Microscopia para Microeletrônica

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1 QuickTime and a Photo - JPEG decompressor are needed to see this picture. Microscopia para Microeletrônica Prof. Dr. Antonio Carlos Seabra acseabra@lsi.usp.br

2 Microscopia Tipos de análise Morfológica (espessura, rugosidade) Composição química/elementos Estrutura cristalográfica e Defeitos

3 Comparação Geral das Técnicas Abordadas no Curso [JEOL, 1996]

4 Microscopia Eletrônica de Varredura Óptica (1000x ou 1µm) SEM ( x ou 10nm) TEM ( x ou 10Å) SPM (STM/AFM) (átomos ou 1Å)

5 Microscopia Óptica Resolução, Magnificação e Abertura Numérica (NA) d = λ 2(NA) NA = n sen M max = 1000 Resolução máx.: ~0,25µm θ 2 ( NA)

6 Microscopia Óptica Resolução Contraste Brilho Nitidez

7 Iluminação Campo Claro Luz proveniente do microscópio, através da objetiva Luz refletida da lâmina Modo normal Campo Escuro Luz proveniente do microscópio, porém do entorno do sistema óptico Luz atinge a amostra obliquamente

8 Iluminação Contraste Interferométrico

9 Microscopia Eletrônica de Varredura Óptica (1000x ou 1µm) SEM ( x ou 10nm) TEM ( x ou 10Å) SPM (STM/AFM) (átomos ou 1Å)

10 Microscopia Eletrônica Nitidez e contraste Imagens de baixa qualidade Ruído Deformação e distorção

11 Interação Elétron - Amostra Feixe Incidente de Eltrons 5 nm ~ 50 nm 1 µm 1 nm Eltrons Auger Eltrons Secund rios Eltrons Retroespalhados Catodoluminescncia Raios-X Caracter sticos Raios-X Cont nuos Raios-X Fluorescentes SE [JEOL, 1996] BSE [Sawyer, 1986] Resolu o

12 Microscopia Eletrônica [Wolf, 1986]

13 Parâmetros Importantes Resolução [Murr, 1969] Considerando-se a natureza ondulatória dos elétrons temos que: λ = h P que no caso de elétrons torna-se: λ = h m 0 v 1 (v / c)2 Quando elétrons passam por um cristal eles exibem padrões de interferência e difração similares aos de raios-x tal que: ev 0 = mc 2 m 0 c 2

14 Combinando-se as duas equações anteriores temos: λ = 2m 0 ev 0 + e2 V 0 que numericamente fornece: c 2 2 λ = 12, 27 V 0 (1 + 0, V 0 ) Exemplos: V 0 = 100kV λ = 0,037Å V 0 = 20kV λ = 0,086Å V 0 = 0,5kV λ = 0,548Å

15 Microscopia Eletrônica Considerando-se a resolução como definida pelo critério de Rayleigh e considerando α = 0,01 rad R = V 0, 61 = 0 100kV λ = 0,037Å α λ V 0 = 20kV λ = 0,086Å V 0 = 0,5kV λ = 0,548Å R = 2,2Å R = 5,2Å R = 33Å Na prática deve-se considerar ainda o efeito das aberrações do sistema óptico da coluna, notadamente as aberrações esférica e cromática, tal que: R SEM = R 2 + R 2 esf 2 + R 2 crom 2 (+10%)

16 Microscopia Eletrônica Essa resolução pode ser considerada como limite e na verdade deve ainda considerar o fato do feixe possuir um diâmetro finito, que é função da densidade de corrente e da tensão de aceleração da coluna: d SEM 6I 0 kt πj 0 ev 0 α R 2 + R 2 esf 2 + R 2 crom 2 Além disso, deve-se considerar fatores práticos tais como Natureza da superfície observada Contraste da imagem

17 Por fim, a profundidade de foco pode ser dada por DOF = R 1 α M (quando α pequeno) [Murr, 1969]

18 Tensão de Aceleração Alta Resolução Alta Estruturas mal definidas Maiores danos Mais carregamento Estruturas bem definidas Tensão de Aceleração Mais efeitos de borda Menos danos Menos carregamento Menos efeitos de borda Baixa Baixa Resolução [JEOL, 1993]

19 Tensão de Aceleração [JEOL, 1993]

20 Tipo de Feixe (I, d) & Qualidade da Imagem Im ag e m Su a ve Al t a Ma is d e fe it os Pio r r e s o lu çã o Co r r e n t e do fe ixe Me lh or re s oluç ão Menos defeitos Ba ixa Im ag e m Ruido sa [JEOL, 1993]

21 Tipos de Microscópio [Wolf, 1986]

22 Bordas & Inclinação (tilt) [JEOL, 1993]

23 Posição do Detetor [JEOL, 1993]

24 Carregamento da Amostra [JEOL, 1993]

25 Contaminação da Amostra [JEOL, 1993]

26 Preparação da Amostra

27 Questões Operacionais Alt a Re so luç ão Al t a Me nor Prof. de Foco Dis t ân cia d e Trabalho (WD) Baixa Re so lu ção Gr a nd e Me no r Pr of. d e Fo co Ima ge m s uave Baixa Re so lu ção Ba ixa Ma io r Pro f. de Fo co Diâm e t r o da Abe rtura Alt a Re so luç ão Pe quen o Image m granulada Ma io r Pro f. de Fo co [JEOL, 1993]

28 Análises com o SEM Microscopia por Contraste de Tensão

29 Espectroscopia por Emissão de Raios-X EDX WDX

30 Espectroscopia por Emissão de Raios-X Limite: 0,3% a 1%

31 Tendências em SEM para Microdispositivos Filamento de Emissão por Campo e Baixa Tensão (LV-FESEM) Medidas de CD em linha de produção [Peters, 1994]

32 Tendências em SEM para Microdispositivos Lentes de imersão (in-line) Alta resolução (10Å) em baixa tensão (2keV) LOCOS com Porta WSi 2 Distinção entre PSG, Poli e 30nm de SiO 2 [Peters, 1994] Imagens de Baixa (direita) e Alta (esquerda) resolução