Il Dr. András Vladár utilizza il microscopio elettronico a scansione di riferimento metrologico dimensionale del NIST.
(Phys.org) —I ricercatori della PML hanno escogitato un'idea per determinare la forma tridimensionale di elementi larghi fino a 10 nanometri. Il metodo basato sul modello confronta i dati delle immagini del microscopio elettronico a scansione (SEM) con le voci memorizzate in una libreria di forme tridimensionali (3D) per trovare una corrispondenza e determinare la forma del campione. Il lavoro fornisce un nuovo modo potente per caratterizzare le nanostrutture.
Il SEM è ampiamente utilizzato in vari campi dell'industria e della scienza perché è uno degli strumenti di imaging e misurazione più versatili. Le dimensioni e la forma delle strutture su scala nanometrica sono informazioni importanti da conoscere soprattutto per la produzione di circuiti integrati (IC) e caratteristiche su scala nanometrica. Il SEM, con una risoluzione migliore di 1 nanometro, fornisce informazioni su queste strutture che vengono tipicamente interpretate come immagini bidimensionali (2D). Ma quelle immagini contengono una grande quantità di informazioni relative a tutte e tre le dimensioni, e gli scienziati della PML si sono proposti di catturarlo.
All'inizio di questo lavoro, c'erano due ostacoli per raggiungere una precisione molto elevata, uno influenza la qualità delle misurazioni e l'altro l'interpretazione:(1) la qualità dell'immagine e della misurazione è degradata dalla deriva del campione e del fascio di elettroni, poiché anche piccoli movimenti producono immagini distorte, e (2) la corretta interpretazione dei risultati SEM richiede un'accurata, modello fisico della relazione tra la geometria del campione 3D e l'intensità del segnale utilizzato per acquisire le immagini.
Per superare quegli ostacoli, un team guidato da András E. Vladár della divisione Semiconduttori e metrologia dimensionale di PML ha sviluppato con successo un metodo di misurazione basato su modello che ricostruisce la forma 3D e per la prima volta lo ha applicato con successo a strutture in scala 10 nanometri. Hanno sviluppato due programmi software:un metodo di acquisizione rapida delle immagini in grado di compensare l'inevitabile deriva del campione e del fascio di elettroni; e un metodo basato sulla simulazione Monte Carlo per interpretare le immagini 2D in 3D.
Il primo software, chiamato ACCORDO, lavora con trasformate di Fourier 2D per mettere insieme molte immagini acquisite rapidamente, più o meno allo stesso modo in cui gli astronomi sono in grado di catturare immagini di stelle senza sfocature o altre distorsioni. Il risultato è una singola immagine senza deriva, una rappresentazione del campione molto più fedele alla realtà rispetto a qualsiasi immagine fornita dai metodi tradizionali.
Una volta che un'immagine di buona qualità è stata assemblata, un software di modellazione Monte Carlo (JMONSEL), sviluppato da John Villarrubia di PML, viene utilizzato per generare una libreria di forme d'onda SEM per strutture 3D con parametri di forma (ad es. larghezze, angoli, raggi di curvatura) che abbracciano un intervallo di valori intorno a quelli attesi. Strutture strette come il lavoro più recente hanno righe di 10 nm che richiedono maggiori requisiti al modello perché gli elettroni dispersi possono emergere da diverse superfici (ad es. sinistra, Giusto, e in alto) contemporaneamente. Dopo aver generato una libreria di forme d'onda SEM, il compito è identificare qualsiasi forma 3D con immagini modellate che si adattino all'immagine acquisita. Il risultato può essere reso in una rappresentazione 3D della forma del campione.
Un'immagine SEM di un campione IC di linee SiO2 larghe 10 nm, con i bordi inferiore e superiore contrassegnati rispettivamente in rosso e in verde (a sinistra). L'area contrassegnata da una cornice gialla viene resa in un grafico 3D (a destra).
L'applicazione di questi metodi all'imaging SEM e alla modellazione 3D a livello di 10 nm, e la qualità dei risultati, costituiscono una prima conquista al mondo. Il nuovo metodo è così potente che, in questo semplice caso di una struttura IC, una singola immagine dall'alto verso il basso può essere sufficiente per determinare la forma 3D insieme a dettagli del campione su scala nanometrica.
I ricercatori hanno testato i loro risultati rispetto alle misurazioni di un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) su linee IC da 10 nm. La differenza era inferiore a un nanometro, piccola come pochi atomi. I risultati del SEM hanno anche abbinato bene i risultati delle misurazioni della diffusione dei raggi X a piccoli angoli di dimensione critica.
"Non esiste un unico metodo al mondo che possa darti tutte le risposte, " spiega Vladár. "Ma, quando due o tre metodi danno lo stesso risultato di misurazione, la tua fiducia in quel risultato è molto più alta."
La collaborazione con gli ingegneri di Intel Corp. è stata determinante per lo studio in quanto sono stati in grado di fornire al NIST campioni idonei.
"Abbiamo sviluppato un metodo che, nella sua forma attuale, può essere utilizzato praticamente da chiunque disponga di un microscopio elettronico a scansione adatto, " dice Vladár. Sebbene questa tecnica sia agli inizi, i risultati dimostrano chiaramente che le misurazioni 3D SEM a livello nanometrico sono un'importante aggiunta ai metodi esistenti, tutto ciò è importante per la metrologia a livello di nanometro.
I ricercatori PML miglioreranno ulteriormente la tecnica concentrandosi sul miglioramento del software di modellazione, che non è abbastanza veloce in questo momento.
"Attualmente, il collo di bottiglia è la velocità, " dice Vladár. "La generazione delle librerie modellate può richiedere molto tempo. Anche l'interpretazione dei dati, la ricerca della migliore corrispondenza 3D, è attualmente lenta".
Ulteriori studi esploreranno modi di trattare le immagini prese da diverse angolazioni, che sarà necessario nella modellazione 3D delle nanoparticelle. Questo studio ha utilizzato solo immagini dall'alto verso il basso. Saranno necessari nuovi metodi per unire più viste in un'unica, rappresentazione 3D accurata di campioni con strutture non chiaramente visibili da una sola vista.
Finalmente, hanno in programma di esplorare la fattibilità dell'uso della tecnica per modellare dimensioni delle caratteristiche anche inferiori a 10 nm.
"Abbiamo grandi speranze che questo metodo funzioni bene nel regno da 5 a 7 nm, " Afferma Vladár. "Abbiamo già idee su come spingere ulteriormente la tecnica.
"Si prevede che questa tecnica 3D avrà un impatto su un'ampia varietà di tecnologie, che vanno dalla produzione di circuiti integrati alle nanotecnologie per la caratterizzazione 3D di nanostrutture e nanoparticelle, fondamentale per applicazioni catalitiche e nanobio."
