книги из ГПНТБ / Деркач, В. П. Электроннозондовые устройства

содержащие относительно несложное оборудование. В частности, это целесообразно при решении некоторых задач, связанных с разра­ боткой технологических процессов микроэлектроники. Нами было создано устройство для визуального наблюдения за находящимися в вакуумной камере объектами в ходе отработки технологии изго­ товления микросхем, обработки объектов электронными пучками, а также в различных физических исследованиях [466, 467 ]. В ка­ честве зонда в этом устройстве можно использовать пушку, какойлибо ЭЛТ, а для основных узлов схемы можно применять стандарт­ ные приборы.

Блок-схема устройства, которую мы опишем более подробно, показана на рис. 89. В нее входят: камерный блок (датчик); видеоконтрольное устройство; блок управления (блок питания датчика, блок разверток и синхронизации).

Помещенная в вакуум электронная пушка создает пучок элек­ тронов, который разворачивается в растр по поверхности объекта

нескопа; 12 — кинескоп; 13 — источни­ ки питания и блоки развертки телеви­ зора.

пилообразными напряжениями развертки, вырабатываемыми ге­ нераторами. Источник питания пушки позволяет регулировать энергию электронного пучка, изменять диаметр пучка в плоскости объекта. В месте бомбардировки поверхности объекта лучом возни­ кает эмиссия вторичных электронов, которые улавливаются коллек­ тором, находящимся относительно объекта под потенциалом VK, создаваемым стабилизированным источником.

На нагрузочном сопротивлении ^?нг в цепи объекта при разверт­ ке луча по его поверхности образуются импульсы напряжения, амплитуда которых в каждый данный момент времени соответствует току вторичных электронов с того участка, где находится луч, а значит, сигналы с различных участков объекта отличаются по ам­ плитуде. Это отличие может быть основано, как замечалось выше, на зависимости эмиттируемого тока вторичных электронов от угла падения первичного луча, на наличии между соседними участками поверхности образца разности потенциалов, на существовании ем­ костных неоднородностей диэлектрических и полупроводниковых объектов и т. д. Сопротивление RHr, соединенное с сигнальным электродом объекта, замыкается на землю.

170

Сигналы, снимаемые с /?„г, усиливаются усилителем и поступают на модулятор кинескопа, для которого в качестве источников пи­ тания и блоков развертки использованы соответствующие узлы телевизора. Генераторы развертки зонда синхронизированы с гене­ раторами кадровой и строчной разверток телевизора.

Коллектор и электронная пушка, создающая сканирующий луч, устанавливаются в рабочей вакуумной камере, где происходят физические, технологические и т. п. процессы, которые желательно наблюдать.

В нашем устройстве электроннооптическая система для форми­ рования зонда взята из стандартной осциллографической трубки. Катод пушки должен быть устойчивым к воздействию атмосферы при разгерметизации камеры, поэтому использовался вольфрамо­ вый катод, который монтировался в ка­ тодно-модуляторном узле стандартной арматуры пушки. В случае необходи-

Рис. 90. Схематическое изображение поверхнос­ ти одного из тестовых образцов:

I — двуокись кремния; 2 — кремний я-типа; 3— крем­ ний р-типа; 4 — пленка алюминия; 5—8 — пленки халькогенидного стекла с толщинами соответственно

10 000, 16 000, 3500 и 7000 А; 9 — пленка халькоге­ нидного стекла с толщиной, непрерывно изменяю­

щейся от 17 000 до 2000 А; 10 — пленка золота; II — пленка серебра.

мости получения больших сигналов применялся оксидный катод, однако после разгерметизации камеры требовалась смена его.

Важное значение имело сведение к минимуму всевозможных наводок и помех, поскольку применялось большое усиление сиг­ налов. Особенно влияли механические соединения в разъемах. Все приборы были заземлены, соединительные цепи — экранированы.

Схема позволяла изменять энергию электронов зонда от 400 до 2000 эв, диаметр зонда в плоскости объекта — от 200 мкм до 1 мм. Увеличение регулировалось от 15 до 600 X путем варьирования ам­ плитуд растровой развертки зонда и луча кинескопа. Тестовые объекты исследования конструировались таким образом, чтобы можно было различить границы материалов при их разнообразных сочетаниях. Было испробовано несколько типов образцов. Один из них, например, представлял собой нанесенную в форме определен­ ного рисунка на слой алюминия тонкую пленку халькогенидного стекла. В другом в качестве подложки была выбрана пластина крем­ ния л—р—л-типа диаметром 32 мм, покрытая защитным слоем окиси кремния. На части пластины слои Si0 2 и кремния л-типа были стравлены, в результате чего получились последовательно располо­ женные участки Si0 2 (/), кремния л-типа (2), кремния р-типа (3) и снова л-типа (2) (рис. 90). Сигнальный электрод (слой алюминия), предназначенный для получения сигналов с этих участков, наносил­ ся на противоположную сторону пластины (на рисунке не показан).

171

напряжения

ЛУнг = 73 ((Tj — о 2) R Hr,

благодаря чему и создается контраст изображения.

Полученные результаты позволяют судить о возможностях испытанного устройства. На рассмотренном выше микроснимке поверхности (увеличение 30) видны различные компоненты мишени,

тройство позволяет получать такую же многостороннюю информа­ цию об исследуемом объекте, как и РЭМ. Выделение осциллограм­ мы строки дает возможность производить количественные измерения.

Разрешающую способность устройства в отношении визуальных наблюдений можно оценить следующим образом: так как на экране телевизора различается до десяти уровней яркости, то можно заре­ гистрировать изменение входного сигнала около 0,1 номинального уровня.

Нами также выполнены испытания устройства визуального кон­ троля объектов, использующего низкоэнергетический электронный зонд, в комплексе с обрабатывающей электроннолучевой установкой. Пушка, создающая зондирующий луч, помещалась в камере элек­ троннолучевой установки для обработки материалов. Обрабатыва­ ющий электронный луч направлялся перпендикулярно поверхности объекта; пушка с зондирующим лучом располагалась под углом к этой поверхности. На время обработки зондовое устройство отклю­ чалось, чтобы избежать его перегрузки. Оказалось, что устройство такого типа может быть с успехом использовано для визуального наблюдения поверхностей в ходе технологического цикла их обра­ ботки в тех случаях, когда достаточна обеспечиваемая им разреша­ ющая способность. Например, нами наблюдался процесс изготов­ ления на пластине кремния сплавных р—«-переходов диаметром 0,5 мм. Предназначенное для аналогичных целей устройство пред­ ложено также в работе [468]. В нем функции обработки и зонди­ рования выполняет формируемый одним и тем же источником электронный луч, поочередно переключаемый в соответствующий режим.

Ряд отечественных и зарубежных растровых электронных мик­ роскопов выпускается серийно. В качестве типичных примеров рас­ смотрим некоторые из них.

Растровый электронный микроскоп низковольтный типа РЭМН (см. [469]) предназначен для изучения поверхности массивных объек­ тов, не прозрачных для света и электронов, а именно: для наблюде­ ния и фотографирования геометрии поверхности, качества обработ­ ки (гладкость, шероховатость, пористость), распределения одних материалов на фоне других, тонких поверхностных пленок и загряз­ нений, электрических и магнитных микрополей. Принцип действия

173

пушку, две электромагнитные линзы, катушки юстировки и откло­ нения луча и камеру объекта. В качестве видеоконтрольного устрой­ ства применена телевизионная установка с предварительным уси­ лителем сигналов. Объект можно нагревать до 200° С и охлаждать до — 150° С. Ускоряющее напряжение зонда 500—2500 в. Ток зонда на объекте (1—5) • 10-7 а. Разрешение не хуже 1—3 мк. Увели­ чение на экране видеоконтрольного устройства от20до 1000х .С к а ­ нируемая зондом площадь составляет 1,5 X 1,5 мм. Прибор позво­ ляет исследовать образцы размером до 20 X 20 мм.

В микроскопе JSM-S1, работающему ускоряющим напряжением 4 и 10 кв, достигнуто разрешение250 А, увеличение 19 ~ 100 000х [4251. В качестве детектора вторичных электронов используется система сцинтиллятор-фотоумножитель. Для видеоконтрольного устройства использована обычная телевизионная система. Прибор

компактен, электронные устрой­ ства построены на интегральных схемах.

На рис. 92 приведена прин­ ципиальная схемаспециализиро-

Рис. 92. Принципиальная схема МЭР-1:

ванного высоковольтного растрового микроскопа МЭР-1, предназна­ ченного для исследования полупроводниковых приборов и интег­ ральных схем [470]. Электронная пушка с юстируемой ограничитель­ ной диафрагмой имеет конический, плоский и сферический управ­ ляющие электроды. Юстировка луча достигается перемещением управляющего электрода относительно анода и передвижением всей пушки относительно линз уменьшающей (1000 : 1) электронно­ оптической системы, причем коррекция юстировки обеспечивается устройством электрического отклонения луча. Электроннооптиче­ ская система состоит из двух магнитных линз со сменными юсти­ руемыми диафрагмами и электростатическим стигматором с меха­ ническим азимутальным поворотом поля. Двухъярусная система развертки зонда в растр по поверхности объекта размещена в канале формирующей линзы таким образом, что центром отклонения явля­ ется отверстие апертурной диафрагмы. Сигналы от коллекторов вто­ ричных и отраженных объектом электронов поступают через уси­ лители на модуляторы кинескопов (типа 35 ЛК2Б). Коллектором служит система сцинтиллятор—фотоумножитель с устройством для ускорения испускаемых поверхностью объекта электронов. Блок кадровой и строчной разверток обеспечивает синхронное и синфаз­

174

ное отклонение лучей на экранах кинескопов и зонда. Когда жела­ тельно сформировать изображение за счет поглощенных объектом электронов, то сигнал снимается с включенного в цепь объекта сопротивления. В прибор можно установить необходимые прием­ ники излучения для исследования объектов в световых лучах раз­ личных длин волн.

Столик объектов позволяет просматривать объекты площадью до 10 X 40 мм, наклонять объект на 45° и перемещать его вдоль оптической оси колонны на расстояние 50 мм, что дает возможность в широких пределах изменять увеличение прибора и просматривать участки объекта размером 3 X 3 мм. Ускоряющее напряжение зонда могло меняться от 5 до 50 кв. Пульсация его при нагрузке 200 мка составляет 0,005%.

Растровый электронный микроскоп JSM-2 японской фирмы JEOL [471 ] дает изображение в отраженных, вторичных, поглощен­ ных или прошедших электронах, а также соответствующее катодо­ люминесцентному излучению или индуцированному напряжению. Имеется, наряду с медленной разверткой, система быстрой телевизи­ онной разЕертки с наблюдением изображения на отдельном экране.

В установке Э-8 электронный луч используется как для осущест­ вления технологических процессов, таких, как обработка тонких пленок, производство масок из нетугоплавких материалов, электронолитография, так и для контроля готовых изделий, корректирова­ ния местоположения обрабатываемого участка и т. п. [472]. Схема установки состоит из обычных для такого случая узлов. Электроннооптическая система включает трехэлектродную электронную пушку с перемещаемым катодным узлом, юстирующую систему, стигматор, двухлинзовую фокусирующую систему, электростатическую откло­ няющую систему типа дефлектрон, расположенную на нижнем конце полюсного наконечника второй линзы, и нескольких по­ движных и фиксированных диафрагм. Пушка имеет ускоряющее напряжение 50 кв и может работать в импульсном режиме за счет регулировки потенциала смещения и подачи на управляющий элек­ трод отпирающих импульсов длительностью от 1 до 100 мксек. Сканируемая область с регулируемым до 0,75 X 0,75 мм размером может быть выбрана с помощью отклоняющей системы в любой точке поля площадью 7 x 7 мм. При работе установки в режиме контроля вторичноэлектронный умножитель устанавливается над объектом исследования, первая линза переводится в режим предель­ ного уменьшения, в зоне формирующей линзы пучок диафрагмиру­

поступающих с умножителя сигналов применены предварительный усилитель и усилитель промежуточной частоты серийного теле­

визора.

Разработана конструкция универсального электронного микро­ скопа, который может работать как обычный просвечивающий или растровый микроскоп (см. [473]). Колонна содержит пять электро­

175

магнитных линз: два конденсора, объектив, промежуточную и проекционную линзы. При работе ЭМ в режиме просвечивающего микроскопа выше объективной линзы помещается первый объект­ ный столик. Сформированное обычным образом изображение на­ блюдается на размещенном в нижней части колонны экране и может быть сфотографировано на фотопластинку. При работе, в качестве растрового микроскопа вместо верхнего столика в нижней части колонны выдвигается другой объектный столик. При этом линзы формируют на объекте тонкий зонд. Катушки развертки находятся выше проекционной линзы. Вторичные электроны улавливаются си­ стемой сцинтиллятор — световод — фотоумножитель. Изображение

крозондовый прибор РЭМП-1 позволяет получать изображения в характеристических рентгенов­ ских лучах, вторичных, рассеянных и поглощенных электронах, про­ водить локальный химический анализ при неподвижном зонде [450]. На рис. 93 показана принципиальная схема этого прибора. Элек­ тронный зонд диаметром 0,5—3 мкм, формируемый электроннооп­ тической системой и двумя магнитными линзами, с помощью откло­ няющей системы разворачивается в растр по поверхности образца. Коллектором испускаемых объектом электронов служит вторично­ электронный умножитель открытого типа. Изображение сканируе­ мого участка поверхности образца с увеличением 200—1000 х соз­ дается, как обычно, путем модуляции луча кинескопа К2Для получения картины распределения определенного химического эле­ мента по образцу возбужденное зондом рентгеновское характеристи­ ческое излучение разлагается в спектр рентгеновским спектрометром с кристаллами-анализаторами кварца и слюды, настроенными на со­ ответствующую данному элементу длину волны. Прошедшее излу­ чение регистрируется счетчиком, импульсы которого усиливаются и модулируют луч кинескопа Кх с длительным послесвечением экра­

176

на (учитывая время восстановления счетчика). Используют счет­ чики типа МСТР-4, СИ-4Р, сцинтилляционный счетчик. При ло­ кальном химическом анализе импульсы счетчика поступают в изме­ ритель скорости счета и концентрационные кривые распределения данного элемента вдоль выбранной линии перемещения объекта

массивных объектов, включая как получение изображений их по­ верхностей во вторичных или поглощенных объектом электронах, так и проведение химического анализа объектов по рентгеновскому характеристическому излучению, исследование катодолюминесцен-

чается от описанной выше. Электроннооптическая система,состоя­ щая из электронной пушки, стигматора и трех электромагнитных линз, позволяет, в зависимости от режима включения линз, полу­ чать электронный зонд диаметром от 0,1—0,2 до 1 мкм на образце. С помощью отклоняющей системы луч можно разворачивать в растр по поверхности образца. Детектором вторичных и отраженных элек­ тронов служит блок, состоящий из пластикового сцинтиллятора с сеткой под положительным потенциалом, светопровода и ФЭУ. В полюсном наконечнике формирующей линзы сделано отверстие, че­ рез которое проходят рентгеновские лучи, вышедшие под углом 40° к образцу. Два рентгеновских спектрометра с прямолинейным перемещением кристаллов-анализаторов кварца и слюды позволяют регистрировать элементы от магния (Z = 12) до урана (Z = 92). Детекторами служат пропорциональный проточный счетчик СРПП-21 и сцинтилляционный счетчик или сочетание двух пропор­ циональных счетчиков для регистрации всего диапазона излучений. Количественный рентгеноспектральный анализ осуществляется с помощью стандартных стоек ССС. В режиме локального анализа сигнал от спектрометра через предварительный усилитель поступает на регистрирующее устройство, где происходит преобразование сигнала, интегральный и дифференциальный счет квантов рентге­ новского излучения. При анализе распределения определенного

элемента по линии на поверхности объекта спектрометр настраива­ ется на длину волны этого элемента, образец автоматически переме­ щается под неподвижным зондом, а результаты анализа регистриру­ ются в виде кривой на ленте самописца. Построение изображения объектов производится на экранах размером 100 X 100 мм двух

ось которого совпадает с направлением падения электронного зонда, и приставка для фотографирования.

Разрешение прибора в режиме электронного изображения со­

можно изменять ступенчато через 5 кв от 5 до 50 кв. Рабочий вакуум в колонне 5 • 10-5 мм pm. cm. В прибор можно загружать четыре образца размером 10 X 10 мм каждый и 24 эталона размером 1,5— 2 мм. Образец можно перемещать в двух взаимно перпендикуляр­ ных направлениях грубо, с точностью 0,01 мм, и прецизионно со скоростью 20 и 100 мкм/мин, наклонять на 45° и вертикально под­ нимать в зону фокусировки оптического микроскопа. Имеется пре­ цизионное перемещение рентгеновских спектрометров со скоростя­ ми 1-4-2.5 и 104-15 мм/мин.

На базе предшествующих приборов типа РЭМП создан промыш­ ленного выпуска растровый электронный микроскоп высокого раз­ решения в сочетании с рентгеновским микроанализатором РЭМП-3 [474]. Изображения объекта здесь получаются во вторичных элек­ тронах (с увеличением от 30 до 4000—5000X), отраженных и погло­ щенных объектом электронах, в рентгеновском характеристическом излучении, в инфракрасных лучах и лучах видимой части спектра, в индуцированном в полупроводниковых приборах токе. Видеоконтрольное устройство содержит четыре кинескопа с длительным по­ слесвечением. Трехлинзовая электроннооптическая система создает зонд диаметром 500 А и менее. Прибор может работать в режиме РЭМа, когда используются две или три линзы, и в режиме микроанализагора, когда действует одна формирующая линза. В послед­ нем случае РЭМП-3 обеспечивает регистрацию линий элементов от магния до урана.

Рентгеновский микроанализатор МАР-2 обладает высокими в от­ ношении чувствительности и точности параметрами [476]. Рентгенов­ ское характеристическое излучение регистрируется системой, со­ стоящей из проточного пропорционального счетчика (для мягкого рентгеновского излучения), сцинтилляционного счетчика (для корот­ коволнового), счетной стойки ССД и соответствующих электронных схем коммутации и согласования выходов счетчиков со входом стой­ ки ССД. Для анализа образцов на бор, углерод и азот использует­ ся двухкамерный разборный проточный пропорциональный счет­ чик с тонким окном из нитроацетата целлюлозы и многослойным пленочным анализатором-стеаратом свинца, а на элементы, начиная

178

снатрия,— проточный пропорциональный счетчик типа СРПП-21.

Вневакуумном спектрометре используется сцинтилляционный счетчик, собранный на базе ФЭУ-35-А, с кристаллом Nal (Т1) в качестве сцинтиллятора.

Предприняты специальные дополнительные меры для получе­ ния высокой точности этого прибора. Например, между образцом и кристаллом-анализатором помещены целлулоидная пленка и посто­ янный магнит в целях устранения фона, создаваемого попадающими на окно пропорционального счетчика рассеяными образцом электро­ нами. В вакуумном спектрометре имеется механизм, обеспечивающий использование оптимальной рабочей поверхности кристалла-ана­ лизатора при любом угле Брэгга-Вульфа. Чувствительность МАР-2 при анализе различных элементов с применением разных кристал­ лов-анализаторов в пределе находится в интервале от 30 • 10-2

до 3,3 • КП3 %.

Вприборе также имеются детекторы вторичных, отраженных

ипоглощенных образцом электронов и электронно-растровое уст­ ройство ЭРУ, которое содержит блок разверток, обеспечивающий

каторное устройство для наблюдения на экранах ЭЛТ картины рас­ пределения химических элементов по поверхности образца и элек­ тронных изображений поверхности. Режим наблюдения выбирается подключением входа усилителя сигналов к соответствующему кана­ лу детекторов. Подавая на строчные катушки одной из ЭЛТ напря­ жения с выхода измерителя скорости счета, получают на экране концентрационную кривую по любой линии на сканируемом участке образца. Предусмотрен локальный микроанализ.

Широко известны микроанализаторы японской фирмы JEOL, позволяющие проводить большой круг исследований [425, 447]. В таблице для примера приведены основные характеристики электроннозондовых сканирующих рентгеновских микроанализаторов типа JXA-3SM и JXA-5. Оба прибора в комплекте с приставка­ ми могут работать как обычный РЭМ и как рентгеновский микро­ анализатор. Кроме того, в них имеется световая оптическая система, с помощью которой наблюдается увеличенный в 400 раз объект. Основные способы получения информации об объекте в этих прибо­ рах подобны описанным выше (см. рис. 71). Приборы могут рабо­ тать в нескольких режимах одновременно с выводом информации на несколько индикаторных ЭЛТ или самописец. Соответственно в приборах имеются детекторы вторичных, отраженных, погло­ щенных и прошедших электронов, катодолюминесцентного и рентге­ новского излучений.

Одним из приборов высокого класса является электронный микро­ зонд MS-46 фирмы САМЕСА [446]. В нем применена пушка триодного типа с переменным автоматическим смещением, создающая электронный луч большой интенсивности при очень малой угловой апертуре, который с помощью двух магнитных линз — конденсора