(Phys.org) —PML-onderzoekers hebben een idee bedacht voor het bepalen van de driedimensionale vorm van objecten van slechts 10 nanometer breed. De modelgebaseerde methode vergelijkt gegevens van scanning-elektronenmicroscoop (SEM)-afbeeldingen met opgeslagen gegevens in een bibliotheek van driedimensionale (3D) vormen om een ​​match te vinden en de vorm van het monster te bepalen. Het werk biedt een krachtige nieuwe manier om nanostructuren te karakteriseren.

De SEM wordt veel gebruikt in verschillende gebieden van industrie en wetenschap, omdat het een van de meest veelzijdige beeld- en meetinstrumenten is. De grootte en vorm van structuren op nanometerschaal zijn belangrijke stukjes informatie om te weten, vooral voor het vervaardigen van geïntegreerde schakelingen (IC's) en functies op nanoschaal. de SEM, met een resolutie van meer dan 1 nanometer, geeft informatie over deze structuren die doorgaans wordt geïnterpreteerd als tweedimensionale (2D) afbeeldingen. Maar die afbeeldingen bevatten een schat aan informatie over alle drie de dimensies, en de PML-wetenschappers gingen op pad om het te vangen.

Aan het begin van dit werk, er waren twee obstakels voor het bereiken van een zeer hoge nauwkeurigheid, de ene beïnvloedt de kwaliteit van de metingen en de andere de interpretatie:(1) de beeld- en meetkwaliteit wordt verslechterd door drift van het monster en de elektronenstraal, omdat zelfs kleine bewegingen leiden tot vervormde beelden, en (2) de juiste interpretatie van SEM-resultaten vereist een nauwkeurige, op fysica gebaseerd model van de relatie tussen de 3D-monstergeometrie en de intensiteit van het signaal dat wordt gebruikt om de afbeeldingen te verkrijgen.

Om die obstakels te overwinnen, een team onder leiding van András E. Vladár van PML's Semiconductor and Dimensional Metrology Division heeft met succes een modelgebaseerde meetmethode ontwikkeld die de 3D-vorm reconstrueert en deze voor het eerst met succes heeft toegepast op structuren op 10 nanometerschaal. Ze hebben twee softwareprogramma's ontwikkeld:een snelle beeldacquisitiemethode die de onvermijdelijke monster- en elektronenstraaldrift kan compenseren; en een op Monte Carlo-simulatie gebaseerde methode om de 2D-beelden in 3D te interpreteren.

De eerste software, ACCORD genoemd, werkt met 2D Fourier-transformaties om veel snel verkregen afbeeldingen samen te voegen, op vrijwel dezelfde manier waarop astronomen beelden van sterren kunnen vastleggen zonder vervaging of andere vervormingen. Het resultaat is een enkele driftvrije afbeelding, een veel meer waarheidsgetrouwe weergave van het monster dan een afbeelding die met traditionele methoden wordt geleverd.

Zodra een afbeelding van goede kwaliteit is samengevoegd, een Monte Carlo-modelleringssoftware (JMONSEL), ontwikkeld door John Villarrubia van PML, wordt gebruikt om een ​​bibliotheek van SEM-golfvormen te genereren voor 3D-structuren met vormparameters (bijv. breedtes, hoeken, kromtestralen) die een reeks waarden rond de verwachte waarden overspannen. Smalle structuren zoals het meest recente werk hebben 10 nm-lijnen die hogere eisen stellen aan het model omdat verstrooide elektronen uit verschillende oppervlakken kunnen komen (bijv. links, Rechtsaf, en boven) tegelijkertijd. Na het genereren van een bibliotheek met SEM-golfvormen, de taak is om alle 3D-vormen te identificeren met gemodelleerde afbeeldingen die passen bij de verkregen afbeelding. Het resultaat kan worden weergegeven in een 3D-weergave van de monstervorm.

De toepassing van deze methoden op SEM-beeldvorming en 3D-modellering op 10 nm-niveau, en de kwaliteit van de resultaten, een primeur in de wereld vormen. De nieuwe methode is zo krachtig dat in dit eenvoudige geval van een IC-structuur, een enkele afbeelding van bovenaf kan voldoende zijn om de 3D-vorm te bepalen, samen met monsterdetails op nanometerschaal.

De onderzoekers toetsten hun resultaten aan metingen van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) op 10 nm IC-lijnen. Het verschil was minder dan een nanometer - zo klein als slechts een paar atomen. De SEM-resultaten kwamen ook goed overeen met de resultaten van kritische dimensie kleine hoek röntgenverstrooiingsmetingen.

"Er is geen enkele methode ter wereld die je alle antwoorden kan geven, " legt Vladár uit. "Maar, wanneer twee of drie methoden u hetzelfde meetresultaat geven, je vertrouwen in dat resultaat is veel groter."

Samenwerking met ingenieurs van Intel Corp. was essentieel voor het onderzoek omdat ze NIST van geschikte monsters konden voorzien.

“We hebben een methode ontwikkeld die, in zijn huidige vorm, kan door vrijwel iedereen worden gebruikt die een geschikte scanning elektronenmicroscoop heeft, " zegt Vladár. Hoewel deze techniek nog aan het begin staat, de resultaten tonen duidelijk aan dat 3D SEM-metingen op nanometerniveau een belangrijke aanvulling zijn op de bestaande methoden, die allemaal belangrijk zijn voor metrologie op nanometerniveau.

PML-onderzoekers zullen de techniek verder verbeteren door zich te concentreren op het verbeteren van de modelleringssoftware, wat op dit moment niet snel genoeg is.

"Momenteel, het knelpunt is de snelheid, " zegt Vladár. "Het genereren van de gemodelleerde bibliotheken kan lang duren. De interpretatie van de gegevens - het vinden van de beste 3D-match - is momenteel ook traag."

Aanvullende studies zullen manieren onderzoeken om met afbeeldingen om te gaan die vanuit verschillende hoeken zijn genomen, die nodig zijn bij de 3D-modellering van nanodeeltjes. In dit onderzoek zijn alleen afbeeldingen van bovenaf gebruikt. Er zijn nieuwe methoden nodig om meerdere weergaven samen te voegen tot één, nauwkeurige 3D-weergave van monsters met structuren die niet duidelijk zichtbaar zijn vanuit slechts één weergave.

Eindelijk, ze zijn van plan de haalbaarheid te onderzoeken van het gebruik van de techniek om feature-groottes zelfs kleiner dan 10 nm te modelleren.

"We hebben goede hoop dat deze methode goed zal werken in het 5 tot 7 nm-rijk, "Vladár stelt. "We hebben al ideeën over hoe we de techniek verder kunnen ontwikkelen.

"Deze 3D-techniek zal naar verwachting een grote verscheidenheid aan technologieën beïnvloeden, variërend van de productie van geïntegreerde schakelingen tot nanotechnologie voor 3D-karakterisering van nanostructuren en nanodeeltjes, cruciaal voor katalytische en nanobio-toepassingen."