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

равномерное уменьшение яркости изображения от одного конца со­ противления к другому, соответствующее убывающему на нем напря­ жению. У напыленного разомкнутого провода место разрыва обна­ руживается по резкому контрасту яркости.

Методом контраста напряжений оценивают глубину залегания р—«-перехода путем сравнения измерений, выполненных при раз­ личных ускоряющих напряжениях электронного луча, наблюдают отдельные дислокации в полупроводниках [628, 648].

С помощью этого метода можно очень эффективно контролировать качество изготавливаемых приборов, обнаруживать дефекты в них, как например нарушения металлизации, дефекты в окисле, загрязнения в различных элементах микроузлов, качество присо­ единения проволочек к контактным площадкам приборов, трещины в кристаллах, коррозийные дефекты и т. п., и одновременно устанавли­ вать вызвавшую их причину [429, 631, 649—653J. Получают коли­ чественную информацию о структуре полупроводникового элемента, сравнивая осциллограмму строки изображения испытываемого элемента с соответствующей осциллограммой эталона, записанной ранее. При этом можно применять схемы автоматического сравне­ ния [627, 631 [, что очень важно для проведения измерений во время технологического цикла.

Описываемый способ позволяет обычно наблюдать в РЭМе разнос­ ти потенциалов вплоть до 0,25 в, а с помощью различных усовершен­ ствований — и значительно более низкие. В работе [654] продемон­ стрировано, что апертура и положение коллектора могут быть вы­

поверхности, чем от потенциала точки. Авторы статьи, используя РЭМ для исследования изменений потенциала в образце арсенида галлия, обладающего высоким удельным сопротивлением, обнаружи­ вали различие в полях приблизительно в 200 в!см на областях размерами порядка 4 • 1СР3 см.

Обычно путь вторичных электронов определяется совместным влиянием потенциалов по всей поверхности образца, в результате чего коллекторуемый ток является функцией потенциалов по всему образцу. Поэтому в работе [655] для измерения локальных потен­ циалов на поверхности объекта располагали между коллектором и объектом две тонкие сетки, причем на первую сетку подавался положительный потенциал порядка 1 кв для направления вторичных электронов по траектории, нормальной к поверхности объекта, а на вторую — низкий регулируемый потенциал, задерживающий медленные электроны. При соответствующем электрическом вклю­ чении сеток в схему измерения сигнал коллектора становится од­ нозначно связанным с локальным потенциалом объекта и не зависит от потенциала удаленных от точки измерения участков объекта. Практически этот усовершенствованный способ проверялся на из­ мерениях потенциала базы транзистора при изменении потенциала коллектора.

240

Авторы работы [656] для очень точного определения поверхност­ ных потенциалов в интервале от 0 до 50 в проводили измерения аб­ солютной энергии вторичных электронов с помощью анализатора энергии, а именно — по определению пика вторичноэмиссионной кривой. Результаш наносились на диаграмму вручную или самопис­ цем. Постоянно получалась ширина пиков 5 в, что согласовывалось с разрешением использованного анализатора и имеющимися дан­ ными по вторичным электронам. Было обнаружено восемь источни­ ков ошибки измерений: 1) ошибка входного положения, которая может быть вызвана изменением энергии электронов, обусловленным изменением положения источника вторичных электронов при пере­ мещении луча по образцу; она может составлять 1 в при увеличении 100 X; 2) когда на образце имеются электроды с приложенными к ним потенциалами, то может сказываться ошибка поперечного поля, поскольку это поле может оказаться больше, чем среднее ускоряю­ щее поле между образцом и анализатором; в результате этого в одном из примеров получили, что сигнал падает на 5% нормальной величины, пик сдвигается на 1,5 в; ошибку можно учитывать при расчетах либо уменьшать путем приложения компенсирующего поля; 3) когда образец с анализатором смонтирован на сборке, имеющей незащищенные стеклянные изоляторы, то зарядка их из-за наличия трещин и т. п. будет нарушать действие анализатора, при­ чем зарядка будет происходить независимо от того, попадает луч на изолятор или нет; в рассматриваемой работе найдено, что эф­ фективным способом защиты является полное покрытие стеклянных изоляторов коллоидным графитом, а также выбрана удовлетвори­ тельная конструкция арматуры; 4) блуждающие магнитные поля от фокусирующих линз РЭМа порядка 1 гс в пространстве, занятом ана­

линзам микроскопа монтировался двойной пермаллоевый экран; 5) нужно учитывать, что положение пика кривой распределения энергии вторичных электронов различно для разных веществ (см. гл. II, § 3); 6) загрязняющие материалы, например масло насоса, на непрогреваемых поверхностях в вакуумной камере могут вызы­ вать на них случайные потенциалы в десятки милливольт [657]; возникновение таких потенциалов на поверхности образца должно ограничивать точность абсолютных измерений; 7) случайные по­ тенциалы на отклоняющих пластинах приводят к такому же эффек­ ту; 8) калибровка должна учитывать то, что форма кривой разброса энергии вторичных электронов будет изменяться в результате ко­ нечного разрешения анализатора по напряжению. В качестве при­ мера на рис. 126 показаны выходные кривые анализатора для крем­ ния и двуокиси кремния при энергии падающего луча 5 кэв; потен­ циал между пластинами анализатора варьировался, а на образец подавался потенциал, равный 17 в. Пики на кривых представляют

поверхности более отрицателен. Например, то что пик для области

(2) находится на 1 в правее пика области (/), означает в данном слу­ чае, что обнаженный диффузионный кремний «-типа на 1 в отрица­ тельнее обнаженной подложки /7-типа. Это согласуется с величиной индуцированного зондом прямого смещения. Все кривые для двуоки­ си кремния показывают, что между поверхностью двуокиси кремния и лежащим ниже кремнием существует потенциал 1—2 в. Точное смещение кривых для двуокиси кремния относительно кремния яв­ ляется функцией скорости сканирования луча, энергии луча и па­ раметров окисла и обычно находится между 0,5 и 2,0 в. Сравнение

Рис. 126. Исследование в рентгеновском микроана­ лизаторе пассивированного р —«-перехода с оксидом, удаленным из щелеобразных областей [656]:

а — схематическое представление объекта((/), (2)— области кремния; (3, (4) — области двуокиси кремния); б — выход­ ные кривые анализатора при Е3 = 5 кэв, ф3 = 45е.

обратных характеристик р—«-прибора, измеренных электронно­ лучевым бесконтактным методом и полученных с помощью обычных электрических измерений, показывает удовлетворительное совпа­ дение их.

В использованиях РЭМа для исследования электрических па­ раметров поверхности полупроводников возникают трудности интер­ претации наблюдаемых на экране изображений, связанные с эф­ фектом введения дополнительных зарядов и состояний в полупро­ водник при его бомбардировке электронами [433, 658, 659].

Для получения диаграммы потенциального рельефа поверхности объекта в РЭМе предложено (см. [483]) ввести цепь обратной связи, в которой сигнал с коллектора усиливается и через емкость подается на катод электронной пушки, с целью уменьшения флуктуаций кол­ лекторного сигнала. В качестве последнего в обычном РЭМе с бы­ стрыми электронами целесообразно использовать сигнал с детектора вторичных электронов, расположенного после анализатора их скоростей, а в зеркальном РЭМе с замедленными электронами— ток на объект.

242

где 7m — вектор намагниченности. В принципе считается, что Fm с большим основанием можно представлять квантовомеханически (учитывая изменение фазы, вызванное векторным потенциалом), чем классической формулой Лоренца.

Если в ферромагнитной пленке толщиной d, расположенной в плоскости х(0) —г/(0>, перпендикулярной оптической оси, имеются две

области намагниченностью 17ту(0) |, разделенные 180-градусной стен­ кой (рис. 130), то в пренебрежении свойствами стенки и в предпо­ ложении, что магнитные силы действуют только между граничными поверхностями пленки, электрон приобретает под воздействием это­ го поля горизонтальную составляю­

щую скорости вдоль оси х(0)

отклоненных пучков) [95]. Таким образом, на плоскости изо­ бражения, находящейся на рас­ стоянии L от плоскости объекта, появляются две симметричные

точки, отстоящие друг от друга на расстояние 2/.ррщ. Показанный на рис. 130 пример соответствует расходящимся отклоненным пучкам. При изменении знака намагниченности доменов траектории электро­ нов пересекутся и две точки на изображении поменяются местами. Эти два случая неразличимы для простого нерасщепленного пятна.

Когда формируется изображение, увеличенное промежуточной или проекционной линзой, может быть выявлено распределение интенсивности в пленке. При расходящихся отклоненных пучках граница представляется на изображении в виде темной полосы, при сходящихся — в виде интерференционных контуров. Последние бы­ ли экспериментально получены в работе [667]. При этом стенке пре­ небрежимо малой ширины соответствует наблюдаемая ширина 2Lpp[IJ.

В реальных ферромагнитных материалах ширина границы между доменами конечна; имеются и 90-градусные стенки; стенки в тонких пленках могут отличаться от стенок в массивных материалах. Ис­

246

следования распределения интенсивности на их изображениях, изу­ чение подвижности стенок дают очень ценные сведения для изуче­ ния магнитных материалов. На основе изложенной в работах [668, 669] теории по электронномикроскопическим изображениям может быть найдена ширина стенок. На изображениях стенок наблюда­ ется не только их структура, но и «линии потока» или «магнитная рябь».

Существуют два метода получения изображения доменов в ПЭМе [88, 95, 670, 671, 6721: метод несфокусированного изображения, по­ лучающегося при выключенной объективной линзе, и метод при­ мерно сфокусированного изображения, формирующегося вследствие того, что объективная линза включена, но объект находится выше (или ниже) нормального положения. Выбор метода определяется со­ отношением радиальной компоненты магнитного поля объективной линзы в плоскости объекта и коэрцитивной силы объекта. Однако при исследованиях тонких пленок в просвечивающем микроскопе, который работал в обычном режиме сфокусированного изображения и с расположением апертурной диафрагмы на оси электронноопти­ ческой системы, как правило, никакого дополнительного контраста изображения за счет вариаций намагниченности в тонкопленочном образце не замечено. Хотя проходящие сквозь слой электроны и поразному отклоняются в различно намагниченных областях, отклоне­ ния эти очень малы и не превышают апертуры объектива, так что вышедшие из некоторой точки образца электроны все проходят через отверстие апертурной диафрагмы и вновь собираются в соответствую­ щей точке изображения. Применение ПЭМа для исследования неод­ нородностей намагниченности в тонкопленочном образце стало воз­ можным после разработки специальных методов. К ним относится метод расфокусированного теневого изображения, когда отображает­ ся некоторая плоскость выше или ниже образца, в которой уже име­ ется некоторый контраст в виде чередующихся светлых и темных линий, получающихся, как рассмотрено выше, из-за сходимости или расходимости электронов на месте границ доменов. Этот метод обес­ печивает повышение чувствительности и относительно высокое раз­ решение (0,1 мкм) и является практически безынерционным. Кроме того, можно получать контраст за счет среза отклоненных изобража­ ющих лучей специальной ножевой диафрагмой, край которой немно­ го смещен с оптической оси, или децентрированной апертурной диаф­ рагмой объективной линзы. При этом контраст будет частично темно­ польным, частично светлопольным. Изображение доменов с одним направлением намагниченности будет темным, с другим — светлым. Этот метод обеспечивает еще большее, чем первый разрешение нахо­ дящегося в фокусе изображения, выявляя одновременно и магнит­ ную и топологическую структуры объекта [673]. Он, однако, не применим в случае извилистой формы доменов, а также при наблю­ дении перемагничивания образца. Такого рода разработки позво­ лили выявить большие возможности ПЭМа в изучении тонкой струк­ туры и динамики доменов.

247

В публикации [670] описана методика получения в ПЭМе стро­ боскопической картины доменной структуры в условиях медленного и быстрого перемагничивания с использованием метода формирования

троннооптический метод, включаю­ щий, в частности, метод муаровых картин (см., например, [675— 677]). Схема получения последних показана на рис. 131. Созда­ ваемый осветителем электронного микроскопа с двойным конденсо­ ром поток электронов формируется с помощью конденсорных линз либо в параллельный пучок электронов, либо в расходящийся. Этот пучок затем проходит через сетку С и на экране формирует ее теневое изображение. Если между экраном и сеткой вводится элект­ рическое или магнитное поле, то изображение сетки искажается. При наложении изображения сетки, деформированной с сохране­ нием порядка следования элементов, на неискаженное полем изображение сетки образуется муаровый узор. Этот метод позволяет получать наглядные топограммы равных смещений искаженного изображения сетки, а по ним — сведения о составляющих магнитно­ го поля, искажающего изображение сетки.

Для изучения в ПЭМе локализации и тонкой структуры поверх­ ностных микрополей, электрических и магнитных, оказываются по­ лезными полимерные пленки, образующиеся на поверхности об­ разца под действием электронной бомбардировки на конденсирую­

243

щиеся пары мономера или диффузионного масла [678]. Локальный рост таких пленок при определенных условиях зависит от величины микрополя в данной точке.

Благодаря стробоскопическому режиму в ПЭМе удается наблю­ дать процессы перемагничивания пленок [395, 679 — 681 ].

При работе РЭМа в обычном режиме использования быстрых вторичных электронов чувствительность к магнитным микрополям мала. Однако, используя, как и в случае электрических микропо­ лей, резонансные усилители в тракте усиления видеосигналов, мож­ но чувствительность к переменным магнитным микрополям сде­ лать достаточной для их визуализации и количественных исследова­ ний. Подобным же образом можно повысить чувствительность и к постоянным микрополям, если при этом модулировать электронный зонд высокочастотным синусоидальным или импульсным напряже­ нием. Так регистрировали, например, переменные микрополя в 10— 15 э и неоднородности постоянных в 150 э при Е3 — 30 кэв [682].

Другим способом повышения чувствительности является исполь­ зование в качестве сигналов более медленных вторичных электронов. Это достигают либо понижением энергии зондирующих электронов [683], либо выделением вторичных электронов в нужном диапазоне энергетического спектра [418, 419, 684].

Принципы расчета контраста изображения микрополей

Воснове количественных методов электронной микроскопии электрических и магнитных микрополей лежит зависимость смеще­ ния, испытываемого электронами, которые используются для фор­ мирования изображения объекта в электронном микроскопе заданно­ го типа, от напряженности этих микрополей.

Под картиной контраста изображения подразумевается функция распределения плотности тока на изображении. Расчет ее по задан­ ному распределению микрополя представляет прямую задачу. В этом случае определяется вызываемое микрополем отклонение электронов S (.х, у) (путем решения уравнения движения электрона). Затем на­ ходится связь величины регистрируемого тока со смещением элект­ ронов, а следовательно, и с микрополем. В обратной задаче по наблюдаемому распределению электронной плотности тока на изоб­ ражении находится картина микрополя образца.

Вработе [685] был развит общий подход к решению задачи о кон­ трасте микрополей для электронного зеркала, эмиссионного и раст­ рового микроскопов. Если распределенные на поверхности объек­ та электрические и магнитные микрополя, характеризуемые функ­ цией / (х , у), настолько малы по сравнению с ускоряющим электроны полем, что их можно рассматривать как возмущение системы, прямая задача о контрасте решается методом последовательных прибли­ жений.

249