М и н о б р н а у к и Р о с с и и
Федеральное государственное бюджетное образовательное
Учреждение высшего образования
«Юго-Западный государственный университет»
(ЮЗГУ)
Кафедра нанотехнологий и инженерной физики
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
______________ О.Г. Локтионова
«____» _______________2017 г.
Использование периодических шаговых структур в электронной микроскопии
Методические указания к выполнению
лабораторных работ
для всех направлений подготовки и обучения, изучающих дисциплины "Наноаналитическое оборудование", "Метрологическое обеспечение нанотехнологий" и "Методы анализа и контроля наноструктурированных материалов и систем"
Курск 2017
УДК 681.7.069.24
Составители: А.Е. Кузько, И.А. Сирко, Н.А. Рожков, М.С. Худицын
Рецензент
Доктор физико-математических наук,
директор РИЦ, профессор А.П. Кузьменко
Использование периодических шаговых структур в электронной микроскопии: Методические указания к выполнению лабораторных работпо наноаналитическому оборудованию и методам анализа и контроля наноструктурированных материалов и систем / Юго-Зап. гос. ун-т; сост.:А.Е. Кузько, А.В. Кузько, И.А. Каплунова, Н.А. Рожков, М.С. Худицын. Курск, 2017. 15 с.Библиогр.: с. 16.
Предназначены для студентов всех направлений подготовки и форм обучения, изучающих дисциплины "Наноаналитическое оборудование" и "Методы анализа и контроля наноструктурированных материалов и систем". Обучающиеся получат базовые навыки работы с оборудованием, представляющим широкие возможности по исследованию объектов на нано-, микро- и ультрадисперсном уровнях методами электронной: изучение периодических шаговых структур (ПШС) и особенностей их использования, определение основных характеристик ПШС и приобретение навыков калибровки изображения.
Текст печатается в авторской редакции
Подписано в печать. Формат 60´84 1/16.
Усл.печ.л.. Уч.-изд. л.. Тираж 50 экз. Заказ. Бесплатно.
Юго-Западный государственный университет.
305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.
Лабораторная работа №3
Тема: Использование периодических шаговых структур в электронной микроскопии
Цель работы: Изучить периодические шаговые структуры (ПШС) и особенности их использования; научиться определять основные характеристики ПШС и приобрести навыки калибровки изображения.
Приборы и оборудование, материалы: микроскоп РЭМ JEOL JSM-6610LV, образцы периодических шаговых структур TGX01 и TGZ03.
Краткие теоретические сведения
Единица величины — фиксированное значение величины, которое принято за единицу данной величины и применяется для количественного выражения однородных с ней величин.
Эталон — техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины.
Средство измерений — техническое средство, предназначенное для измерений.
Калибровка – совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средств измерений.
Поверка средств измерений — совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям.
Периодическая структура представляет собой структуру с большим количеством составляющих ее повторяющихся элементов (шагов). Причем, количество шагов таково, что невозможно гарантированно дважды попасть на один и тот же элемент структуры. Период представляет собой среднее значение шага и определяется по большому числу элементов структуры. Погрешность Δt определения периода t дифракционным методом связана со стандартным отклонением величины шага σ i от ее среднего значения с помощью выражения:
,(1)
где N – число шагов структуры, участвующих в создании дифракционной картины.
Обычно величина N лежит в диапазоне от нескольких сотен до десятков тысяч. Это позволяет, несмотря на достаточно большую величину σi составляющую порядка 10-30 нм, получать погрешность измерения периода менее чем 1 нм. Однако в процессе калибровки АСМ измеряется величина одного шага (в редких случаях 2-3 шагов), что может приводить к ошибкам порядка σ i. Поэтому в АСМ нужно проводить большое число измерений в разных местах структуры, что вполне возможно для фундаментальных исследований, но совершенно неприемлемо для промышленных измерений.
Периодические меры в виде атомарных поверхностей аттестуются с помощью рентгеновской дифракции, которая в настоящее время не является аттестационным методом.
Применение периодических структур в АСМ дает возможность калибровать их по X и Y координатам. Однако эти структуры не позволяют определить радиус острия зонда и неортогональность Z -сканера.
Шаговые структуры – это такие структуры, в которых количество элементов (шагов) так мало, что можно гарантировать попадание любое количество раз на один и тот же элемент. Обычно число шагов составляет не более десяти. Аттестация шаговых структур производится интерферометрическим методом, при котором возможно измерить величины каждого шага с погрешностью, близкой к дифракционной погрешности измерения периода. Однако и в этом случае при калибровке АСМ необходимо проводить много измерений.
Калибровка АСМ по шаговым структурам аналогична калибровке по периодической структуре и обладает теми же недостатками. Вдобавок, качество шаговых структур значительно хуже, чем периодических, что только ухудшает результаты таких применений.
Одиночные структуры – это структуры, в которых аттестуется ширина линии. В настоящее время известны только рельефные прямоугольные структуры (РПС), выполненные в виде щелевидных канавок
в кремнии с прямоугольным профилем. Несмотря на высокое качество РПС и возможность аттестации с их помощью ширины линии и определения диаметра электронного зонда РЭМ, в широкой практике использовать РПС в качестве линейных мер не удается, так как аттестация ширины канавок РПС осуществляется с помощью метода эллипсометрии, который не признается метрологами в качестве аттестационного метода. В АСМ рельефные прямоугольные структуры в принципе не применимы в силу особенностей конструкции структуры – узкая и глубокая щелевидная канавка не позволяет современным зондам достигнуть ее дна.
Меры TGZ1, TGZ2, TGZ3 относятся к классу мер рельефных нанометрового диапазона и предназначены для передачи размера единицы длины в диапазоне 10-9 ÷ 10-4 м и поверки (калибровки) оптических ближнего поля, растровых электронных, сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопов и других средств измерений малой длины. Меры представляет собой совокупность шаговых структур на поверхности квадратной кремниевой монокристаллической пластины с размерами квадрата со стороной не более 5 мм, поверхность которой ориентирована параллельно кристаллографической плоскости (100). Мера состоит из одинаковых шаговых структур с прямоугольной геометрической формой элемента рельефа шаговой структуры.
 |
Для определения значений шага периодической структуры пользуются следующими уравнениями - Фурье-преобразованиями.
Среднее значение из измерений каждой величины периода вычисляют по формуле:
(2)
где N – число измерений;
Xi – значение периода в каждой точке.
Рассчитывают случайную погрешность периода 
(с доверительной вероятностью 
), зная значение коэффициента Стьюдента 
в зависимости от числа произведенных измерений N (рис.6) и среднеквадратическую погрешность 
, по следующей формуле:
, (3)
где 
– число измерений.
Значение относительной погрешности периода меры определяют из выражения:
(4)
Изображения периодической структуры линейной меры TGZ
 |
