Abbildung mittels Elektronenstrahl - Lehrstuhl für Optik, Uni Erlangen
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Scheinseminar Optische Lithographie Anwendungen, Grenzen und Perspektiven Vortrag vom 19.11.2008 Abbildung durch Elektronenstrahlen (Wie funktioniert ein Rasterelektronenmikroskop?) Benjamin Hussendörfer Gliederung ● Motivation für die Nutzung von Elektronenoptik bzw. REM ● Elektronenstrahlerzeugung ● Elektronenoptik, Linsenfehler und Auflösungsvermögen ● Wechselwirkungsprozesse ● Kontrast und Detektion ● Mögliche weitere Verfahren ● Zusammenfassung Abbildungsmöglichkeiten (Auswahl) feste Beleuchtung rasternd Linse Rasterkraftmikroskop Lichtmikroskop Rastertunnelmikroskop Transmissionselektronenmikroskop Rasterelektronenmikroskop Quelle: www.ipf.uni-stuttgart.de/.../optik/linse.gif Goldprobe mit monoatomaren Stufen Lichtmikroskop ● ● Wichtige Parameter: Auflösung, Vergrößerung Auflösungsvermögen von der Wellenlänge abhängig => A= ● ● 1.22 2 sin n Minimale Wellenlänge beim Lichtmikroskop ca. 0.4 µm => bestes Auflösungsvermögen: 0.2 µm Vergrößerung bis zu 1:1000 => v= −s∗t f ob∗ f ok Elektronenoptik ● de Broglie Wellenlänge: => = h eUE eU 2 0 ● Beschleunigungsspannung bis ca. 100 KeV => minimale Wellenlänge : 4 pm ● Auflösungsvermögen: 1,2 nm ● Vergrößerung: etwa 1:1000.000 „ Väter der Elektronenoptik und des Rasterelektronenmikroskops“ ● ● ● ● ● 1886 Entdeckung der Kanalstrahlen durch Eugen Goldstein 1927 theoretische Grundlagen der Elektronenoptik durch Hans Busch 1932 erstes Elektronenmikroskop durch E. Ruska u. Max Knoll Ernst Ruska 1937 Manfred von Ardenne setzt die Grundlagen für das Rasterelektronenmikroskop 1938 Ruska und Bodo von Borries entwickeln erstes REM Manfred von Ardenne Glühkathode ● ● ● ● ● Thermische Emission von Elektronen Richardson Formel: − 2 KT J = AT e Erste Fokussierung des Elektronenstrahls durch den Wehnelt- Zylinder => Reeller Crossover Point Kathodenmaterial z.B. LaB6 oder Wolfram Lebensdauer des Kathodenmaterials stark abhängig von Heizstrom Quelle:L.Reiner G. Pfefferkorn Raster-Elektronenmikroskopie Feldemission ● Sehr dünne und saubere Spitze (z.B. Wolfram) ● Hohe elektrische Feldstärke : E= ● Äußeres Feld => Tunneleffekt ● Strom gegeben durch die Fowler- Nordheim- Gleichung: 3 2 => j= AE e ● −B 2 E Kalte Emission U r Charakteristische Größen Parameter Austrittsarbeit Arbeitstemperatur Stromdichte Crossovergröße Lebensdauer Emissionsstromstabilität Einheit eV K A/m2 μm hr %/h Potentialverlauf eines Feldemitters Wolfram LaB6 Feldemission 4,5 2700 5.104 50 100 >1 2,4 1700 106 10 500 >1 4,5 300 1010 <0,01 >1000 >5 http://www.physics.csbsju.edu/lab/thermionic.pdf Magnetische Elektronenlinsen ● Der kleinste Strahlquerschnitt (Crossover) muss minimiert werden =>Elektronenlinsen ● Lorentzkraft: F =−e vx B ● Schraubenförmige Bahn der Elektronen ● Magnetfeld gegeben durch: B= N 0∗I 2R 1 Rz 22 /3 ∞ Brennweite: 1 e 2 = B z dz ∫ f 8mU −∞ Quelle:L.Reiner G. Pfefferkorn Raster-Elektronenmikroskopie ● Wegen schraubenförmigen Verlauf kommt es zu ∞ e Bilddrehung: = ∫ B Z dz 8mU −∞ Linsensystem ● Im REM verkleinert das Linsensystem den Crossover d`0 => d 0= f1f2 f3 d ´0 L1 L 2 L3 ● Linsensystem: ● 2 Kondensorlinsen => Reduzieren den Querschnitt ● 1 Objektivlinse bildet den Crossover auf die Probe ab Linsenfehler (Öffnungsfehler) Abb. 3.3a, L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977 Öffnungsfehler: -Elektronen, die einen großen Abstand von der Achse haben, werden stärker abgelenkt => Kürzere Brennweite -Bildung eines „Brennkreises“ statt eines Brennpunktes 3 => d s=0.5C s Linsenfehler / Farbfehler Abb. 3.3b, L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977 Farbfehler: -Brennweitendifferenz bei verschiedenen Wellenlängen - Wellenlängenschwankungen durch Schwankung der Elektronenenergie verursacht => d C =C C E E0 Linsenfehler / Axialer Astigmatismus Abb. 3.3b, L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977 - Brennweite zweier aufeinander senkrecht stehender Elektronenbündel kann aufgrund von magnetischen Inhomogenitäten, Aufladungserscheinungen, etc. zueinander verschoben sein. => d A= f ∗ - Dieser Fehler kann durch elektrische oder magnetische Korrekturfelder behoben werden Linsenfehler / Axialer Astigmatismus Gute Einstellung der Astigmatoren Schlechte Einstellung der Astigmatoren in x- und y- Richtung Beugungsfehler Abb. 3.3b, L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977 -Die Aperaturbegrenzung führt dazu, dass der Fokus der Linse nicht scharf sein kann => Beugungsscheibchen: d B=0.6 (z.B. bei α=1.25.10-3 und λ=4 pm => dB= 2 nm) Auflösungsvermögen ● Das Auflösungsvermögen wird im Wesentlichen vom Durchmesser der Elektronensonde auf der Probe bestimmt Idealer Durchmesser des abgebildeten Crossovers: 1 2 I 0 2 1 d 0= ● ● Theoretisches Auflösungsvermögen: d eff = d 0 d s d e d B 2 2 2 2 Weitere begrenzende Faktoren: ● ● Elektronenstreuung in der Diffusionswolke Statistische Schwankung Abb 3.4,L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977 Rasterprozess Vergrößerung: - Veränderung des Spulenstroms und des Arbeitsabstandes => Änderung der abgerasterten Fläche => Änderung der Vergrößerung - Vergrößerung ohne Variation der Brennweite V= Kantenlänge des Bildes auf der Bildröhre Kantenlänge des abgebildeten Bereichs auf dem Objekt Darstellung: - Jeder Punkt wird abgerastert - Die gewonnene Information bestimmt die Helligkeit des in Echtzeit dargestellten Punktes - So läuft z.B. der Strahl eines CRT Schirms synchron zum Elektronenstrahl des REMs ● Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe Praktikum REM und EDXS Bearbeiter: Dr. H. Podlesak „Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Energiedispersive Röntgenmikrobereichsanalyse (EDXS) “ Stoßprozesse Elastische Streuung: - Streuung an den Nukleonen der Probe durch Coloumbkraft - Differentieller Wirkungsquerschnitt: d = d 4R∗Z 2 0 64∗ a 0 ∗sin 2 2 2 2 - großer Streuwinkel Inelastische Streuung: -Streuung an Plasmonen - Anregung von Elektronen - Ionisierung - Comptoneffekt - Kleiner Streuwinkel Quelle:Rasterelektronenmikroskopie, 2.Aufl. 1977, Fig. 1.5 Diffusionswolke 9000 10800 6000 7500 Pb bei U=70 KV, ɳ=0.52 Cu bei U=70 KV, ɳ=0.25 ● In der Realität kommt es zu Mehrfachstreuung (>25) ● Hohes Z führt zu einer Zunahme der Rückstreuelektronen Diffusionswolke Au mit d=200nm auf GaAs, Beschleunigungspannung: 5 kV 40 kV Streubirne Quelle:L.Reimer Scanning Elektron Microskop 2nd ed. 1998, Fig. 1.4, Rückstreuelektronen Röntgenstrahlen >50eV Materialkontrast Materialabhängig Bestimmung der enthaltenen Elemente und deren Konzentration Absorptionsstrom Topographiekontrast und Ordnungszahl Transmittierte Elektronen keV Innere Struktur Kathodoluminieszenz 0.3 – 2 µm Defekte, Verunreinigungen Augerelektronen 50 eV – 3 KeV Oberflächenelemente+Verunreinigungen Detektion der Sekundärelektronen (Everhart-Thornley Detektor) Abb. 3.11, L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977 Detektion der Sekundärelektronen (Everhart-Thornley Detektor) -Szintilationszähler mit angeschlossenem Photomultiplier -Es müssen langsame Elektronen detektiert werden => Elektronen werden zunächst von einem schwachen elektr. Feld abgesaugt (ca. 0.2 keV) und anschließend zum Szintilator hin beschleunigt - Im Metall entstehen Elektron-Loch Paare (ca. 3000 pro einfallendem Elektron) - Entstehung von Licht durch Rekombination (1-3% der SE) 1SE~10PE - Verstärkung durch Photomultiplier Detektion der Rückstreuelektronen (Halbleiterdetektor) Detektion der Rückstreuelektronen (Halbleiterdetektor) -Halbleiterdetektor mit Oberflächensperrschicht (z.B. Metallschicht) => Langsame SE und Lichtquanten, emittiert von der Probe, werden absorbiert -RE mit 10 KeV erzeugen ca. 3000 Elektron Loch-Paare -Durch Trennung am pn-Übergang und Diffusion entstehen so pro einfallendem RE Elektron 1000 Elektronen im Detektor - Anbringung oberhalb der Probe deckt ein größeres Raumwinkelement der RE ab Detektion der Rückstreuelektronen (Halbleiterdetektor) ● ● Summe der beiden Detektorsignale => Materialkontrast Differenz der beiden Signale => Topographiekontrast Quelle: Invitation to the SEM World, p.30 Kontrast Teststruktur bei V=12000 ● ● Kontrast durch Kanten: - An Kanten oder hervorstehenden Strukturen kommt es zu einer erhöhten RE- und SE- Ausbeute - Auflösung der genauen Form der Kante geht verloren - Struktur der Kante erscheint aber besser aufgelöst - Besonders der Kontrast kleiner Teilchen wird verändert Flächenneigungskontrast: -SE-Ausbeute δ undRückstreukoeffizient η sind abhängig vom Einfallswinkel des Elektronenstrahls => Flächen die in Richtung des Detektors geneigt sind erscheinen heller => I ~sin Kontrast durch Abschattung Quelle: Inventention to the SEM´s World JEOL -Bei der vom Detektor abgewandten Fläche spielt die Struktur der Fläche eine wichtige Rolle -RE erscheinen dunkel -SE erscheinen hell - Abschattungseffekte sind insbesondere bei tiefen Löchern nachteilig Materialkontrast Au ɳ=0.48; GaAs ɳ=0.26 - Variation des Rückstreukoeffizenten => Bildhelligkeit wird durch den Rückstreukoeffizenten des Materials bestimmt (Atome höherer Ordnungszahl streuen stärker) -Probenstrom => hoher Probenstrom nötig => von der Detektorgeometrie unabhängig Schärfentiefe Numerische Apertur tan : Kleinste Größe der auf dem Monitor noch auflösbaren Objektdetails Schärfentiefe: T = Geometrie der Schärfentiefe Schärfentiefe Blende 170 µm, Arbeitsabstand 15mm Blende 170 µm Arbeitsabstand 48 mm Schärfentiefe Blende 50 µm Arbeitsabstand 15 mm Blende 50 µm Arbeitsabstand 48 mm Bildfehler durch Aufladungseffekte Ursache: -Die einfallenden PE ionisieren die Atome auf der Oberfläche der Probe. -Kleine Beschleunigungsspannungen führen zu negativer, große Spannungen zu positiver Aufladung (Ionisation) -Bei Isolatoren können die Ladungen nicht abfließen Mögliche Gegenmaßnahmen: -Kleinere Beschleunigungsspannungen => negative Aufladung => Verlust von Eindringtiefe und Sekundärelektronen - Herabsetzen des Vakuums => Streuung an Gasatomen und Molekühlen -Aufdampfen einer dünnen Metallschicht => Verlust von wichtigen Strukturen auf der Oberfläche Aufladungseffekte Photonische Glasfaser bei einer Beschleunigungsspannung von 20 KV Die gleiche Faser bei annähernd gleicher Bestrahldauer, aber einer Beschleunigungsspannung von 40 KV Erweiterungen und zusätzliche Detektoren Mögliche weitere Messverfahren: ● Messung unter mechanischer Spannung ● Oberflächenuntersuchungen bei erhitzten Proben ● Veränderung des Betrachtungswinkels weitere Detektoren: ● Leuchtschirm bzw. CCD-Sensor ● Spektroskop ● Wellenlängendispersive Röntgenfluoreszenzanalyse ● Energiedispersive Röntgenspektroskopie EDX ● ● ● ● ● Materialanalyse mit Hilfe von Röntgenstrahlung Detektion mit Hilfe von von SI(Li)- Detektoren Möglichkeit zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung in Abhängigkeit vom Ort Energiespektrum einer 20 Cent Münze Abschirmung der Hintergrundstrahlung durch Windowmaterial Schnelle Analyse Verteilung von Ga anhand der Kα-Linien Si(Li)- Detektor ● ● ● ● ● Schwach dotierter p n Übergang mit breiter intrinsischer Schicht im Raumladungsgebiet Entstehung von ElektronLoch- Paaren Betrieb in Sperrichtung Eindiffundieren von Li zur Kompensation von Löchern und freien Ladungsträgern Stickstoffgekühlt Quelle: Rasterelektronenmikroskop. Dr. Bertsche Elektronenstrahllithographie ● Beamblanker Ansteuerung der Ablenkspulen über spezifisches Tool ● ● Konstanter Strahlenstrom ● Präzissionsprobentisch Auswahl des maximalen Schreibfeldes (Stitching) ● ● Beschreibung sowohl vektoriell als auch rasterförmig Einfühurngsvortrag Rasterelektronenmikroskop Universität Erlangen Zusammenfassung ● REM hat ein wesentlich höheres Auflösungsvermögen als herkömmliche optische Systeme ● Hohe Vergrößerung und gute Schärfentiefe ● Möglichkeit der Untersuchung der Topographie und der Zusammensetzung Untersuchung von leitenden Proben, mit entsprechender Präperation auch die Untersuchung von nichtleitenden Proben möglich ● ● Zusätzliche Möglichkeiten wie Elektronenstrahllithographie und EDX ● Oberfläche und Tiefe untersuchbar Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !!!! Quelle:http://www.hohenstein.de/ximages/316458_remmilbe15.jpg
