Forskere udvikler 3D SEM-metrologi til 10nm-strukturer

(Phys.org) – PML-forskere har udtænkt en idé til at bestemme den tredimensionelle form af funktioner så små som 10 nanometer brede. Den modelbaserede metode sammenligner data fra scanning elektronmikroskop (SEM) billeder med lagrede poster i et bibliotek af tredimensionelle (3D) former for at finde et match og for at bestemme formen på prøven. Værket giver en kraftfuld ny måde at karakterisere nanostrukturer på.

SEM er meget udbredt inden for forskellige industri- og videnskabsområder, fordi det er et af de mest alsidige billed- og måleinstrumenter. Størrelsen og formen af ​​strukturer i nanometerskala er vigtige oplysninger at kende, især til fremstilling af integrerede kredsløb (IC'er) og funktioner i nanoskala. SEM, med bedre end 1 nanometer opløsning, giver information om disse strukturer, der typisk fortolkes som todimensionelle (2D) billeder. Men disse billeder indeholder et væld af information relateret til alle tre dimensioner, og PML-forskerne satte sig for at fange det.

I begyndelsen af ​​dette arbejde, der var to forhindringer for at opnå meget høj nøjagtighed, den ene påvirker kvaliteten af ​​målingerne og den anden fortolkningen:(1) billed- og målekvaliteten forringes ved drift af prøven og elektronstrålen, da selv små bevægelser resulterer i forvrængede billeder, og (2) den korrekte fortolkning af SEM-resultater kræver en nøjagtig, fysikbaseret model af forholdet mellem 3D-prøvegeometrien og intensiteten af ​​det signal, der bruges til at erhverve billederne.

For at overvinde disse forhindringer, et team ledet af András E. Vladár fra PML's Semiconductor and Dimensional Metrology Division udviklede med succes en modelbaseret målemetode, der rekonstruerer 3D-formen og for første gang med succes anvendte den på strukturer i 10 nanometerskala. De har udviklet to softwareprogrammer:en hurtig billedopsamlingsmetode, der er i stand til at kompensere for den uundgåelige prøve- og elektronstråledrift; og en Monte Carlo-simuleringsbaseret metode til at fortolke 2D-billederne i 3D.

Den første software, kaldet ACCORD, arbejder med 2D Fourier-transformers for at sammensætte mange hurtigt erhvervede billeder, stort set på samme måde, som astronomer er i stand til at fange billeder af stjerner uden sløring eller andre forvrængninger. Resultatet er et enkelt afdriftsfrit billede, en meget tættere på sand repræsentation af prøven end ethvert billede, der leveres med traditionelle metoder.

Når et billede af god kvalitet er sat sammen, en Monte Carlo-modelleringssoftware (JMONSEL), udviklet af John Villarrubia fra PML, bruges til at generere et bibliotek af SEM-bølgeformer til 3D-strukturer med formparametre (f.eks. bredder, vinkler, krumningsradier) der spænder over en række værdier omkring de forventede. Smalle strukturer som det seneste arbejde har 10 nm linjer, som stiller større krav til modellen, fordi spredte elektroner kan komme ud fra flere overflader (f.eks. venstre, ret, og top) på samme tid. Efter at have genereret et bibliotek af SEM-bølgeformer, opgaven er at identificere eventuelle 3D-former med modellerede billeder, der passer til det erhvervede billede. Resultatet kan gengives til en 3D-repræsentation af prøveformen.

Anvendelsen af ​​disse metoder til SEM-billeddannelse og 3D-modellering på 10 nm-niveau, og kvaliteten af ​​resultaterne, udgør en første-i-verden præstation. Den nye metode er så kraftfuld, at i dette simple tilfælde af en IC-struktur, et enkelt top-down billede kan være tilstrækkeligt til at bestemme 3D-formen sammen med nanometer-skala prøvedetaljer.

Forskerne testede deres resultater mod målinger fra et transmissionselektronmikroskop (TEM) på 10 nm IC-linjer. Forskellen var mindre end en nanometer - så lille som kun nogle få atomer. SEM-resultaterne stemte også godt overens med resultaterne af kritiske dimensioner med små vinkel-røntgenspredningsmålinger.

"Der er ingen enkelt metode i verden, der kan give dig alle svarene, " Vladár forklarer. "Men, når to eller tre metoder giver dig det samme måleresultat, din tillid til det resultat er meget højere."

Samarbejde med ingeniører fra Intel Corp. var medvirkende til undersøgelsen, da de var i stand til at forsyne NIST med passende prøver.

"Vi har udviklet en metode, der bl. i sin nuværende form, kan bruges af stort set alle, der har et passende scanningselektronmikroskop, " siger Vladár. Selvom denne teknik er ved sin begyndelse, resultaterne viser tydeligt, at 3D SEM-målinger på nanometerniveau er en vigtig tilføjelse til de eksisterende metoder, som alle er vigtige for metrologi på nanometerniveau.

PML-forskere vil yderligere forbedre teknikken ved at fokusere på at forbedre modelleringssoftwaren, hvilket ikke er hurtigt nok på nuværende tidspunkt.

"I øjeblikket, flaskehalsen er hastigheden, " siger Vladár. "Det kan tage lang tid at generere de modellerede biblioteker. Fortolkningen af ​​dataene - at finde det bedste 3D-match - er også langsom i øjeblikket."

Yderligere undersøgelser vil undersøge måder at håndtere billeder taget fra forskellige vinkler, hvilket vil være nødvendigt i 3D-modellering af nanopartikler. Denne undersøgelse brugte kun top-down-billeder. Nye metoder vil være nødvendige for at fusionere flere visninger til en enkelt, nøjagtig 3D-repræsentation af prøver med strukturer, der ikke er tydeligt synlige fra kun én visning.

Endelig, de planlægger at udforske muligheden for at bruge teknikken til at modellere funktioner, der er endnu mindre end 10 nm.

"Vi har store forhåbninger om, at denne metode vil fungere godt i 5 til 7 nm-området, " siger Vladár. "Vi har allerede ideer til, hvordan vi kan skubbe teknikken yderligere.

"Denne 3D-teknik forventes at påvirke en bred vifte af teknologier, lige fra integreret kredsløbsproduktion til nanoteknologi til 3D karakterisering af nanostrukturer og nanopartikler, kritisk til katalytiske og nanobioapplikationer."