Rekonstrukcja profilu głębokości 3D segregowanych zanieczyszczeń za pomocą spektrometrii mas jonów wtórnych
29 kwietnia 2020
Przedstawiona metoda opisuje, jak identyfikować i rozwiązywać artefakty pomiarowe związane ze spektrometrią mas jonów wtórnych, a także uzyskiwać realistyczne rozkłady 3D zanieczyszczeń/domieszek w materiałach w stanie stałym.
Protokół ten ma kluczowe znaczenie w technologii półprzewodników dla określenia gęstości i składu chemicznego dyslokacji, a w konsekwencji dla ustalenia charakteru wad strukturalnych w powstałych strukturach. Metoda ta pozwala na trójwymiarową lokalizację zanieczyszczeń o niskim stężeniu w materiałach w stanie stałym, co umożliwia powiązanie ich położenia z pewnymi wadami strukturalnymi. Przed wypróbowaniem tej techniki zapoznaj się z instrumentem, wykonaj wiele testów stabilności wiązki i określ, jakie okoliczności przedłużają okres stabilności.
Spróbuj pracować z prądem niższym niż zwykle. Procedurę zademonstruje Iwona Jóźwik, czołowa specjalistka SEM z mojego laboratorium. Zacznij od przygotowania eutektycznej mieszaniny wodorotlenku potasu, wodorotlenku sodu i tlenku magnezu.
Rozpuść i wymieszaj złożone wodorotlenki alkaliczne i tlenek metali w wodzie destylowanej i podgrzej mieszaninę w kolbie na gorącej płycie do 200 stopni Celsjusza przez godzinę za pomocą mieszadła magnetycznego. Schłodzić mieszaninę do około 100 stopni Celsjusza, zmniejszając temperaturę płyty grzejnej, aż pozostały płyn całkowicie odparuje. Następnie przenieś stały wytrawiacz do wysuszonej butelki, unikając narażenia na wilgoć.
W przypadku wytrawiania selektywnego z wadami umieść próbkę azotku galu na płycie grzejnej o temperaturze 450 stopni Celsjusza wraz z termoparą, aby dokładnie odczytać rzeczywistą temperaturę. Następnie umieść kawałek stałego wytrawiacza na azotku galu i trzymaj go tam przez trzy minuty. Wyjmij próbkę z płyty grzejnej i umieść ją w zlewce z gorącym chlorowodorem na trzy do pięciu minut, aby usunąć pozostały stały wytrawiacz.
Przenieś próbkę do zlewki z wodą dejonizowaną i poddaj ją kąpieli ultradźwiękowej przez 5 do 10 minut, a następnie wysusz za pomocą przedmuchiwania azotem. Użyj diamentowego noża do długopisów, aby oznaczyć próbkę zadrapaniem w kształcie litery L i zamontuj ją na metalowym klocku z przewodzącym klejem, upewniając się, że używasz rękawiczek, aby uniknąć zanieczyszczenia rąk tłuszczem. Dodaj kawałek taśmy przewodzącej, aby połączyć powierzchnię próbki z metalowym króćcem, aby zapobiec gromadzeniu się ładunku na powierzchni próbki.
Należy uzyskać co najmniej trzy mikrofotografie SEM o wysokiej rozdzielczości przedstawiające widok próbki z góry, przy czym każdy obraz przedstawia obszar o wymiarach co najmniej 25 na 25 mikrometrów. Należy unikać wykonywania zdjęć z obszarów powierzchni z makroskopowymi defektami powierzchni. Skalibruj sprzęt SIMS za pomocą ujemnej polaryzacji, jonów pierwotnych cezu o energii uderzenia od 7 do 13 kiloelektronowoltów i wyrównaj wiązki wtórne i pierwotne
.Wiązka powinna być jak najmniejsza. Przygotuj od pięciu do siedmiu ustawień dla wiązek o różnej gęstości prądu jonowego. Dla uproszczenia zachowaj nienaruszony rozmiar wiązki i zmień prąd wiązki.
Zmierz prąd wiązki i rozmiar belki. Użyj rastra o rozmiarze 50 na 50 mikrometrów i obszaru analizy 35 na 35 mikrometrów. Wybierz 256 na 256 pikseli, aby uzyskać rozdzielczość przestrzenną.
Jeśli nie określono inaczej, należy użyć standardowego czasu integracji dla każdego sygnału, zwykle od jednej do dwóch sekund. Wybierz ustawienie z umiarkowanym prądem wiązki i uzyskaj serię obrazów przy użyciu 30-anionowego jonu wtórnego krzemu(2) dla czystej płytki krzemowej. Dla każdego obrazu zintegruj sygnał na 5 do 10 minut.
Jeśli system nie pozwala na dłuższy czas integracji, wybierz 60 sekund. Po uzyskaniu 200 obrazów zgrupuj pięć obrazów w jeden, aby przeprowadzić dalszą analizę i uruchomić pomiary. Wykonaj porównania piksel między pikselami wszystkich obrazów z pierwszym obrazem.
Jeśli piksele większe niż 5% wykazują więcej niż 5% różnicy w stosunku do pierwszego obrazu, oznacza to, że wiązka stała się niestabilna. Zwróć uwagę na przedział czasowy stabilności belki. Wykonuj pomiary w stabilnym przedziale czasowym wiązki.
Korzystając z tych samych ustawień wiązki, wykonaj co najmniej pięć pomiarów dla każdego ustawienia wiązki. Uzyskaj profil głębokości za pomocą jonu wtórnego z 16 anionami tlenu, osiągnij głębokość 200 nanometrów i zmierz intensywność jonu wtórnego 69 anionów galu, całkując sygnał przez 10 do 15 sekund. Nie należy tego robić w regionach, w których uzyskano obrazy SEM.
Wykreślić stosunek intensywności sygnałów 16 anionów tlenu i 69 anionów galu w funkcji odwróconej gęstości prądu pierwotnego i oszacować udział tła próżni. Następnie wybierz intensywną wiązkę i uzyskaj obraz, który posłuży do korekcji płaskiego pola. Użyj 30-anionowego jonu wtórnego krzemu(2) dla pustej płytki krzemowej.
Zintegruj sygnał na 5 do 10 minut. Wykonaj pomiary profilu głębi w tych samych obszarach, w których uzyskano obrazy SEM. Używając 16-anionowego jonu wtórnego anionu tlenu, zintegruj sygnał przez trzy do pięciu sekund dla każdego punktu danych.
Protokół ten może być wykorzystany do uzyskania realistycznych rozkładów 3D zanieczyszczeń lub domieszek w materiałach półprzewodnikowych. Podczas wykonywania procedury redukcji 90% zliczeń jest losowo eliminowanych z każdej warstwy. Na końcowym obrazie 3D widoczne są bardzo wyraźne konstrukcje w kształcie filarów.
Typowy wynik dla pojedynczej płaszczyzny jest pokazany tutaj. Jeśli rdzeń jest mniejszy niż rozmiar belki głównej, obraz wtórny odziedziczy rozmiar i kształt belki głównej. W eksperymentach nieoptymalnych można zaobserwować losowy rozkład liczby tlenu.
W niektórych sytuacjach wiązka staje się niestabilna podczas eksperymentu. W szczególności jakość jest wysoka jak na obszar blisko powierzchni, ale stopniowo pogarsza się podczas eksperymentu. Do przeprowadzenia tego eksperymentu wymagana jest stabilna wiązka.
Wiązka jest zazwyczaj najbardziej stabilna po włączeniu, więc najlepszym rozwiązaniem jest przeprowadzenie eksperymentu przez około dwie do trzech godzin po uruchomieniu wiązki. Czasami lepiej jest pracować szybciej, nawet jeśli rozdzielczość głębi się pogarsza. Technika ta umożliwia wykrycie i precyzyjną lokalizację zanieczyszczeń o niskim stężeniu.
Otwiera to możliwości badania chemii różnych wad strukturalnych.
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje metodę identyfikacji i eliminacji artefaktów pomiarowych w spektrometrii mas z wtórną emisją jonów (SIMS) oraz uzyskiwania realistycznych rozkładów 3D zanieczyszczeń w materiałach w stanie stałym.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Inżynieria materiałowa
- Technologia półprzewodników
Wstęp
- Zrozumienie defektów strukturalnych w półprzewodnikach jest kluczowe dla rozwoju technologii.
- Zanieczyszczenia o niskim stężeniu mogą znacząco wpływać na właściwości materiałów.
- Wtórna spektrometria mas jonów jest kluczową techniką analizy tych materiałów.
- Stabilność wiązki pomiarowej jest niezbędna dla uzyskania dokładnych wyników.
Cel badania
- Dostarczenie szczegółowego protokołu pomiarów SIMS.
- Umożliwienie lokalizacji zanieczyszczeń w materiałach w stanie stałym.
- Pogłębienie wiedzy na temat defektów strukturalnych w materiałach półprzewodnikowych.
Zastosowane metody
- Przygotowanie mieszaniny eutektycznej do trawienia selektywnego względem defektów.
- Kalibracja urządzenia SIMS w celu uzyskania dokładnych pomiarów.
- Pozyskanie wysokorozdzielczych mikrografii SEM.
- Profilowanie głębokościowe w celu analizy rozkładu zanieczyszczeń.
Główne wyniki
- Pomyślna identyfikacja artefaktów pomiarowych w SIMS.
- Uzyskano realistyczne rozkłady 3D zanieczyszczeń.
- Ustanowiono stabilne warunki wiązki w celu zapewnienia wiarygodnych pomiarów.
- W końcowych obrazach 3D zaobserwowano wyraźne struktury w kształcie filarów.
Wnioski
- Protokół umożliwia precyzyjną lokalizację zanieczyszczeń o niskim stężeniu.
- Otwiera on nowe możliwości badania chemii defektów strukturalnych.
- Stabilna praca wiązki jest kluczowa dla uzyskania wysokiej jakości wyników.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejszy protokół umożliwia precyzyjną lokalizację 3D zanieczyszczeń o niskim stężeniu w materiałach w stanie stałym, wspierając walidację celów w badaniach i rozwoju półprzewodników poprzez powiązanie rozkładu zanieczyszczeń z defektami strukturalnymi. Zwiększa on pewność prognoz dotyczącą parametrów materiałowych poprzez eliminację artefaktów pomiarowych SIMS za pomocą korekcji płaskiego pola, odejmowania tła próżniowego oraz kontroli stabilności wiązki. Metoda ta stanowi szybkie, bezetykietowe podejście do minimalizowania ryzyka we wczesnych etapach opracowywania procesów półprzewodnikowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie zależności między zanieczyszczeniami a defektami w celu wyjaśnienia wpływu domieszek na właściwości materiałów.
- Wartość operacyjna: Wspiera testowanie hipotez dotyczących roli defektów strukturalnych w segregacji zanieczyszczeń bez konieczności stosowania znaczników genetycznych lub biochemicznych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Dostarcza ilościowych trójwymiarowych profili głębokości z granicami wykrywalności od ppm do ppb, co umożliwia wysokoczułe przesiewanie zanieczyszczeń.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje procesy korekcji artefaktów w celu poprawy powtarzalności wyników dla różnych partii materiałów półprzewodnikowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez powiązanie aglomeracji zanieczyszczeń z konkretnymi typami dyslokacji za pomocą korelacji SEM-SIMS.
- Wartość operacyjna: Zapewnia gotowość systemu istotną z punktu widzenia choroby (tj. istotną dla materiału) w celu walidacji modyfikacji procesu w warunkach zbliżonych do przedklinicznych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum od fazy odkrycia do fazy przedklinicznej, umożliwiając mapowanie zanieczyszczeń po trawieniu selektywnym względem defektów, a przed końcową oceną właściwości materiału.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wpływu defektów strukturalnych na wzorce segregacji zanieczyszczeń w układach w stanie stałym.
- Przesiewanie: Dostarcza gotowe do analizy, ilościowe profile głębokości z rozdzielczością przestrzenną ~1 µm w celu niezawodnej oceny związków (domieszek).
- Analityka: Generuje pomiary stosunków intensywności (np. ¹⁶O⁻/⁶⁹Ga⁻), które pozwalają zespołom na porównywanie warunków i szacowanie wkładu tła próżniowego.
- Badania translacyjne: Łączy lokalizację zanieczyszczeń w fazie odkrywania z ciągłością przedkliniczną, umożliwiając optymalizację procesu w oparciu o chemię defektów.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy powtarzalną możliwość profilowania zanieczyszczeń metodą SIMS w wielu układach materiałowych i etapach rozwoju.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Możliwość przewidywania zależności między zanieczyszczeniami a defektami, redukcja niejednoznaczności mechanistycznej w aktywacji domieszek.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja, powtarzalność i skalowalność trójwymiarowego mapowania zanieczyszczeń w partiach wafli.
- Wartość strategiczna: Lepsze podejmowanie decyzji typu go/no-go w zakresie czystości materiałów, efektywność kapitałowa w rozwoju procesów, zmniejszone ryzyko awarii na późniejszych etapach.
- Wpływ na portfolio: Priorytetyzacja procesów półprzewodnikowych z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o zwalidowane dane dotyczące rozkładu zanieczyszczeń.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu obsługi SIMS, obrazowania SEM oraz protokołów trawienia selektywnego w stosunku do defektów.
- Wymagane jest wysokiej jakości, stabilne źródło jonów cezu oraz układ próżniowy zdolny do utrzymania stabilności wiązki przez 2–3 godziny.
- Konieczna jest standaryzacja międzyzespołowa jednostek mikroskopii i spektrometrii mas w celu uzyskania obrazowania skorelowanego.
- Wymagane jest uwzględnienie adaptacji dla różnych układów materiałowych (np. azotku galu, krzemu) w odniesieniu do chemii trawienia i parametrów wiązki.
- Ograniczeniem jest konieczność szybkiego wykonania pomiarów w celu zapobieżenia pogorszeniu parametrów wiązki, co odnotowano w materiale źródłowym.
