ПРИМЕНЕНИЕ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Применение интегральных микросхем позволяет уменьшить габариты аппаратуры и ее массу в несколько раз, т.к. элементы интегральных микросхем весьма малы - их размеры составляют единицы и десятые доли микрона, также позволяет усовершенствовать и создать новые методы проектирования, конструирования и производства радиоэлектронной аппаратуры различного назначения, повысить ее технические в эксплуатационные характеристики, внедрить электронику в ряд устройств, традиционно выполняемых на механических или электромеханических принципах действия, позволяет реализовать ряд более сложных схемных решений. Благодаря применению интегральных микросхем существенно повышена функциональная насыщенность новых устройств, вследствие чего в среднем каждый их - них выполняет функции двух старых устройств комплекса Каскад. Это значительно уменьшает потребное число приборов при реализации - конкретных схем регулирования [1].

В последние годы микроэлектроника интенсивно переходит в нано-электронику, поэтому исследовательская работа перестраивается на нано-область. Существенно усложняется контроль и диагностика микросхем из-за постоянно уменьшающихся размеров их отдельных компонентов. Когда-то счет шел на микроны, потом на субмикроны, а теперь – на нанометры. На больших микросхемах, которые установлены в компьютерных процессорах, размер кристалла составляет несколько миллиметров. А таких элементов там может быть более миллиарда – и все это на очень малых площадях. Микросхемы все чаще выполняются многослойными и если вдруг на каком-то слое происходит сбой в работе, то крайне сложно определить, где именно появился дефект, т.к. структуры непрозрачные [2].

Для контроля и диагностики интегральных микросхем можно применять растровые электронные микроскопы. Растровый электронный микроскоп с момента преодоления микроэлектронными приборами топологического рубежа в несколько микрон стал неотъемлемой частью оборудования для контроля и диагностики сложных многослойных, морфологически развитых гетерогенных объектов, какими являются интегральные микросхемы.

Можно выделить несколько особенностей электронного пучка, являющегося основой растровой электронной микроскопии:

• возможность фокусировки в зонд с наноразмерными геометрическими параметрами;
• доступность управления энергетическими и геометрическими параметрами;
• простота локализации пучка в пространстве и во времени;
• наличие разнообразных физических эффектов при взаимодействии электронного пучка с веществом, включая эмиссию вторичных электронов, генерацию электронно-дырочных пар, возникновение люминесценции и рентгеновского излучения.

До настоящего времени отсутствует какая-либо реальная альтернатива данному микроскопическому методу наблюдения поверхности с точки зрения комплексности решения задач получения высокого пространственного разрешения (в современных приборах до единиц ангстрем), значительной глубины резкости при чрезвычайно высокой скорости формирования изображения за счет развертки электронного пучка по поверхности исследуемого объекта [3].

Особенностью проведения исследований в РЭМ также является нахождение объекта в вакуумной камере с достаточно высоким, как правило, обеспечиваемым безмасляными средствами откачки вакуумом (10-6-10-8 мм рт. ст.), что ограничивает возможные манипуляции с микроэлектронными объектами, а также наличие в камере электрических токовводов для подачи напряжения на объект и съема сигналов. Возможно размещение в камере микроскопа пушки ионной очистки поверхности и электрической зондовой системы с микро- и наноманипуляторами, установленными на специальном многокоординатном столе. Некоторые современные приборы имеют режимы работы в «газовой среде», а также интегрируют в камере электронно- и атомно-зондовые системы.

Общими требованиями к РЭМ, как к любому прибору для научных исследований и контроля, является максимально возможная автоматизация процессов управления энергетическими, пространственными и временными параметрами электронного пучка в сочетании с процессами накопления, обработки и представления полученной информации [4].

Одним из основных назначений РЭМ является съемка и анализ топологии ИМС, которые в условиях кристаллов-чипов достаточно больших размеров (вплоть до десятков миллиметров) осуществляются пофрагментарно с последующим совмещением фрагментов изображения в рамках анализируемого слоя. Поэтому РЭМ для морфолого-топологического анализа должен иметь системы коррекции искажения электронного растра (обычно на периферии поля обзора) и систему совмещения фрагментов изображения.

Примеры снимков, полученных с помощью растрового электронного микроскопа приведены на рисунках 1, 2.

Рисунок 1. Снимки микрокластера свинца и мезаструктуры на основе поликремния

Рисунок 2. Фото фрагмента топологии одного из металлизированных слоев интегральной микросхемы

В процессах разработки, производства, контроля и реинжиниринга современных интегральных микросхем растровая электронная микроскопия сохраняет свои позиции оперативного метода наблюдения сложных гетерогенных объектов с наноразмерным разрешением. Применительно к микро- и наноэлектронике общие тенденции развития РЭМ могут быть определены следующим образом:

• достижение ангстремных разрешений;
• работа в «мягких» режимах со сверхнизким ускоряющим напряжением
• получение информации о быстропротекающих процессах в приповерхностных слоях твердого тела с пикосекундным разрешением
• полная автоматизация процедур настройки прибора, наблюдения объектов и обработки информации [5].

Список литературы:

1. Применение - интегральная микросхема - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1 [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: https://www.ngpedia.ru/id314989p1.html (дата обращения 14.01.2018).
2. Новая технология неразрушающего исследования микросхем [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: http://www.nanonewsnet.ru/blog/nikst/novaya-tekhnologiya-nerazrushayushchego-issledovaniya-mikroskhem (дата обращения 14.01.2018).
3. Лучинин В.В., Савенко А.Ю., Тагаченков А.М. Методы микро- и наноразмерной обработки материалов и композиций // Петербургский журнал электроники.– 2005.– №2.– С. 3-14.
4. Демин Ю.А., Демченко Е.Л., Ильин В.А., Аппаратура и программные средства для создания электронно-зондовых аналитических приборов // Научное приборостроение РАН.– 1999.– №2.– С. 14-21.
5. Демин Ю.А., Лучинин В.В., Развитие растровой электронной микроскопии для обеспечения контроля электронной компонентной базы // Петербургский журнал электроники.– 2006.– №3.– С. 59-74.