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)

Quelle: www.ipf.uni-stuttgart.de/.../optik/linse.gif

feste BeleuchtungLinseLichtmikroskop

rasterndRasterkraftmikroskopRastertunnelmikroskop

Transmissionselektronenmikroskop Rasterelektronenmikroskop

Goldprobe mit monoatomaren Stufen

Lichtmikroskop

● Wichtige Parameter: Auflösung, Vergrößerung

● Auflösungsvermögen von der Wellenlänge abhängig

=>

● Minimale Wellenlänge beim Lichtmikroskop ca. 0.4 µm => bestes Auflösungsvermögen: 0.2 µm

● Vergrößerung bis zu 1:1000

=>

A= 1.222 sinn

v= −s∗tf ob∗ f ok

Elektronenoptik

● de Broglie Wellenlänge:

=>

● Beschleunigungsspannung bis ca. 100 KeV

=> minimale Wellenlänge : 4 pm

● Auflösungsvermögen: 1,2 nm

● Vergrößerung: etwa 1:1000.000

=h

eUE 0eU 2

„ 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

● 1937 Manfred von Ardenne setzt die Grundlagen für das Rasterelektronenmikroskop

● 1938 Ruska und Bodo von Borries entwickeln erstes REM

Ernst Ruska

Manfred von Ardenne

●Thermische Emission von Elektronen

● Richardson Formel:

● Erste Fokussierung des Elektronenstrahls durch den Wehnelt- Zylinder => Reeller Crossover Point

● Kathodenmaterial z.B. LaB6 oder Wolfram

● Lebensdauer des Kathodenmaterials stark abhängig von Heizstrom

J=AT 2e−KT

Glühkathode

Quelle:L.Reiner G. Pfefferkorn Raster-Elektronenmikroskopie

Feldemission

● Sehr dünne und saubere Spitze (z.B. Wolfram) ● Hohe elektrische Feldstärke :

● Äußeres Feld => Tunneleffekt

● Strom gegeben durch die Fowler- Nordheim- Gleichung:

=>

● Kalte Emission

j=AE 2 e−B

32

E

E=Ur

Charakteristische Größen

Parameter Einheit Wolfram FeldemissionAustrittsarbeit 4,5 2,4 4,5Arbeitstemperatur K 2700 1700 300Stromdichte

50 10 <0,01Lebensdauer 100 500 >1000Emissionsstromstabilität >1 >1 >5

LaB6

eV

A/m2 5.104 106 1010

Crossovergröße μmhr

%/h

Potentialverlauf eines FeldemittersPotentialverlauf eines FeldemittersPotentialverlauf eines Feldemitters http://www.physics.csbsju.edu/lab/thermionic.pdf

Magnetische Elektronenlinsen

● Der kleinste Strahlquerschnitt (Crossover) muss minimiert werden =>Elektronenlinsen● Lorentzkraft:

● Schraubenförmige Bahn der Elektronen

● Magnetfeld gegeben durch:

Brennweite:

● Wegen schraubenförmigen Verlauf kommt es zu

Bilddrehung:

F=−e vx B

B=N 0∗I2R 1 zR

22 /3

1f =

e8mU ∫−∞

∞

B z 2dz

= e8mU ∫−∞

∞

B Z dz

Quelle:L.Reiner G. Pfefferkorn Raster-Elektronenmikroskopie

Linsensystem

● Im REM verkleinert das Linsensystem den Crossover d`

0

=>

● Linsensystem:

● 2 Kondensorlinsen => Reduzieren den Querschnitt ● 1 Objektivlinse bildet den Crossover auf die Probe ab

d 0=f 1 f 2 f 3L1 L2 L3

d ´0

Linsenfehler (Öffnungsfehler)

Öffnungsfehler: -Elektronen, die einen großen Abstand von der Achse haben, werden stärker abgelenkt => Kürzere Brennweite

-Bildung eines „Brennkreises“ statt eines Brennpunktes => d s=0.5C s

3

Abb. 3.3a, L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977

Linsenfehler / Farbfehler

Farbfehler: -Brennweitendifferenz bei verschiedenen Wellenlängen

- Wellenlängenschwankungen durch Schwankung der Elektronenenergie verursacht =>

Abb. 3.3b, L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977

dC=CCEE0

Linsenfehler / Axialer Astigmatismus

- Brennweite zweier aufeinander senkrecht stehender Elektronenbündel kann aufgrund von magnetischen Inhomogenitäten, Aufladungserscheinungen, etc. zueinander verschoben sein. =>

- Dieser Fehler kann durch elektrische oder magnetische Korrekturfelder behoben werden

d A= f∗

Abb. 3.3b, L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977

Linsenfehler / Axialer Astigmatismus

Gute Einstellung der Astigmatoren Schlechte Einstellung der Astigmatoren in x- und y- Richtung

Beugungsfehler

-Die Aperaturbegrenzung führt dazu, dass der Fokus der Linse nicht scharf sein kann => Beugungsscheibchen: d B=0.6

Abb. 3.3b, L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977

(z.B. bei α=1.25.10-3 und λ=4 pm => dB= 2 nm)

Auflösungsvermögen

d eff=d 02d s2d e

2d B2

● Das Auflösungsvermögen wird im Wesentlichen vom Durchmesser der Elektronensonde auf der Probe bestimmt

● Idealer Durchmesser des abgebildeten Crossovers:

● Theoretisches Auflösungsvermögen:

Weitere begrenzende Faktoren:

● Elektronenstreuung in der Diffusionswolke

● Statistische Schwankung

d 0=2

I 012 1

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

● 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

V= Kantenlänge des Bildes auf der BildröhreKantenlänge des abgebildeten Bereichs auf demObjekt

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:

- großer Streuwinkel

Inelastische Streuung: -Streuung an Plasmonen - Anregung von Elektronen - Ionisierung- Comptoneffekt- Kleiner Streuwinkel

d d =

R4∗Z 2

64∗a02∗sin2

2

02

Quelle:Rasterelektronenmikroskopie, 2.Aufl. 1977, Fig. 1.5

Diffusionswolke

● In der Realität kommt es zu Mehrfachstreuung (>25)

● Hohes Z führt zu einer Zunahme der Rückstreuelektronen

Pb bei U=70 KV, ɳ=0.52 Cu bei U=70 KV, ɳ=0.25

6000

9000 10800

7500

Diffusionswolke

Au mit d=200nm auf GaAs, Beschleunigungspannung: 5 kV

40 kV

Streubirne

>50eV MaterialkontrastRöntgenstrahlen Bestimmung der enthaltenen Elemente

und deren KonzentrationAbsorptionsstrom

Innere StrukturDefekte, VerunreinigungenOberflächenelemente+Verunreinigungen

RückstreuelektronenMaterialabhängig

Topographiekontrast und OrdnungszahlTransmittierte Elektronen keVKathodoluminieszenz 0.3 – 2 µmAugerelektronen 50 eV – 3 KeV

Quelle:L.Reimer Scanning Elektron Microskop 2nd ed. 1998, Fig. 1.4,

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)- Verstärkung durch Photomultiplier 1SE~10PE

Detektion der Sekundärelektronen(Everhart-Thornley Detektor)

Abb. 3.11, L.Reimer G. Pfefferkorn: Rasterelektronenmikroskopie, Springerverlag 1977

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)

Detektion der Rückstreuelektronen (Halbleiterdetektor)

● Summe der beiden Detektorsignale => Materialkontrast

● Differenz der beiden Signale => Topographiekontrast

Quelle: Invitation to the SEM World, p.30

Kontrast

● 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 =>

Teststruktur bei V=12000

I~sin

Kontrast durch Abschattung

-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

Quelle: Inventention to the SEM´s World JEOL

- Variation des Rückstreukoeffizenten => Bildhelligkeit wird durch den Rückstreukoeffizenten des Materials bestimmt (Atome höherer Ordnungszahl streuen stärker) -Probenstrom => hoher Probenstrom nötig => von der Detektorgeometrie unabhängig

Materialkontrast

Au ɳ=0.48; GaAs ɳ=0.26

Schärfentiefe

Numerische Apertur Geometrie der Schärfentiefe

T= tan

Schärfentiefe:

: Kleinste Größe der auf dem Monitor noch auflösbaren Objektdetails

Schärfentiefe

Blende 170 µm, Arbeitsabstand 15mm

Blende 170 µm Arbeitsabstand 48 mm

Schärfentiefe

Blende 50 µmArbeitsabstand 15 mm

Blende 50 µmArbeitsabstand 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

● Abschirmung der Hintergrundstrahlung durch Windowmaterial

● Schnelle Analyse

Energiespektrum einer 20 Cent Münze

Verteilung von Ga anhand der Kα-Linien

Si(Li)- Detektor

● Schwach dotierter p n Übergang mit breiter intrinsischer Schicht im Raumladungsgebiet ● Entstehung von Elektron- Loch- 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