ количественной трехмерной реконструкции поверхности кремниевых микро- и наноструктур
METHOD FOR QUANTITATIVE THREE-DIMENSIONAL RECONSTRUCTION OF SILICON MICRO- AND NANOSTRUCTURES SURFACE

Изобретение относится к области растровой электронной микроскопии и может быть использовано для контроля размерных параметров в трех измерениях изделий микро- и наноэлектроники и микросистемной техники.
Растровый электронный микроскоп (РЭМ), обладающий высоким пространственным разрешением и большой глубиной фокуса, является наиболее часто используемым прибором для получения изображений поверхностей микро- и нанообъектов. Удобство эксплуатации РЭМ объясняется высокой скоростью получения изображений и широким диапазоном увеличений.
Однако сами по себе РЭМ-изображения являются двумерными и дают лишь качественную информацию о Z-координате, поскольку уровень видеосигнала для каждой точки изображения является сложной функцией композиционных и топографических особенностей поверхности образца, а также коэффициента сбора вторичных электронов. Тем не менее на практике часто бывает необходимым проведение трехмерной реконструкции объектов, в том числе кремниевых, с высоким аспектным соотношением, к которым относятся многие изделия микро- и наноэлектроники и микросистемной техники. При этом восстановление трехмерного профиля указанных объектов традиционными методами, например атомно-силовой микроскопией, может быть затруднительно.
Известен способ [1] количественной трехмерной реконструкции объектов по стереоизображениям, получаемым в растровом электронном микроскопе при наклоне столика объектов на углы ±Δϕ относительно его горизонтального положения. Данный способ использует принципы фотограмметрической обработки изображений, определяя перепад высот между двумя точками А и В (точка В находится в начале координат) на поверхности объекта на основании математических вычислений по формуле (при условии, что наклон столика объектов осуществляется вокруг оси X)
1
2
где индексы 1 и 2 относятся соответственно к Y-координатам точки А на 1-м изображении (при наклоне объекта на угол -Δϕ) и 2-м изображении (при наклоне объекта на угол +Δϕ), значение у-у - изменение расстояния вдоль оси Y между двумя точками А и В (так называемый параллакс) при наклоне объекта на угол 2Δϕ вокруг оси X.
Процесс фотограмметрической обработки стереоизображений (получаемых при наклоне объекта на углы +Δϕ и -Δϕ) включает несколько этапов:
- нахождение массива контрастных элементов для каждого из стереоизображений;
- определение массива пар гомологических точек, где внутри каждой пары гомологические точки, представляющие контрастные элементы из разных изображений, соответствуют одному местоположению на поверхности объекта;
- определение трехмерных координат точек поверхности исследуемого объекта в соответствии с формулой (1).
Данный способ обладает следующими недостатками, которые влияют на точность результатов количественной трехмерной реконструкции:
- не всегда удается выделить на поверхности исследуемого объекта достаточное множество контрастных элементов, которые можно однозначно идентифицировать на каждом из стереоизображений, при этом размытость указанных точек или их недостаточный контраст на фоне шумов видеосигнала (обуславливая погрешность идентификации гомологических точек) будут ухудшать показатели точности результатов количественной трехмерной реконструкции;
- дисторсия изображения в растровом электронном микроскопе, обусловленная конечным углом наклона объекта, приводящая к искажению двумерных координат, влияет на погрешность результатов трехмерной реконструкции;
- отклонение положения исследуемого объекта по высоте от стандартного в камере объектов РЭМ вносит дополнительную погрешность в результаты трехмерной реконструкции.
В патенте [2] изложен способ получения стереоизображений в РЭМ при неподвижном столике объектов посредством изменения угла, под которым электронный зонд падает на объект. Данное предложение может быть реализовано при введении дополнительных отклоняющих элементов в электронно-оптическую колонну, формирующих двойное отклонение электронного пучка, при этом место падения электронного зонда на образец должно оставаться неизменным. Хотя данное усовершенствование ускоряет процесс трехмерной реконструкции поверхности исследуемого объекта, но при этом ухудшается пространственное разрешение РЭМ из-за введения дополнительных отклоняющих элементов в колонну РЭМ, а значит, снижается точность результатов трехмерной реконструкции.
В способе трехмерной реконструкции поверхности объекта при помощи РЭМ, изложенном в патенте [3], предлагается использовать серию детекторов вторичной эмиссии, расположенных под разными углами по отношению к колонне РЭМ. При этом предполагается, что исследуемый объект может быть неоднородным по элементному составу, и чтобы компенсировать зависимость коэффициента выхода вторичных электронов от материала образца, вводятся корректирующие коэффициенты. Данные коэффициенты вычисляются в рамках заданной модели для плоских горизонтальных участков для каждого материала и впоследствии используются для определения локального наклона участка поверхности образца по сигналам с детекторов вторичной эмиссии. После интегрирования по всему образцу производится восстановление трехмерного профиля поверхности образца. Данный подход работает даже для гладких поверхностей, когда нет возможности выделить характерные детали (или точки) на поверхности исследуемого объекта, чтобы определить параллакс и произвести трехмерную реконструкцию поверхности. Но он имеет следующие недостатки:
- для рельефной поверхности наблюдаются эффекты переотражения электронов первичного пучка от соседних участков образца, что вносит дополнительную неучтенную погрешность в результаты трехмерной реконструкции поверхности;
- данный подход может быть применен только для объектов, для которых размеры характерных деталей элементов рельефа превышают значения размера области взаимодействия электронов пучка с образцом, то есть порядка 1 мкм, поэтому указанный подход не может быть применен для нанострутур.
Недостатки, присущие способу трехмерной реконструкции поверхности объекта в РЭМ, описанному в [1], частично решаются в патенте [4], который может быть выбран в качестве прототипа. В данном патенте реализован подход, основанный на использовании референтных образцов с известными геометрическими характеристиками поверхностного рельефа, что позволяет уменьшить погрешности измерений, связанные с конечным углом наклона объекта и его положением по высоте путем ведения поправочных коэффициентов. Данный способ включает получение стереоизображений исследуемого объекта при различных углах наклона столика объектов в растровом электронном микроскопе, фотограмметрическую обработку полученных изображений путем совмещения их характерных элементов и вычисления трехмерных координат точек поверхности, корректировке полученных данных с использованием поправочных коэффициентов и повторную фотограмметрическую обработку полученных изображений с восстановлением трехмерных координат точек поверхности исследуемого объекта.
Способ, описанный в [4], позволяет устранить составляющие систематической погрешности трехмерной реконструкции поверхности объектов в растровом электронном микроскопе, обусловленные астигматизмом при отклонении положения объекта по высоте и по углу от стандартного положения, при этом уменьшается время, затрачиваемое на проведение измерений. Однако данный способ не устраняет основной составляющей погрешности трехмерной реконструкции объектов, в том числе микро- и наноструктур, обусловленной погрешностью идентификации гомологических точек на стереоизображениях.
Задачей изобретения является повышение точности результатов трехмерной реконструкции поверхности кремниевых микро- и наноструктур по стереоизображениям, полученным в растровом электронном микроскопе.
Указанная задача решается путем применения предварительной обработки исследуемого объекта при помощи высокочастотного (ВЧ) разряда пониженного давления, причем мощность ВЧ разряда и продолжительность обработки устанавливаются достаточными для возникновения и визуализации в РЭМ морфологических особенностей нанометрового масштаба на поверхности исследуемого объекта. Указанные морфологические особенности проявляют себя как контрастные элементы на стереоизображениях и позволяют повысить точность идентификации гомологических точек и соответственно уменьшить погрешность результатов трехмерной реконструкции поверхности исследуемого объекта.
Под ВЧ разрядом обычно понимают используемый в практике диапазон частот 1÷100 МГц, при этом чаще всего используют частоту 13,56 МГц. Одним из важнейших параметров газовых разрядов является давление в разрядной камере. Пониженным давлением считается диапазон 0,01-1 Торр. В одном из устройств, реализующих вышеназванные условия, ВЧ-напряжение от генератора 13,56 МГц подается на плоские электроды, расположенные в откачиваемой разрядной камере, куда может напускаться через натекатель инертный газ (например, аргон), а давление контролируется и может изменяться в диапазоне 0,05-1 Торр. В таком устройстве линии электрического поля начинаются и заканчиваются на плоских электродах, а поле является с большей степенью точности потенциальным.
Свободные электроны внутри разрядной камеры в высокочастотном электромагнитном поле могут приобрести энергию, достаточную для возбуждения и ионизации молекул нейтрального газа. При большой напряженности поля процесс ионизации приобретает характер лавины, и газ переходит в состояние плазмы.
Любое тело, помещенное в ВЧ плазму пониженного давления, независимо от его проводящих свойств становится дополнительным электродом, а в его окрестности образуется слой положительного заряда (СПЗ), аналогичный приэлектродным слоям ВЧ разряда. В результате выпрямления ВЧ электрического поля на нелинейном сопротивлении СПЗ тело приобретает относительно плазмы потенциал, который зависит от подводимой к плазме мощности и может достигать 100 В. Проходя сквозь слой положительного заряда и ускоряясь в его электрическом поле, положительные ионы приобретают энергию от 10 до 100 эВ. При столкновении с поверхностью ионы передают приобретенную кинетическую энергию атомам приповерхностного слоя твердого тела. При этом более 90% энергии бомбардирующего иона трансформируется в тепловые колебания атомов материала.
Пороговая энергия распыления атомов для большинства материалов лежит в диапазоне 13-33 эВ [5]. При увеличении мощности ВЧ разряда возрастает доля ионов плазмы, имеющих энергию, достаточную для распыления адсорбированных частиц и атомов материала с поверхности и разупорядочения структуры приповерхностных слоев. В этом случае на поверхности твердого тела возникает характерный нанорельеф, обусловленный процессами распыления. Пример такого нанорельефа представлен для алюминиевой фольги в [6].
РЭМ-изображение кремниевой рельефной структуры с элементом рельефа трапецеидальной формы после обработки в плазме ВЧ-разряда 13,56 МГц пониженного давления представлено на фиг. 1. Исходная кремниевая рельефная структура образована кристаллографическими плоскостями (100) и {111}, в пределах которых практически отсутствуют контрастные элементы (неоднородности изображения) ввиду высокой степени совершенства самой структуры. Представленное на фиг. 1 РЭМ-изображение указанной структуры после обработки свидетельствует об образовании морфологических особенностей нанометрового масштаба (средним размером порядка 10 нм) на поверхности структуры. Мощность ВЧ-разряда составила 38 Вт, давление в разрядной камере - 150 мТорр, продолжительность обработки - 20 минут. Трехмерная реконструкция указанной структуры на основании принципов фотограмметрической обработки изображений, полученных при углах наклона ±5° до и после плазменной обработки, проводилась с использованием программного обеспечения МеХ фирмы Аliсоnа (Австрия). Исследуемая рельефная структура характеризуется высотой профиля Н=545 нм, определенной по данным измерений методом атомно-силовой микроскопии. Значения высоты профиля по данным трехмерной реконструкции составили 576 нм и 543 нм для исходной структуры и обработанной в ВЧ разряде пониженного давления соответственно. Таким образом, плазменная обработка кремниевой структуры при помощи ВЧ разряда пониженного давления приводит к повышению точности результатов трехмерной реконструкции.
Литература
1. Piazzesi G. Photogrammetry with the scanning electron microscope // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1973. V. 6. №4. PP. 392-396.
2. G.F. Lorusso, R.A. Watts, A.J. Gubbens, L.S. Hordon. SEM Profile and Surface Reconstruction using multiple data sets. US Patent №US 6930308 B1.
3. I. Schwarzband, Y. Weinberg. Three-dimensional mapping using scanning electron microscope images. US Patent №US 8604427 B2.
4. N. Kochi, H. Koike, Y. Tsuruga, S. Okada. Electron beam system and electron beam measuring and observing methods. US Patent №US 7151258 B2
5. P. Бериш. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. М., Мир, 1984, 336 с.
6. И.Ш. Абдуллин, B.C. Желтухин, И.Р. Сагбиев, М.Ф. Шаехов. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления. Казан. гос. технол. ун-т. Казань, 2007, с. 339.