Введение к работе
Актуальность темы. Технический контроль, осуществляемый в ходе производственных процессов, является решающим фактором, обеспечивающим надежность выпускаемой продукции. Особенно это касается сложнейших технологических процессов производства изделий интегральной электроники. Поэтому удельный вес контрольно-измерительного оборудования непрерывно растет и составляет в настоящее время около четверти общей стоимости оборудования для производства интегральных схем (ИС).
Важнейшей мерой обеспечения надежности и повышения процента выхода годных микросхем является диагностический контроль, дающий информацию о месте, природе и причинах возникновения неисправностей. При этом особое значение имеет функциональная диагностика ИС, поскольку ошибки проектирования стоят в ряду основных проблем, ограничивающих дальнейшее развитие интегральньтх схем сверхвысокой степени интеграции.
Наиболее эффективным средством поиска и идентификации дефектов ИС является растровая электронная микроскопия, включая микроскопию потенциального рельефа, позволяющую осуществлять анализ функционирования (тестирование) ИС.
Одним из основных направлений развития электронно-зондового диагностического оборудования в настоящее время является освоение области низких энергий электронов зонда, что продиктовано требованием снижения нагрузки на объекты исследования.
Существующие электронно-зондовые установки для диагностики ИС рассчитаны на эффективную работу в диапазоне энергий пучка 1-3 кэВ. Однако с увеличением плотности упаковки и уменьшением размеров элементов ИС, начиная с 1 мкм, изменение рабочих режимов схем, вызываемое облучением электронами с энергией - 1 кэВ, становится все более заметным. Для приборов с минимальными размерами элементов -100 нм и меньше снижение энергии пучка является принципи-
альным условием проведения надежной диагностики. При этом энергия электронов пучка должна быть не выше 500 эВ, что обеспечивает минимальную электрическую нагрузку схем, но представляет большую проблему для разработчиков оборудования. Переход на столь низкие ускоряющие напряжения приводит к значительному ухудшению работы оборудования из-за снижения яркости источников электронов, роста аберраций электронных линз и повышение чувствительности электронов к воздействиям внешних полей.
Разработка низковольтного электронно-оптического оборудования для диагностики изделий электронной техники, сочетающего не-разрушающий характер исследований и высокую локальность, соответствующую современным и перспективным требованиям интегральной электроники, является актуальной задачей.
Цель и основные задачи диссертационной работы. Цель работы состояла в создании научных основ проектирования электронно-оптических систем электронно - зондового диагностического оборудования для микро- и наноэлектроники с минимальным воздействием на объекты.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
построение адекватной физической модели формирования низковольтных электронных пучков с энергией ниже 1 кэВ для электрон-но-зондового оборудования субмикронного диапазона;
определение функциональных требований к методическому и математическому обеспечению проектирования ЭОС на основе концептуального анализа электронно-зондовой техники диагностического контроля для микроэлектронного производства;
разработка новых и развитие и модификация известных методов и соответствующего математического аппарата расчета электрон-
з но-оптических систем (ЭОС), описьгоающих с требуемой точностью поведение первичных и вторичных электронов;
создание проблемно-ориентированного вьтаислительного комплекса для проведения численных экспериментов по исследованию новых электронно-оптических элементов и систем;
исследование оптических свойств элементов и систем, перспективных с точки зрения применения в электронно-зондовых диагностических установках, и выработка общей концепции построения низковольтных ЭОС;
разработка макетов ЭОС, испытательного стенда и экспериментальная проверка отдельных результатов и выводов теории и практической реализуемости предлагаемых технических решений.
Объектами исследований являлись электронно-оптические и электронно-спектрометрические системы и элементы вакуумного тракта лучепровода ЭОС специализированных электронно-зондовых установок с точки зрения обеспечения необходимого разрешения при отображении потенциального рельефа на поверхности функционирующих ИС во вторичных электронах. Исследование и экспериментальная проверка предлагаемых конструкций элементов оборудования и методик вдмерения локальных поверхностных потенциалов проводились на цифровых ИС средней и большой степени интеграции.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования и экспериментальной электронной оптики.
Научная новизна:
1. На основе анализа физической модели формирования низковольтных пучков и способов минимизации воздействия факторов, приводящих к потере пространственного и вольтового разрешения, по-
строена концепция низковольтной оптики, содержащая научно обоснованные принципы и подходы к проектированию прецизионного электронно-зондового диагностического оборудования.
-
Созданы оригинальные методический, математический и программный комплексы, позволяющие на единой системной основе выполнять проектирование ЭОС электронно-зовдовых диагностических установок, включая структурный синтез и детальное проектирование на базе разработанных сценариев и схем вычислительных процессов и реализующих их пакетов прикладных программ.
-
Разработаны новые линзовые системы, расширяющие элементную базу низковольтной электронно-зондовой техники, и получена новая информация о функциональных возможностях зондоформирующей оптики:
установлены общие закономерности изменения физичеких параметров пучка, таких как плотность тока, эмиттанс, электронная яркость в кроссовере и т.д., в зависимости от структуры, протяженности и расположения тормозящего электрического поля относительно магнитного. Найдены условия торможения, позволяющие в несколько раз увеличивать плотность тока в зонде, формируемом ЭОС с промежуточным ускорением и торможением пучка в фокусирующем поле магнитной линзы, по сравнению с тем, что дают известные ЭОС;
исследованы электронно-оптические свойства дублетов из однополюсных линз. Показано, что двухлинзовые системы сохраняют хорошие аберрационные свойства как в телескопическом режиме, так и в режиме с промежуточным кроссовером. Это позволяет, во-первых, нужным образом распределять суммарное уменьшение ЭОС между фокусирующими линзами, обеспечивая оптимальный режим объективной линзы без потери общего тока, и во-вторых, правильно размещать другие функциональные элементы (бланкирующую систему, спектро-
метрический детектор вторичных электронов), что существенно для обеспечения эффективной работы системы в целом.
-
Исследована структура полей, формируемых плоскими мультиполями, в частности, квадруполыго-октупольными и гексапольными системами, представляющими большой интерес с точки зрения аберра-ционно-скорректированной электронной оптики. Проведена количественная оценка и выявлены пути повышения их мультшгольной силы.
-
Разработана методика исследования и параметрической оптимизации спектрометрических детекторных систем, предназначенных для измерения локальных поверхностных потенциалов, основанная на последовательном анализе изменения энергетического спектра на различных этапах формирования вторично-электронного сигнала.
6. На основе анализа разработанных структурно-функ
циональных и математических моделей функционирования лучепрово-
да ЭОС и моделей взаимодействий в системе "электронный пучок - ос
таточные газы - лучепровод" выведены количественные зависимости
между вакуумными и геометрическими параметрами вакуумного трак
та, положенные в основу методики его проектирования.
Достоверность результатов обеспечивается применением адекватного математического аппарата, постановкой экспериментов на современном электронно-микроскопическом оборудовании, тестированием расчетных методов и программ на многочисленных модельных задачах и сравнением с известными результатами, полученными другими авторами в рамках более простых моделей и при других режимах работы электронно-зондового оборудования.
Практическая значимость работы состоит в существенном расширении возможностей проектирования и совершенствования низковольтного электронно-зондового оборудования. Созданное программ-
6 но-методическое обеспечение позволило решить ряд важных для практики задач:
разработать фокусирующие системы на однополюсных линзах,
использование которых в режиме, близком к телескопическому, позво
ляет снять конструктивные ограничения на компоновку ЭОС при реа
лизации оптимальных режимов их работы;
; оценить диапазон изменения электронной яркости пучка при использовании высоковольтного источника и последующем торможении электронов до рабочей энергии в поле магнитной линзы. Показано, что при прочих равных условиях можно существенно повысить ток зонда за счет меньшей потери яркости пучка при торможении в области конденсорнои линзы по сравненшо с существующими тестерами (РЭМ 104Т Сумского НПО "Электрон" и ICT 9000 фирмы Integrated Circuit Testing GmbH);
провести количественную оценку возможностей бессеточного осесимметричного коллектора - анализатора с детектором Робинсона, приспособленным к регистрации вторичных электронов, как для решения спектрометрических задач, так и для считывания потенциального контраста и измерения микропотенциалов на поверхности твердотельных структур. Выявлены закономерности, ограничения и способы повышения эффективности коллекторов-анализаторов такого типа, связанные с изменением геометрии электродов;
провести анализ передаточных характеристик используемых в реальных приборах спектрометрических детекторных систем с внутри-линзовым расположением энергоанализатора вторичных электронов, позволяющий более точно оценить погрешность измерения потенциалов;
разработать оптические схемы низковольтных ЭОС для элек-тронно-зондовых тестеров с рабочими характеристиками, превышающими параметры известных аналогов.
На защиту выносятся:
-
Концепция проектирования низковольтной зондоформирую-щей электронной оптики, включающая общие принципы построения и выбора основных функциональных элементов.
-
Программно-методическое обеспечение компьютерного моделирования ЭОС, включая
метод расчета многоэлектродных электростатических систем произвольной геометрии, основанный на конечно-разностном подходе и использовании метода фиктивных областей, впервые примененного для данного класса задач и впервые реализованного в трехмерной постановке;
эффективная версия метода граничных элементов для расчета магнитных линз;
устойчивый метод расчета электронных траекторий, основанный на использовании неявных разностных схем, впервые привнесенный в электронную оптику и позволяющий корректно моделировать протяженные и характеризующиеся больпшми градиентами полей элементы ЭОС, к которым относятся, в частности, однополюсные линзы;
методика вычисления напряженностей полей в любой заданной точке, основанная на дифференцировании расчетных потенциалов с использованием Фурье-преобразований и пространственной интерполяции полиномами Лагранжа, впервые программно реализованной в трехмерной постановке;
алгоритм построения аналитических аппроксимаций с заданной суммарной и локальной погреншостью на произвольном пространстве линейно независимых функций для любой размерности и конфигурации области аппроксимации, сходимость которого доказана на основе теории линейных пространств.
-
Структурно-функциональная и математическая модеда вакуумного тракта лучепровода ЭОС.
-
Методика построения оптимизированной оптической схем>і низковольтных ЭОС с термо- и автоэмиссионными источниками электронов в заданной области параметров зондоформирующих элементов.
5. Результаты численных экспериментов по исследованию
свойств электронно-оптических, элементов и систем низковольтного
электронно-зондового оборудования, в том числе:
тормозяще-фокусирующих систем с более высокой яркостью пучка на выходе, чем в известных установках с промежуточным ускорением и замедлением электронов;
детекторов-анализаторов вторичных электронов с тормозящим полем для электронно-зондовых тестеров;
электростатических мультипольных систем;
однополюсных линз и ЭОС на их основе.
6. Принципы и технические решения, положенные в основу раз
работок ЭОС электронно-зондовых тестеров, позволяющие рассчиты
вать на достижение при энергии зонда 500 эВ наивысших на сегодняш
ний день рабочих характеристик (диаметр зонда 50 нм при токе 20 нА),
полученных в экспериментальных установках фирмы ІСТ при энергии
зонда 1 кэВ.
Апробация результатов работы.
По теме диссертации опубликовано более 60 научных работ, включая 3 учебных пособия и 3 авторских свидетельства на изобретения.
Основные материалы и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Всесоюзных и Всероссийских конференциях: "Промышленная
технология и оборудование ионной имплантации" (Москва, 1984), V
НТК по ионно-лучевой технике, оборудованию и технологии ионной
имплантации (Гурзуф, 1991), "Микросистема-92" (Калининград, 1992),
П и III Всероссийской НТК "Актуальные проблемы твердотельной
электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1995 и 1996), XIV Рос
сийской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка,
1996);
Всесоюзных симпозиумах: VII (Звенигород, 1991) и VIII
(Черноголовка, 1993) по растровой электронной микроскопии и анали
тическим методам исследования твердых тел;
Всесоюзных и межнациональных конференциях, семинарах и совещаниях: " Проблемы чувствительности электронных и электромеханических устройств и систем" (Кишинев, 1983), IX и X Всесоюзном семинаре по методам расчета ЭОС (Ташкент, 1988 и Львов, 1990), XLIV Всесоюзной научной сессии НТО ЮС им. А.С. Попова (Москва, 1989), П, Ш и IV Всесоюзном научно-техническом совещании "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Гурзуф, 1990, 1991 и 1992), научно-техническом семинаре "Современные и перспективные средства интеллектуальных САПР" (Новый Свет, 1992), VI и VIII Межнациональном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1996 и 1997);
научных семинарах: кафедры технологических систем электроники МГИЭМ, Института общей физики РАН, Центра микротехнологии и диагностики СПб ГЭТУ и других организаций.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований в виде программно-методического пакета внедрены в НИИЭлМ АО "SELMT (НПО "Электрон", г. Сумы), и использовались при разработке
серийно выпускаемых приборов: РЭММА-102, ЮМ-103 и РЭМ-тестер типа РЭМ-104Т.
! Результаты моделирования процессов торможения электронного пучка в фокусирующем магнитном поле переданы в виде рекомендаций по настройке ЭОС РЭМ-тестера типа РЭМ-104Т в Центр микротехнологий и диагностики СПбГЭТУ (г. Санкт-Петербург).
В рамках совместной работы с лабораторией кафедры электроники физического факультета МГУ научная группа под руководством диссертанта выполнила компьютерное моделирование и эскизный проект коллектора-анализатора вторичных электронов, используемого для научных экспериментов в ИПТМ РАН (г. Черноголовка Московской
обл.).
Материалы диссертации используются в учебном процессе в Московском государственном институте электроники и математики по специальности "Электронное машиностроение" (20.05).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, приложения и списка литературы.