Физические принципы и методы микротомографии твердотельных структур в проникающем излучении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

СССР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

На правах рукописи

БОЧИКАШВИЛИ Петр Нодарович

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ МИКРОТОМОГРАФИИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ. СТРУКТУР В ПРОНИКАЮЩЕМ ИЗЛУЧЕНИИ

Специальность 01.04.04 — физическая электроника.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

' , , Москва— 1991 г.

\

Работа выполнена на кафедре физической электроники фипчческого факультета (Московского государственного уни-ьерситета им. М. В. Ломоносова.

Научные руководители:

•доктор физико-математических наук, профессор

А. А. Рухадзе

кандидат физико-математических наук, вед. науч. сотр.

Э. И. Pay

Официальные оппоненты:

-доктор физико-математических «аук, оед. науч. сотр.

Е. Б. Якимов

доктор технических наук, профессор В. Н. Филинов

Ведущая организация: Институт общей физики АН СССР.

Защита диссертации состоится « Л. .1991 г.

в J.i¡. р. 0 часов на заседании Специализированного совета отделения радиофизики в МГУ шифр К 053.05.22, <по адресу Москва, Ленинские годы, МГУ, физический факультет, ауд. 5"-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан « i я. » ./ftfijpTfi . 1991 г.

Ученый секретарь Gn еци а л из ир о & з'я н ого совета

ОРФ, кандидат физико-математических наук,

ст. преподаватель / С. Ю. Галузо

гя.г.:!. '" Актуальность темы. Исследование твердотельных структур на

Отдел I

■ .-ссмикр&уровне ■ выявление неоднородностей распределения физических параметров и дефектов, их визуализация и количественная оценка в последнее время становятся все более актуальными.

Размеры элементов полупроводниковых .. приборов, изготовляемых на монокристаллах кремния, постоянно уменшаются. В этих условиях имеет большое зрачение бездефектность как исходного, так и прошедшего технологическую обработку материала. Методы исследования микрообъектов совершенствуются быстрыми темпами. Электронная, оптическая, акустическая, рентгеновская микроскопия дают новую, как правило взаимодополняющую, информацию о микроструктуре и локальных свойствах исследуемых объектов. Но и в настоящее время остается широкое поле деятельности для объяснения физических механизмов формирования контраста изображения, для извлечения новой диагностической информации.

При разработке различных методов исследования . внутренних структур твердых тел предпочительными являются методы, которые позволяют производить неразрушаклшй контроль изделий микроэлектроники. Слияние методов вычислительной математики и физики сыграли особо важную роль при создании универсального подхода к задачам неразрушаюшего контроля. .

Например, метода реконструктивной вычислительной томографии в.настоящее время получили широкое распространение в разных отраслях науки и техники. Далнейшее развитие томографии 'происходит в основном за счет перенесения томографических принципов на новые типы задач и объектов исследования. При исследовании физических параметров, микрообъектов важную роль играет характер взаимодействия проникающего излучения со средой

объекта. Во многих случаях особенности конкретной задачи заставляют по-иному организовать как математический аппарат, так и физический эксперимент. Создание новых, нетрадиционных методов микротомографии позволяет значительно расширить области их применения в физических исследованиях. Другим важным аспектом развития томографии является более точная интерпретация результатов восстановления, извлечения максимальной информации о распределениях различных физических параметров в объеме объекта.

Использование современных методов микроскопии и спектрального анализа, их . оптимальное сочетание для томографических комплексов, высокий уровень автоматизации позволяют при их корвктной постановке успешно решать многие задали физики твердого тела и микроэлектроники.

Данная диссертационная работа посвящается решении большого круга указанных вопросов. В ней показано, что нетрадиционный подход к исследованиям томографического характера позволяет решить многие койкретные научно-исследовательские и прикладные задачи на оригинальных томографических установках о использованием рентгеновского и оптического(в том числе ИК) излучения. Обоснована эффективность новых подходов к диагностике изделий* микроэлзктроники, позволяющих получать уникальные практические результаты.

Основной целью работы является: I. Физическое и математическое обоснования ' нетрадиционного метода микротомографии в сфокусированном излучении, создание универсального сканирующего лазерного интроскопа-микротомогоафа и проведение с его . помощью исследований изделий микроэлектроники. 2. Разработка / и обоснование метода

малоракурсной рентгеновской томографии применительно к слоистым объектам, проведение экспериментов .и реализация алгоритмов решения задачи на примере многослойных печатных плат. Развитие методов классической томографии и . создание рентгеновской установки с использованием рентгеноспектральной техники.

Научная новизна настоящей работа состоит в разработке физических, математических и технических принципов и методов микротомографш в сфокусированном излучении и малоракурсной рентгеновской томографии.

. 1. Разработан и создан универсальный лазерный сканирующий интроскоп-микротомограф.

2. Впервые'предложен, теоретически обоснован и реализован , метод томографии в сфокусированном излучении.

3. Развиты принципы неразрушапцего контроля и исследования твердотельных структур в оптическом (в том числе ИК) излучении.

4. Предложена и реализована малоракурсная томография для слоистых сред.

5. Развит метод рентгеновской томографии и создан микротомографетв ский комплекс с применением элементов рентгеноспектральной техники.

6. Изучено явление структурной перестройки в кристалле полупроводника при СВЧ облучении.

Практическая ценность работы заключается в дальнейшем развитии методов реконструктивной томографии в физических исследованиях твердотельных структур за счет разработки новых ^нестандартных подходов к конкретным задачам. На основе разработанных теоретических обоснований созданы реальные томографические установки, которые представляют практическую ценность как для проведения научных исследований, так и для

применения в промышленности. Ценным является и то, что на базе созданных микротомографов возможно проведение исчерпывающего анализа изделий микроэлектроники, что достигается за счет комплексного применения нескольких видов зондирущего ■ • излучения. Заслуживают внимания и некоторые предложенные способы исследования конкретных физических параметров твердых тел, в частности полупроводниковых кристалов, а также результаты по визуализации дефектов в полупроводниках.

Основные защищаемые положения:

1. Метод томографии в сфокусированном излучении и реализация экспериментов на созданном микротомографическом комплексе. Физико-математические аспекты микротомографии в конусных пучках.

2. Метод малоракурсйой рентгеновской томографии, его реализация на примере многослойных печатных плат.

3. Методы исследования твердотельных структур в.оптическом и ПК излучении и применение элементов спектрального анализа в

. рентгеновской микротомографии.

4. Объяснение возможного механизма допорогового дефектообразования в монокристалле кремния, возникающего в результате воздействия на него СВЧ облучения.

Апробация раб&ты. Основные результаты диссертационной . работы Бочикашвили П.Н. обсуждались ва XIII Всесоюзной, конференции по электронной микроскопии ( Сумы 1987 г.), III Всесоюзном симпозиуме вычислительной томографии ( Киев , ' 1987 г. ), Всесоюзном семинаре по. оптической томографии ( Таллинн 1988 г.), 17 Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Ташкент, 1989 г.), на VI Всесоюзном симпозиуме по. РЭМ и аналитическим методам исследования твердых тел (

Звенигород, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции по разработке систем технического зрения и их применение в промышленности (Ижевск, 1988 г.) XII Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987 г.). научных семинарах на физическом факультете МГУ.

. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ в трудах конВеренциЙ, отечественных журналах. Получение 1 авторское свидетельство.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, и списка литературы. , Она содержит 141 страниц, в том числе 107 страниц машинописного текста, рисунков на 24. страницах и список литературы, включавший 110 наименований.

. Содержание работа.

Во введения дана общая характеристика работы и обзор содержания по главам.

Первая глава посвящена обзору литературы по основным физическим и математическим вопросам применения реконструктивной вычислительной томографии (РВТ) в физических исследованиях. Рассматриваются различные схемы постановки томографического эксперимента. Уделяется внимание тем задачам, в которых применение классической томографии осложнено. Проанализированы возможности применения нестандартных методов томографии в некоторых задачах, а также рассмотрены вопросы малоракурсной томографии. Показаны ограничения физического и математичского характера, .встречающиеся при неполном наборе »данных. Обращено внимание на вопросы технического плана, рассмотрены перспективные направления в развитии технической базы томографических установок.

. Вторая глава посвящена разработке нового метода томографии

в сфокусированном излучении и созданию лазерного сканирующего щтроскопа-микротомографа. .

В первой части главы описываются . принципы построения универсального лазерного сканирующего интроскопа-микротомографа. Подробно рассматриваются режимы работы всех функциональных узлов установки. Отмечаются те особенности, которые определят преимущества данного устройства по сравнению с другими установками такого типа. Обращено внимание на универсальность установки, связанную с применением лазерного излучения в трех диапазонах длин волн, а также с возможностью реализации томографических экспериментов как в классическом, так и в нетрадиционных вариантах.

Во второй части главы описываются математические аспекты метода томографии в сфокусированном излучении. Рассматриваются вопросы математического моделирования тех физических процессов, которые возникают при взаимодействии сфокусированного излучения со средой объекта. В первом приближении задача реконструкции сформулированна ¿ля слоистых объектов.. Показаны условия, при которых возможна линеаризация основных уравнений. Порчены основные соотношения, связывающие проекционные данные 'с лучевыми интегралами в приближении геометрической оптики. Решена обратная задача в случав малоконтрастных объектов. Представлены результаты восстановления слоев модельного объекта. Рассмотрены перспективы решения нелинейной задачи о. применением методов регуляризации.

В третьей части главы описываются физические аспекты метода томографии в конусных пучках. Проведен сравнительный анализ классической и нестандартной методики. Приведены оценки тех физических процессов, которые имеют место при постановке

томографических экспериментов. Обращено внимание на те артефакты, которые присущи методу классической томографии и

отсутствуют в томографии в конусных пучках. Приведены расчеты ♦

фокусировки лазерного пучка в среде объекта с однородным коэффициентом преломления в приближении волновой оптики. Оценены основные параметры фокусировки и погрешности разрешавшей способности в случае изменения коэффициента преломления среды. Перечислены ограничения физического характера метода конусных пучков.

В четвертой части главы рассматриваются вопросы применения предложенной оригинальной методики в физических исследованиях на базе разработанного лазерного сканирующего интроскопа -микротомографа. Проанализированы методы исследования локального распределения упругих напряжений в изотропных кристаллах и возможности томографического подхода к этой задаче. Предложены способы исследования полупроводниковых материалов в ближнем ИК-диапазоне волн.. Впервые показана возможность определения распределений областей локального нагрева в р-п переходе транзистора с помощью ИК излучения. Приведены результаты экспериментов и объяснен возможный механизм допорогового дефектообразования в монокристалле кремния под действием СВЧ облучения.

Третья глава посвящена, разработке метода малоракурсной рентгеновской томографии для слоистых сред и его реализация на реальных объектах.

В первой части этой главы рассмотрена постановка задачи малоракурсной рентгеновской томографии для слоистых объектов. Проведен сравнительный анализ метода классической томографии с предложенным методом. Показаны те сложности, которые возникают

в различных схемных вариантах предложенного томографического эксперимента. Определено, что для . восстановления слоев многослойных плат метод классической томографии неприемлем. Намечены пути решения такой задачи специальными методами.

Во второй части главы предложена модификация метода в теоретическое обоснование малоракурсной рентгеновское томографии. Показано, что имея ёприорную информацию об исследуемых объектах можно успешно решать задачи томографии, которые некорректны в случае стандартной методики. Разработав математический аппарат для одномерного и двухмерного случая и показаны возможности решения обратной задачи с применением, преобразование Фурье и регуляризупцего алгоритма.

В третьей части главы рассматриваются физические вопросы разработанного варианта малоракурсной томографии« Описаны принципы калибровки проекционных данных, позволяющие учесть полихроматичность излучения, и принципы предварительного преобразования, увеличивающего допустимое число исследуемых слоев. Проведено математическое моделирование соответствующих физических процессов с целью настройки системы детектирования на конкретные* условия эксперимента. Приведена схема экспериментальной установки для исследования многослойных печатных плат и результаты восстановлении реальных объектов.

Четверти глава посвящена разработке в созданию рентгеновского микротомографического комплекса с высоким разрешением и с применением рентгеноспектральной аппаратуры.

В первей части этой главы описываются принципы создания рентгеновского микрбтомографического комплекса. Рассмотрены особенности применения микрофокусных рентгеновских трубок. Показаны те преимуществе, которые ;релизованы . с помощью

использования магнитной отклоняющей системы. Подробно описана реализация рентгеноспектральной аппаратуры на базе системы КАМАК. Описаны метода юстировки коллиматоров и настройки фокуса электронного пучка с помощью тест-объектов.

Во второй части главы рассматриваются те богатые возможности, которые • обеспечиваются благодаря применению рентгеноспектральной аппаратуры совместно с томографом. Проанализирован принцип- дуальных энергий для определения расспределения элементов по объему объекта. Показаны возможности многоканального анализатора при реализации эксперимента по принципу дуальных энергий. Рассмотрены способы выделения известного элемента из восстановленных изображении о учетом наличия краев поглощения. Оценена разрешающая способность микротомографа в зависимости от геометрических характеристик система.

В третьей части' главы последовательно изложены эксперименты, проведенные на микротомографпеском комплексе. Приведены результаты контрольных экспериментов по оценке реального, разрешения, по исследованию полупроводниковых изделий микроэлектроники на линиях селективного поглощения, по исследованию структура ВТСП керамики.

Оспосша выводы и результаты работы:

1. Проведен анализ существующих традиционных физических методов и устройств неразрушапцего контроля изделий микро - и радиоэлектроники в проникающих излучениях разной физической природы. Показана неприменимость стандартных решений для визуализации внутренних структур для большого класса .микрообъектов.

2. Предложен и реализован на основе оригинальных решений

двухканальный (рентгеновский и оптический) диагностический интроскоп - микротомограф, в котором повышено в несколько раз пространственное разрешение и чувствителность в рентгеновской и оптической микротомографии. Расширены возможности рентгеновской микротомографии в физических исследованиях за счет применения аппаратуры рентгеноспектрального анализа . и модуляционного принципа облучения; .

3. На основе нового разработанного методе малоракурсвой рентгеновской томографии получены практические результаты по визуализации слоистых отруктур, в частности многослойных печатных плат. Была поставлена и то новому решена физико -математическая задача восстановления изображения структур о использованием априорной информации о слоистых средах.

4. Впервые предложен и физически обоснован новый метод микротомографии в сфокусированном излучении. Способ реализован в оптическом микротомографе, в том числе в ИК излучении. Получены результаты восстановления модельного и реальных объектов. . .

6. Предложен новый метод визуализации и исследования областей локального . нагрева в изделиях микроэлектроники на основе применения зондирующего излучения с энергией квантов близкой к краю фундаментального поглощения исследуемого материала. Получены результаты по визуализации локальных участков нагрева р-п перехода кремниевого транзисторе.

6. Впервые обнаружено, явление образования структурных дефектов в монокристаллах кремния и изделиях- микроэлектроники под воздействием мощных СВЧ импульсв миллиметрового диапазона и предложен возможный механизм соответствующего допорогового дефектообразования в неоднородных полупроводниках.'

Основные результаты опубликованы в работах!

1. Тихонов А.Н., Бочикашвили П.Н., Гончарский A.B., Pay Э.И., и др. Микротомография слоистых сред в конусных пучках. -Доклады АН СССР, 1987 г., т.296, J» б, стр. 1096-1097.

2. Бочикашвили П.Н., Pay Э.И., Савин Д.О. Лазероскан на базе комплекса РЭМ-ЭВМ. - Изв. АН СССР, 1988 г.. т. Б2, Л 7, стр. 1278-1283. ■

3. Бочикашвили П.Н., Гончарский A.B., Матвиенко А.Н. и др. Неразрушаипий контроль многослойных структур с помощью рентгеновского излучения. - Дефектоскопия, 1989 г., * 7, стр. 42-49.

. 4. Бочикашвили П.Н., Pay Э.И., Тимонов A.A. Рентгеновская и инфракрасная сканирующая микроскопия я томография. Электронная промышленность, 1990 г., Л 2, Стр. 37-39.

б. Тихонов А.Н., Бочикашвили П.Н., Гончарский A.B., и др. Основные принципы, проблемы и перспективы развития томографии на микроуровне. - Тез. докл. III Всес. симпозиума по вычислительной томографии, Киев, 1987 г., стр. 10.

6. Pay Э.И., Бочикашвили П.Н., Матвиенко А.Н. Савин Д.О. Микротомография в конусных пучках. - Тез. докл. III Всес. симпозиума по вычислительной томографии, Киев, 1987 г., ст. 8-9.

7. Бочикашвили П.Н., Картамышев М.Г., Pay Э.И. Диагностический лазерный сканирующий микрозонд на основе комплекса РЭМ-ЭВМ. - Тез. докл. XII Всес. конф. по микроэлектронике, Тбилиси, 1987 г., часть I, стр. 163-164.

8. Pay Э.И., Аминов Ы.К., Бочикашвили П.Н., и др. Растровые емкостной и лазерный микроскопы - приставки к РЭМ. -Тез. докл. XIII Всес. конф. по электронной микроскопии.

(г.Суш), Москва, ИКАН 198Т г., т.1, стр. 101-103.

9. Бочикашвили П.Н., Савин Д.О. - Томографические исследования микрообъектов сфокусированным излучением. - Тез. докл. Всес. семинара по оптической томограф«. Таллин. 1968 г., стр. 37-39.

10. Бочикашвили П.Н., Pay Э.И. . Савин Д.О. Ясько A.B. Неразрушапцие комплексные методы - контроля изделий микроэлектроники. - Тез. докл. Всес. научно-техн.конХ). по разработке систем технического зрения. Ижевск, 1988 г., стр. 21-22.

11. Бочикашвили П.Н., Гончарский A.B., Матвиенко А.Н. Pay Э.И. Савин Д.О. Неразрушапций контроль многослойных печатных плат. - Тез. докл. Всес. научно-техн.конф. по разработке систем технического зрения. Ижевск, 1988 г., стр. 23-24,

12. Гончарский A.B., Бочикашвили H.H., Зулинская Е.И., в др. - Тез. докл. IV Всес. симпозиума по, вычислительной томографии, Ташкент. 1989 г., т. I, стр. 186.

13. Бочикашвили П.Н., Pay Э.И. Варианты рентгеновской и инфракрасной сканирующей микроскопии и томографии. - Тез. докл., VI Всес. симпозиума по РЭМ и аналитическим методам исследования твердых тел. Звенигород, 1989 г., стр. 38.

14. Бочикашвили П.Н., Никитин A.D.* Обухов A.JI. и др. Микротомография материалов и приборов микроэлектроники. - Тез. докл. IV Всес. симпозиума по вычислительной томографии, Ташкент, 1989 г. т. I, стр. 150.

15., Авторское асвидетельство СССР на изобретение * 1252769, 1986 Г.

Подписано в печать /3. СЗ.&/. Заказ Я Тираж -/¿Р^.

Ткпогрефяя ХОЗУ Манггстроя СССР