Сканирующая электронная микроскопия структур микро- и наноэлектроники
Руководитель - Рау Эдуард Иванович
к. 1-57а, тел. 8(495)939-38-95; к. 1-70, тел. 8(495)939-54-33
Растровая (сканирующая) электронная микроскопия является мощным инструментом исследований широкого круга материалов, и приборных структур микро- и наноэлектроники. В лаборатории имеются растровые электронные микроскопы, производства фирмы «Carl Zeiss» Германия и «Jeol» Япония, измерительное, аналитическое оборудование.
В группе проводится большой объем как фундаментальных, так и прикладных научных исследований новых материалов, структур, приборов и объектов, созданных по нанотехнологии. Ведется фундаментальное исследование процессов, происходящих на поверхности диэлектриков, сегнетоэлектриков и широкозонных полупроводников при облучении электронными пучками средний энергий (от 0,1 кэВ до 30 кэВ).
Создан уникальный тороидальный спектрометр (дополнительная приставка к сканирующему электронному микроскопу), с помощью которого осуществляется неразрушающая диагностика трехмерных микроструктур методом томографии в отраженных электронах, а также аналитическая спектроскопия во вторичных электронах. Электронная спектроскопия используется также для определения кинетики зарядки массивных и пленочных диэлектриков под воздействием электронного и ионного облучения в широком диапазоне энергий, а также для определения рекомендуемых параметров электронного зонда при литографии.
Основные работы группы сформулированы по двум направлениям.
К первому направлению можно отнести работы по разработке методов и усовершенствованию техники электронной микроскопии. Сюда входят такие работы:
- Методы микротомографии в отраженных и вторичных электронах – уникальный метод исследования слоистых микрообъектов (например, микросхем) в растровом электронном микроскопе, позволяющий получать не только информацию о поверхности образца, но и заглянуть внутрь объекта без его разрушения. Сейчас разрабатываются оригинальные методы нанотомографии и аппаратура для измерений геометрических параметров и топологии наноструктур, скрытых под поверхностью, с помощью регистрации и анализа энергии отраженных электронов в РЭМ. Создаются методики и средства контроля размеров и химического состава нанообъектов, пригодных для аттестации в нанотехнологии и наноиндустрии, включая метод измерения глубин залегания и толщин подповерхностных композиционных деталей исследуемых наноструктур.
- Новая методика трехмерной (3D) сканирующей электронной микроскопии поверхности микроструктур. Для ее реализации была разработана оригинальная мультидетекторная система для сканирующего электронного микроскопа. Она состоит из 8 осесимметричных полупроводниковых детекторов отраженных электронов (рис.1) Их конфигурация была рассчитана с учетом основных физических закономерностей отражения электронов от массивных слоистых мишеней. Алгоритм реконструкции 3D изображения, т.е. решение обратной задачи и соответствующие программы были разработаны в содружестве с кафедрой математики (проф. Ягола А.Г.). Примеры восстановленных 3D изображений по исходным (рис. 2) 2D изображениям приводятся на рис. 3 Представлены реконструированные изображения выпуклой пирамиды и отпечатка на золотой пластине индентором Виккерса (рис. 4). Новая методика не уступает, и по ряду параметров (щадящая доза облучения, повышенная чувствительность к градиенту поверхностного рельефа, точность воспроизведения профилей поверхности) превосходит в разы лучшие зарубежные аналоги. В России таких разработок нет вообще.
Рис.1 Схема BSE детектора в SEM. 1-8 кремниевые детекторы с плоскими p-n переходами. O - образец, C - держатель детектора.
Рис.2 СЭМ изображения в разностных сигналах IAB (a) и IEF(b) Золотая пластина после вдавливания алмазной пирамидки.
Рис.3 Схема BSE детектора в SEM. 1-8 кремниевые детекторы с плоскими p-n переходами. O - образец, C - держатель детектора.
Рис.4 Схема BSE детектора в SEM. 1-8 кремниевые детекторы с плоскими p-n переходами. O - образец, C - держатель детектора.
Ко второму направлению относятся исследование процессов радиационной зарядки непроводящих или изолированных проводящих материалов пучками заряженных частиц. Сюда относятся такие работы:
- Исследование процесса зарядки диэлектриков под воздействием электронного облучения. Исследование процесса зарядки материалов необходимо для космического материаловедения, где происходит эффект зарядки поверхности космического аппарата электронами горячей магнитосферной плазмы. В группе предложена новая модель процесса зарядки диэлектриков электронными пучками, которая основана на учете двухслойного распределения зарядов и образования единого для всех диэлектриков электронного критического поля между слоями положительных и отрицательных зарядов и на эффекте допорогового дефектообразования при радиационном облучении мишеней. Новая модель позволила объяснить ряд серьезных противоречий в предыдущих представлениях о зарядке в теоретических и экспериментальных работах. В частности, в рамках нового сценария электронной зарядки диэлектрических мишеней под воздействием радиационного облучения заряженными частицами кардинально пересмотрена зависимость вторичной электронной эмиссии от энергии облучающих электронов (рис. 5). При зарядке мишени она существенно деформируется. Причины этого объясняются только с помощью новой предложенной модели.
- Исследование процесса зарядки диэлектриков и незаземленных металлов пучками ионов. Под действием ионов солнечного ветра и горячей магнитосферной плазмы происходит эффект зарядки материалов космического аппарата, способный вызвать электростатический пробой материала. Данный пробой, как правило, является основной причиной отказов околоземных космических аппаратов. В рамках этих работ проводится исследование процесса зарядки диэлектриков ионными пучками с помощью нового оригинального метода спектроскопии энергии вторичных ионов. Выявлен эффект аномальной ионно-электронной эмиссии на заряженных диэлектриках.
- Исследование процессов зарядки сегнетоэлектриков пучками заряженных частиц. Для целей генерации вторичной гармоники лазерного излучения методом доменной инженерии создаются решётки из поляризованных полосок на поверхности полярных сегнетоэлектриков. Одним из удобных методов создания таких регулярных доменных решёток является облучение сегнетоэлектрика сфокусированным электронным пучком. При этом происходит локальная зарядка сегнетоэлектрика, и возникают сильные поля, которые приводят к локальному изменению вектора спонтанной поляризации. В группе проводятся работы по исследованию процессов зарядки сегнетоэлектриков пучками заряженных частиц с помощью уникальных спектрометрических методов. В этих работах впервые выявлены особенности зарядки сегнетоэлектриков, объясняемые полями поляризации приповерхностной области сегнетоэлектрических кристаллов.
Рис.5 Качественное представление эмиссионной характеристики для незаряженного диэлектрика σ0 и предложенная новая зависимость для заряженного диэлектрика σC, основанная на многочисленных экспериментальных данных. Кривая σ0C отображает общепринятую ошибочную концепцию для заряженного диэлектрика.
| Рау Эдуард Иванович | д.ф.-м.н., г.н.с. |
| Зыкова Екатерина Юрьевна | к.ф.-м.н., доц. |
| Зайцев Сергей Владимирович | к.ф.-м.н., с.н.с. |
| Татаринцев Андрей Андреевич | к.ф.-м.н., с.н.с. |
| Орликовская Нино Григорьевна | к.ф.-м.н., ст.преп. |
| Шиков Александр Владимирович | магистр |
| Кухарь Юрий Александрович | специалист |
| Стрыгин Никита Алексеевич | специалист |