Лабораторная работа 2 Исследование и диагностика наноразмерных структур сбис методами растровой электронной микроскопии

Цель работы: знакомство с методиками исследования наноразмерных структур СБИС методами растровой электронной микроскопии.

Продолжительность работы: 4 часа.

Приборы и принадлежности: растровый электронный микроскоп

Philips XL 40, образцы структур СБИС.

Назначение и характеристики растрового электронного микроскопа

Растровый электронный микроскоп (РЭМ) Philips XL 40 предназначен для проведения научных и прикладных исследований твердотельных образцов, включая наноструктурированные материалы и нанообъекты. Данный прибор позволяет проводить количественный морфологический анализ поверхности образца и измерение линейных размеров элементов структур в диапазоне 0.02–10000 мкм с относительной погрешностью 5 %.

Микроскоп Philips XL 40 дает возможность:

• получать изображения структуры образцов с разрешением до 3,5 нм для катода из гексоборида лантана и до 4 нм для вольфрамового катода при ускоряющем напряжении 30 кВ;

• производить регистрацию изображений в диапазоне увеличений от 5 до 500000 раз;

• проводить качественный и количественный рентгеновский микроанализ материалов.

Основные блоки и узлы растрового электронного микроскопа

На рисунке 1 показан внешний вид растрового электронного микроскопа.

Рисунок 1. РЭМ Philips XL 40

Растровый электронный микроскоп состоит из следующих узлов и блоков:

1 – рабочая камера;

2 – электронная колонна;

3 – электронная пушка;

4 – ионно-геттерный насос;

5 – охладитель детектора рентгеновского излучения;

6 – детектор рентгеновского излучения;

7 – детектор вторичных электронов;

8 – видеокамера;

9 – устройство наклона рабочего столика;

10 – стол на амортизирующей подвеске;

11 – тумба для размещения диффузионного насоса и системы подвески;

12 – стойка для размещения электронных блоков;

13 – рабочий стол;

14 – управляющий компьютер;

15 – основной монитор;

16 – фотопринтер;

17 –монитор, отображающий ход автоматизированной съемки серий изображений;

18 – компьютер, управляющий процессом автоматизированной съемки;

19 – блок управления предметным столиком проведения автоматизированной съемки;

20 – клавиатура управляющего компьютера электронного микроскопа;

21 – компьютерная мышь для управления функциями микроскопа;

22 – пульт управления предметным столиком для автоматизированной съемки серий изображений;

23 – панель питания

Органы управления и порядок работы на рэм Philips xl 40

Для включения микроскопа нужно выполнить следующие действия

1. Включить питание устройства водяного охлаждения (находится в соседней комнате).

2. Проверить показание индикатора температуры на термостате. Если оно не соответствует величине 20С, то необходимо выставить нужное значение, управляя нажатием кнопок Set/Meas и Down или Up, расположенным на панели устройства водяного охлаждения, после чего повторно нажать на кнопку Set/Meas.

3. Включить питание на распределительном щитке, после включения должна загореться кнопка On на панели микроскопа.

4. Нажать кнопку On на панели микроскопа (загораются кнопки Off и Stand-by).

5. Включить питание компьютера (кнопка Power на системном блоке) и дождаться загрузки системы.

6. В меню Start\Programs\XL Service запустить приложение Server. При этом включатся механический и диффузионный насосы. Рабочая камера в нерабочем состоянии должна быть под вакуумом, но для начала работы диффузионный насос должен быть разогретым и вакуум в рабочей камере должен быть не хуже 10^-3 Па (для вольфрамового катода). Для разогрева диффузионного насоса нужно не менее 20 минут. За это время рабочая камера должна откачаться до появления индикации Vac OK на вкладке Vacuum (рис. 4б).

7. Запустить приложение Microscope Control (рис. 2), находящееся в меню Start\Programs\XL Service.

8. Включить высокое напряжение, нажав на соответствующую кнопку на панели питания микроскопа, выставить необходимое значение ускоряющего напряжения (25 кВ) с помощью опции Beam (рис. 3а) и нажать кнопку HT (рис. 4а).

9. Поставить галочку в клетке XOver для вывода на экран изображения электронного пучка (рис. 4а).

10. Установить значения контрастности и яркости детектора на 40-50.

11. Произвести настройку электронного пучка, наблюдая за появлением светлого пятна на экране (рис. 2) и постепенно увеличивая ток накала нажатием на кнопку со стрелкой направленной вправо (рис. 4а) со скоростью одно нажатие в секунду. Увеличивать ток накала надо до тех пор, пока с его увеличением яркость пятна не перестанет увеличиваться, а размер уменьшаться. Когда наиболее ярким станет центр пятна, а его размер перестанет уменьшаться, пучок можно считать настроенным. Если пятно находится не в центре креста, необходимо сместить его в центр. Для этого следует навести указатель мыши на поле Gun Tilt (рис. 4а) и, смещая мышь при удерживаемой левой кнопке, сместить пучок в нужном направлении. Для изменения параметров пучка используется опция Beam; яркость и контрастность регулируются с помощью опции Video (рис. 2).

12. Щелкнуть мышкой по клетке XOver для вывода на экран изображения образца или столика, если образец не установлен.

Для управления микроскопом используются следующие опции и органы управления.

1. Меню Detectors (рис. 3б) служит для выбора детектора, с которого будет поступать изображение на экран. SE – режим вторичных электронов, CCD – режим видеокамеры.

2. Передвижение столика с образцом может осуществляться несколькими способами. Кнопка Get включает режим, при котором место двойного щелчка мышью на изображении выставляется по центру экрана. Кнопка Track используется для непрерывного передвижения образца в нужном направлении. При этом нажатие этой кнопки выводит на экран появляется изображение двух концентрических окружностей. Внутри меньшей из них можно плавно менять увеличение микроскопа, а в пространстве между окружностями нажатие кнопки мыши приводит к непрерывному перемещению картинки на экране в том направлении (относительно центра окружности), которое отмечено указателем мыши в момент нажатия кнопки. Чем ближе к большой окружности был при этом указатель мыши, тем больше будет скорость перемещения. Если указатель был на большой окружности или за ее пределами, скорость перемещения будет максимальной.

3. Кнопка позволяет точно выставить место сканирования образца, перемещая картинку перетаскиванием мышью, за счет отклонения электронного пучка, но работает в интервале 10 мкм. Для возврата пучка в начальную позицию используется функция Zero Beam Shift в меню Stage (рис. 3в).

4. Вращение изображения образца вокруг оси колонны микроскопа можно осуществить поворотом растра, который регулируется бегунком на вкладке Video.

5. Наклон столика с образцом производится рычагом на рабочей камере. Фиксирующий механизм при этом должен быть в положении Unlock.

6. Выбор степени увеличения осуществляется в меню Magn. (рис. 3г). Для последовательного изменения степени увеличения можно использовать кнопки [+] и [–] на клавиатуре. Плавное изменение увеличения можно осуществить с помощью мыши при нажатой на кнопке Track . Для этого нужно навести указатель мыши на внутренний круг, нажать и удерживать кнопку мыши в верхней (для увеличения) или нижней (для уменьшения) зоне круга до достижения нужного увеличения.

7. Фокусировка изображения производится при нажатой правой кнопке мыши и передвижении мыши по горизонтали. Аналогично при нажатой клавише Shift происходит юстировка астигматизма.

8. Выбрать режим сканирования можно в меню Scan (рис. 3д). TV – режим телевизионной развертки, который можно также включить, нажав кнопку TV . Slow scan 1, Slow scan 2, Slow scan 3, Slow scan 4 – различные режимы медленного сканирования, настройка которых вызывается при выборе опции Change. Чем медленнее сканирование, тем выше качество изображения.

Рисунок 2. Общий вид программы Microscope Control

а б в г д е

Рисунок 3. Опции меню приложения Microscope Control

(а – Меню Beam; б – меню Detectors; в – меню Stage; г – меню Magn.;

д – меню Scan; е – меню In/Out.)

9. Фокусировка изображения производится при нажатой правой кнопке мыши и передвижении мыши по горизонтали. Аналогично при нажатой клавише Shift происходит юстировка астигматизма.

10. Выбрать режим сканирования можно в меню Scan (рис. 3д). TV – режим телевизионной развертки, который можно также включить, нажав кнопку TV . Slow scan 1, Slow scan 2, Slow scan 3, Slow scan 4 – различные режимы медленного сканирования, настройка которых вызывается при выборе опции Change. Чем медленнее сканирование, тем выше качество изображения.

11. Кнопка Freeze служит для прекращения и возобновления сканирования.

12. Измерить объекты на изображении можно, нажав кнопку Measure .

13. Сохранение и открытие изображения реализуется функцией Image… в меню In/Out (рис. 3е).

Последовательность действий при выключении прибора

1. Снять накал катода с помощью опции Beam. С этой целью, используя функцию Fil. current постепенно уменьшить ток катода до 0 (рис. 4а).

2. Отключить высокое напряжение, используя кнопку НТ с индикацией значения ускоряющего напряжения.

3. Выключить диффузионный насос, нажав на кнопку Shutdown на панели Vacuum (рис. 14б).

4. Дождаться сообщения о завершении охлаждения диффузионного насоса на экране монитора.

5. Закрыть приложение Microscope Control.

6. Закрыть приложение Server.

7. Выключить компьютер (кнопка Power на системном блоке).

8. Выключить микроскоп (кнопка Off на панели питания микроскопа).

9. Выключить питание на распределительном щитке.

10. Выключить питание устройства водяного охлаждения.

а б в

Рисунок 4. Раскрытые вкладки в приложениях Microscope Control и eDXi

(а – вкладка Beam; б – вкладка Vacuum; в – вкладка Peak Identification (eDXi))