В кремний от их энергии
При использовании в РЭМ сигнала, поступающего с детектора электронов, изображение формируется как за счет вторичных, так и за счет отраженных электронов. При этом можно использовать различные режимы наблюдения объектов микроэлектроники. Наиболее часто используется режим наблюдения отраженных электронов. Если электроны падают на поверхность сложной формы, то ток электронного детектора будет сильно зависеть от угла между падающим пучком электронов и поверхностью, то есть будет определяться морфологией поверхности. От малоэнергетических вторичных электронов легко избавиться с помощью сетки с небольшим отрицательным потенциалом (порядка - 50 В) перед детектором электронов. Этот малый потенциал не влияет на быстрые отраженные электроны. Максимальный сигнал в детекторе дают электроны, отраженные от граней, расположенных под прямым углом к детектору. Изображение на экране электронно-лучевой трубки будет очень контрастным, так как грани, расположенные под отрицательными углами к детектору, не просматриваются вообще (рис. 7.4.).
Рис. 7.4. Формирование морфологического контраста:
1 – первичный пучок; 2 – отраженные электроны;
3 – вторичные электроны; Д – детектор;
С – сетка детектора
Доля отраженных электронов зависит от атомного номера элемента исследуемого материала, поэтому более яркие области изображения будут соответствовать более тяжелым элементам. Например, выход отраженных электронов для золота в 10 раз выше, чем для углерода.
Вторичные электроны имеют малую энергию (до 50 эВ) и очень чувствительны к электрическому потенциалу областей, из которых они выходят. Если на сетку детектора подать положительный потенциал (+ 250 В), то вторичные электроны будут собраны практически со всего образца и это позволит получить потенциальный контраст изображения во вторичных электронах. Например, при наблюдении фрагментов интегральных схем в режиме вторичных электронов легко различаются по контрасту электроды, отличающиеся потенциалом на 5 В.
Если измерять ток электронов между образцом и заземленной точкой схемы, то можно получать изображение в режиме поглощенных электронов. Контраст этого изображения для достаточно толстых образцов будет обратным контрасту, полученному в режиме отраженных электронов. Используя изображение в поглощенных электронах, можно получать информацию об атомном номере элементов в приповерхностной области образца. При расположении детектора электронов за тонким образцом, прозрачным для электронов, можно получать изображение в прошедших электронах. Это изображение дает информацию о внутренней структуре образцов, различного рода включениях в них.
Большие возможности для исследования электрической активности дефектов в полупроводниках открывает использование контраста в режиме наведенного тока. Электронный луч в процессе сканирования генерирует в объеме образца электронно-дырочные пары и приводит к появлению ("наведению") тока в образце. Величина наведенного тока зависит от скорости рекомбинации электронно-дырочных пар в данной точке образца, а пространственное разрешение прибора в этом режиме определяется длиной диффузии пар. В режиме наведенного тока РЭМ позволяет визуализировать периметр p-n-перехода, так как на границе p-n-перехода величина наведенного тока будет максимальной. Контраст в режиме наведенного тока могут давать любые области в образце, формирующие внутренние электрические поля, а также приводящие к изменению скорости рекомбинации и длины диффузии неравновесных электронно-дырочных пар, наведенных электронным лучом.
Детектор рентгеновского излучения, возникающего при бомбардировке вещества электронами, используется в РЭМ для микроанализа состава различных участков поверхности и включений второй фазы. Анализ характеристического рентгеновского излучения позволяет определить элементный состав и соотношение различных компонентов в включениях второй фазы.
Отметим основные области использования РЭМ с целью контроля в технологии изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем.
Контроль свойств исходных материалов и эпитаксиальных структур. Исследуя поверхность материалов в режимах отраженных или вторичных электронов после предварительного селективного химического или ионного травления, можно контролировать разнообразные дефекты в виде локального растравливания, включений второй фазы, дефектов упаковки, микротрещин. Дополнительные сведения о составе включения второй фазы можно получить рентгеновским микроанализатором, обычно встроенным в РЭМ.
Контроль свойств p-n-переходов, транзисторных структур и фрагментов интегральных схем. Исследования проводят в режиме вторичных электронов или в режиме наведенного тока в p-n-переходе. Изображения во вторичных электронах позволяют определять потенциальный контраст, в частности можно контролировать расширение области пространственного заряда при увеличении обратного смещения на p-n-переходе. Изображение в наведенном токе позволяет фиксировать локальные области, связанные с неоднородностью электрического поля в присутствии дефектов (например, дислокаций, дефектов упаковки, выделения второй фазы и других). В режиме наведенного тока можно наблюдать форму периметра p-n-перехода и места локального пробоя.
Контроль процессов фотолитографии. Определяют точные геометрические размеры структур, используя изображения во вторичных или отраженных электронах. Контролируют ширину полос и окон, вытравленных в фоторезисте и полупроводниковой структуре, однородность травления и четкость края ступеней.
Контроль процессов металлизации и присоединения выводов осуществляется в режимах вторичных и отраженных электронов. Наблюдаются изображения трещин в металлизированных слоях, особенно на ступеньках вытравленных окон или полос, поры, новые фазы и интерметаллические соединения и другие дефекты. При контроле качества присоединения токопроводящих выводов используется большая глубина резкости РЭМ по сравнению с оптическими методами контроля. Например, при увеличении 100х глубина резкости фокусировки оптического микроскопа составляет 10 - 15 мкм, а для РЭМ 700 - 800 мкм; при увеличении 1000x – соответственно 1 мкм и 50 - 70 мкм. Это позволяет использовать РЭМ для контроля качества термокомпрессии на значительных расстояниях от места контакта.
Отечественный прибор МРЭМ-100 имеет ускоряющее напряжение 30 кВ и разрешение 6 нм. Известные зарубежные модели JSM-840 (фирмы JEOL, Япония) и ISI-60 (фирмы Int. Sci. Instr, США) имеют разрешение 4 нм.