277

Процесс построения РЭМ изображения предполагает, что сканирование электронного пучка по поверхности образца линейно. При очень большом угле отклонения пучка (то есть при малом увеличении) растр сканирования может становиться нелинейным из-за искажений, таких как дисторсия, показанная на рис. 69. Прямые линии сетки изгибаются внутрь на краю изображения, так как электронный луч не может сканировать так далеко в углах изображения, как это необходимо.

Противоположный эффект, известный как «бочкообразная» дисторсия, имеет место, когда прямые линии изгибаются наружу. Эти эффекты обычно несущественны при большом увеличении. Очень малое увеличение обычно используется при перемещении по образцу и в этом случае искажения не критичны. Если есть необходимость минимизировать искажения при малом увеличении, надо увеличить рабочий отрезок. Это уменьшит угол отклонения пучка при данном увеличении.

Рис. 69. «Подушкообразная» дисторсия при низком увеличении РЕМ изображения.

Зарядка образца

Одним из главных направлений исследований в сканирующей электронной микроскопии является решение проблемы зарядки непроводящего образа. Если электронный пучок облучает заземленный проводящий образец, избыточный заряд просто стекает на землю. Если образец является изолятором (например, стекло, полимер или керамика), заряд может накапливаться на поверхности образца. Это может серьезно испортить качество изображения, так как электрическое поле воздействует на эмитируемые вторичные электроны.

278

Хотя можно предположить, что образец всегда заряжается отрицательно, на самом деле может иметь место и положительная зарядка. При очень низкой энергии первичного пучка эмитируется мало электронов, следовательно, в образце накапливается отрицательный заряд. При средней энергии первичного пучка эмитируется большее количество отраженных и вторичных электронов, чем приходят на образец и, таким образом, будет иметь место положительная зарядка образца. При высокой энергии первичного пучка электроны проникают глубоко в образец и эмитируются лишь незначительная их часть. Таким образом, высокое напряжение первичного пучка почти всегда приводит к отрицательной зарядке образца.

Существуют две энергии пучка, при которых зарядка образца нейтральна, E1 и E2. Если найти правильное значение E2, то будет возможно получать изображение изоляторов без видимой зарядки образа. Значение E2 находится в диапазоне от 0.4 кэВ до 4 кэВ, в зависимости материала образца и других факторов, таких как состояние поверхности и наклон образца. При прочих равных условия, чем лучше изолятор, тем меньше значение E2 и тем сильнее эффект зарядки. Энергия E1 обычно составляет несколько сотен электрон вольт и далеко не всегда реализуема в стандартных электронных микроскопах.

279

Рис. 70 Зарядка образца в зависимости от энергии пучка.

Так как РЭМ часто работает на напряжении более 5 кэВ, чаще наблюдается отрицательная зарядка образцов. Пример этого показан на рис.71. Отрицательный заряд приводит к возрастанию эмиссии вторичных электронов по направлению к детектору, приводя к очень яркому, часто полностью пересвеченному изображению. Даже там, где изображение не пересвечено, качество изображения плохое, так как это изображение электрического поля над поверхностью образца, а не самого образца.

Рис. 71 Напряжение первичного пучка 10 КэВ. На изображение микросхемы с пассивацией показана отрицательная (яркие области) зарядка. Заземлены только металлические контактные площадки и, следовательно, они не заряжаются.

Положительная зарядка происходит при низком напряжении и обычно этот эффект не такой сильный, как в случае отрицательной зарядки. Если заряд поверхности образца достигает 15 вольт, то основная часть вторичных электронов не может покинуть поверхность образца, и зарядка образца прекращается. С другой стороны, отрицательная зарядка может повышать или напряжение электронного луча или потенциал пробоя на поверхности образца, в зависимости от того, что произойдет раньше. Положительная зарядка образует темные области

280

на поверхности образца, так как очень мало вторичных электронов способны покинуть поверхность образца (см. рис. 72).

Рис. 72. Напряжение первичного пучка 10 КэВ. На изображение микросхемы с пассивацией показана положительная (темные области) зарядка.

Положительная зарядка не такая сильная, как отрицательная, и действие ее менее заметно.

Если напряжение подобрано так, что зарядка нейтрализуется, изображение будет четким и с хорошим контрастом даже на изоляторах (см. рис. 73).

281

Рис. 73. Тот же самый образец, но используется напряжение 2.5 кэВ, при котором нейтрализуется зарядка пассивации.

Другие методы уменьшения или уничтожения зарядки образца включают в себя наклон образца для повышения эмиссии вторичных электронов, использование внутрилинзового детектора или детектора отраженных электронов, использование регулируемого давления в камере, настройка (регулировка) тока пучка, области или скорости сканирования, а также, покрытие образца проводящей пленкой.

Настройка (регулировка) тока пучка, области или скорости сканирования может уменьшить зарядку, но не уничтожить ее. Покрытие образца проводящей пленкой должно полностью уничтожить зарядку, но это метод имеет некоторые существенные недостатки и не всегда может применяться.

Повреждение образца электронным пучком Электроны высокой энергии могут вызывать серьезные повреждения чув-

ствительных к электронам образцов. Такие повреждения могут быть нескольких типов. Выжигание растром (нагар) - это часто просто зарядка образца, которая может исчезнуть, когда образец попадет на атмосферу. Если пучок с большим током облучает маленькую область (например, для рентгеновского микроанали-

282

за), на образец может осаждаться углерод (гидрокарбонатная пленка), особенно если образец грязный или в камере плохой вакуум.

Большой ток, применяемый для облучения чувствительных изоляторов, может вызывать их оплавление или электростатический разряд. Для электронных приборов проникновение электронного пучка до затвора КМОП транзистора может вызывать сдвиг порогового напряжения. Этот сдвиг можно исправить отжигом при 150 градусах в течение одного часа.

Практические РЭМ методики Идеальный метод крепления образца должен быть быстрым и легким,

обеспечивающим неподвижность образца (для предотвращения вибраций, которые могут испортить изображение с высоким разрешением), электрическую проводимость для того, чтобы исключить зарядку образца и сохранность образца. Не существует единого способа, удовлетворяющего всем этим требованиям, однако есть три общепринятых метода, которые описаны ниже.

Углеродная или серебряная проводящая краска (контактол). Крепление образца с помощью такой краски обеспечивает жесткость и проводимость, но является медленным методом, так как краска должна высохнуть. Хотя, как правило, это неразрушающий метод крепления, но иногда краска может остаться на образце.

Гибкие клипсы с винтовым прижимом, смонтированные на держателе, позволяют легко, быстро и жестко установить образец. Но при этом возможно повреждение некоторых образцов.

Металлическая лента с углеродными липкими точками с обеих сторон позволяет монтировать образец легко и быстро, но недостаточно жестко. Иногда бывает трудно удалить образец, не повредив его.

Подготовка образца Твердые материалы обычно не прозрачны для электронного пучка, поэто-

му РЭМ изображение поверхности кристалла микросхемы, например показанное на рис. 73, часто не очень информативно в случае анализа отказов. Для того, чтобы увидеть дефекты, необходимо, как правило, каким либо образом заглянуть внутрь кристалла микросхемы. Наиболее часто используются поперечные

283

сечения, которые позволяют наблюдать дефекты и видеть качество выполнения технологического процесса.

При разработке и контроле технологических процессов часто требуется выполнить большое количество поперечных сечений микросхем, особенно для новых технологических процессов или процессов, вышедших за рамки требований спецификации. Типичное поперечное сечение показано на рис.74. Если исследователя интересуют активные области, для их декорирования можно использовать смесь в соотношении 10:3:1 уксусной кислоты/азотной кислоты/плавиковой кислоты. Образец погружают в эту смесь на несколько секунд под ярким светом (вполне достаточно использовать небольшую лампу) [94].

Для выделения (декорирования) оксидных слоев могут использоваться процессы жидкого или плазменного травления, которые имеют несколько отличающуюся скорость травления для различных оксидных слоев. Эта разница в скорости травления создает топографическую картину, которая хорошо видна в РЭМ.

Рис. 74. РЭМ изображение поперечного сечения интегральной схемы после декорирования.

284

Кроме этого, на микросхеме можно вскрывать слои сверху, применяя плазменное травление, жидкостное травление или плоскостную полировку. Примеры вскрытия слоев ПХТ и жидкой химией показаны на рисунках 75 и 76. Жидкостное травление может быть очень быстрым и обеспечивает очень хорошую селективность к различным материалам, но скорость травления трудно контролируется и, так как жидкостное травление изотропно, возможно подтравливание слоев.

Плазменное травление может быть селективно к металлам или диэлектрикам, может быть направленным (анизотропным) или изотропным и легко контролируется, но такое травление медленное и может оставлять после себя такие дефекты, как остатки полимера.

Механическая полировка сравнительно не чувствительна к составу и, таким образом, может обеспечить плоское послойное удаление, но этот метод очень медленный, и получающаяся в результате плоская поверхность может иметь плохой контраст во вторичных электронах.

Во многих случаях, для того, чтобы получить желаемый результат, эти методы можно комбинировать. Например, слой пассивации нитрида кремния невосприимчив к жидкостному травлению. Но после того как пассивация удалена в плазме или механической полировкой, микросхема может быть протравлена в жидкой химии до поликремниевых затворов, как это было сделано для образца на рис. 76.

285

Рис. 75. РЭМ изображение интегральной схемы после плазмененного послойного удаления. Видны слои двух металлов, межслойного (защитного) диэлектрика и поликремния.

Рис. 76. РЭМ изображение интегральной схемы после жидкостного травления до слоя поликремниевого затвора.

Проводящее покрытие Вообще говоря, не всегда стоит покрывать проводящим покрытием не-

проводящие образцы во избежание зарядки. Небольшая зарядка может, как ни

286

странно, добавить некоторый контраст, например пассивный потенциальный контраст, который очень полезен для интерпретации изображения.

Проводящее покрытие может мешать рентгеновскому микроанализу и методам подготовки образцов, таким как плазменное травление и химическое декорирование. При очень высоком разрешении проводящее покрытие может скрывать важные детали поверхности и привносить дефекты, такие как контраст от зерен покрытия. Изображение с большим увеличением алюминиевого проводника во вторичных электронах на рис. 19 содержит эти дефекты. Реальные детали образца - это большая складка в верхнем правом углу и маленькие частицы в нижнем левом углу снимка. Маленькие волнообразные линии, это детали проводящего покрытия и они не имеют ничего общего с реальной поверхностью образца.

Рис. 77. РЭМ изображение алюминиевого проводника, покрытого слоем Au/Pd толщиной 10 нм.

Тем не менее, лаборатории, использующие РЭМ, должны иметь возможность осадить несколько нанометров проводящего материала на поверхность образца. Часто используется сплав золота с палладием, так как этот материал имеет малый размер зерен. Используются также хром, платина, иридий и углерод. В

287

последнее время стало популярным покрытие иридием, так как оно дает очень гладкую поверхность. Углерод, в общем, менее эффективен, чем другие материалы, однако его преимущества в том, что он не препятствует рентгеновскому микроанализу и может быть легко удален в кислородной плазме. Для сплошного покрытия металлом требуется слой толщиной около 10 нм, но уже 2 – 3 нм покрытия могут привести к значительным изменениям поверхности образца.

Фактически, проводящее покрытие делает три вещи, которые улучшают изображение. Первое – убирает зарядку образца. Второе – повышает эмиссию вторичных электронов с поверхности образца, что увеличивает сигнал и улучшает отношение сигнал / шум на изображении. Третье – уменьшает разброс вторичных электронов, что повышает топографический контраст.

Последние два эффекта часто улучшают изображение и на проводящих и на непроводящих образцах, даже если используется очень тонкое (< 5 нм) покрытие. Таким образом, проводящее покрытие образца часто используется для того, чтобы улучшить получаемое изображение.

Ускоряющее напряжение Критичным вопросом при использовании РЭМ является выбор ускоряю-

щего напряжения для данного образца. Хотя в спецификациях на установки РЭМ говорится, что минимальный размер пучка достигается при максимальном ускоряющем напряжении, использование низкого напряжения часто позволяет сделать более качественные изображения. Хотя высокое напряжение уменьшает размер пятна, оно также сильно увеличивает пробег электронов в образце и, следовательно, рассеяние (см. таблицу 70).

При ускоряющем напряжении 1 кВ электроны из очень маленькой области образца порождают вторичные электроны, следовательно, сигнал очень чувствителен к состоянию поверхности. Более того, низкое напряжение может уменьшить проблемы зарядки. В общем случае, оптимальным является использование самого низкого возможного напряжения, при котором получается изображение с хорошим качеством.

288

Таблица 70. Зависимость размера пятна и пробег электронов в алюминии от ускоряющего напряжения.

При высоком ускоряющем напряжении можно получить четкое изображение, но с потерей деталей поверхности (см. рис. 78(а)). При 20 кВ изображение потеряло детали поверхности, но вольфрамовые пробки, лежащие на глубине один микрон под алюминием, становятся видимыми (хотя изображение пробок нечеткое из-за рассеяния электронов в образце).

С другой стороны, изображение на рис. 78(б) при 10 кВ имеет больше деталей поверхности и имеет хорошее разрешение. Изображение на рис. 78(в) при 1 кВ имеет худшее разрешение, но показывает некоторые дополнительные детали поверхности. В частности, можно увидеть черные точки загрязнения, которые не видны при высоком ускоряющем напряжении. Эти черные метки похожи на очень тонкий слой углеродного загрязнения.

Рис. 78а. РЭМ изображение при ускоряющем напряжении 20 кВ. Видны вольфрамовые пробки под алюминиевым проводником.

289

Рис. 79 РЭМ изображение алюминиевого проводника при ускоряющем напряжении 10 кВ.

Рис. 80 РЭМ изображение алюминиевого проводника при ускоряющем напряжении 10 кВ.

Наклон образца и компоновка (композиция)

Столик для крепления образцов в РЭМ сконструирован таким образом, чтобы была возможность наклонять образец по направлению к детектору, и в

290

большинстве случаях лучшие фотографии получаются при наклоне образца, по крайней мере, на 15 градусов. Наклон образца увеличивает эмиссию вторичных электронов и, также, увеличивает количество электронов, захваченных детектором. Более того, наклон образца позволяет легче интерпретировать топографию поверхности и трехмерных структур.

На рис. 81, 82 представлены изображения одного и того же образца без наклона и с наклоном 30 градусов, соответственно. Единственным недостатком наклона образца является тот факт, что вертикальная ось укорачивается, и это делает затруднительным метрологические измерения.

Рис. 81. РЭМ изображение без наклона образца.

291

Рис. 82. РЭМ изображение с наклоном образца на 30 градусов и разворотом на 45 градусов.

Фокусировка и коррекция астигматизма Настройки фокуса и коррекции астигматизма наиболее важны для форми-

рования изображений с хорошим разрешением. Необходимо отметить, что фокусировка и коррекция астигматизма применяются и в системах РЭМ, и в системах с фокусированными ионными пучками (FIB). Главным отличием является то, что в системах FIB происходит постепенное разрушение образца, следовательно, настройки должны осуществляться быстрее.

В идеале, магнитные линзы в РЭМ должны быть осесимметричны и должны собирать все электроны к оптической оси в точку финального кроссовера. Астигматизм образуется из-за асимметрии линз и приводит к тому, что электроны в различных плоскостях собираются в разные точки на оптической оси. Астигматизм может вызываться небольшими дефектами линз, загрязнением диафрагм или побочным электрическим полем в камере.

Астигматизм корректируется путем использования дополнительных магнитных полей (X и Y стигматоры). К сожалению, правильное значение для коррекции астигматизма изменяется при изменении ускоряющего напряжения, токов линз и рабочего отрезка, следовательно, изменяя эти параметры необходимо

292

каждый раз корректировать астигматизм. Если образец сильно заряжается, это может вызывать сильный астигматизм, которые невозможно скорректировать стигматором.

Интегральные микросхемы часто содержат длинные прямые линии металлизации. Необходимо избегать проведения фокусировки на таких линиях, так как это может привести к перефокусировке или недофокусировке и к невозможности правильной коррекции астигматизма. Фокусировку можно проводить на небольших объектах, например на частице пыли, если она не является изолятором, так как в этом случае эффект зарядки может усиливать астигматизм (рис.

83).

Рис. 83. Для хорошей фокусировки объект должен быть круглым или квадратным и не должен заряжаться.

Если получено хорошее изображение при высоком увеличении, следовательно, изображение будет в фокусе при любом меньшем увеличении. Если необходимо переместится по образцу для поиска различных объектов, может понадобиться коррекция фокусировки. Юстировка и стигматор не требуют в этом случае настроек, если не изменялись ускоряющее напряжение, ток пучка или рабочее расстояние.

Обычно столик объектов наклоняют к детектору вторичных электронов и растр изображения регулируют таким образом, чтобы детектор был направлен к верху изображения. Таким образом, ось наклона будет совпадать с осью X столика. Следовательно, если образец наклонить, верх изображения будет немного дальше, а низ изображения будет немного ближе к объективной линзе, чем центр изображения. Это приведет к тому, что если двигать образец вдоль оси Y фокус

293

будет быстро меняться, а при движении образца по оси X изменений фокуса не будет. Во многих случаях, в поле зрения изображения могут отсутствовать объекты, пригодные для фокусировки, или нагар от фокусировки при большом увеличении может испортить изображение. В этих случаях необходимо выбрать другой объект для фокусировки, который находится на том же самом расстоянии вдоль оси X, а после фокусировки вернуть столик по оси X обратно к точке изображения.

Яркость и контраст Настраивать эти регулировки намного легче, если микроскоп имеет такую

функцию, как «профиль сигнала по строке» (см. рис. 84). Профиль сигнала по строке это просто график распределения интенсивности в линии строки по образцу. В идеале, интенсивность изображения должна изменяться во всем динамическом диапазоне монитора без белых или черных областей, которые показывают, что изображение имеет слишком высокую или слишком низкую интенсивность. «Контраст» растягивает или сужает диапазон интенсивности. Очень маленький контраст приводит к серому изображению, на котором мало, что видно. Очень большой контраст приводит к насыщению изображения на верхнем и нижнем уровне, что приводит к появлению белых и черных областей. «Яркость» повышает или понижает общий уровень сигнала. В общем случае необходимо выбирать максимальный уровень контраста так, чтобы использовать весь диапазон интенсивности, но без насыщения на верхнем или нижнем уровне. После этого необходимо отрегулировать яркость таким образом, чтобы общая интенсивность изображения была корректной.