Le Dr András Vladár exploite le microscope électronique à balayage de référence en métrologie dimensionnelle du NIST.
(Phys.org) —Les chercheurs de PML ont mis au point une idée pour déterminer la forme tridimensionnelle de caractéristiques aussi petites que 10 nanomètres de large. La méthode basée sur un modèle compare les données des images au microscope électronique à balayage (MEB) avec les entrées stockées dans une bibliothèque de formes tridimensionnelles (3D) pour trouver une correspondance et déterminer la forme de l'échantillon. Le travail fournit une nouvelle façon puissante de caractériser les nanostructures.
Le MEB est largement utilisé dans divers domaines de l'industrie et de la science car il s'agit de l'un des instruments d'imagerie et de mesure les plus polyvalents. La taille et la forme des structures à l'échelle nanométrique sont des informations importantes à connaître, en particulier pour la fabrication de circuits intégrés (CI) et de fonctionnalités à l'échelle nanométrique. Le SEM, avec une résolution supérieure à 1 nanomètre, fournit des informations sur ces structures qui sont généralement interprétées comme des images bidimensionnelles (2D). Mais ces images contiennent une mine d'informations liées aux trois dimensions, et les scientifiques de PML ont entrepris de le capturer.
Au début de ce travail, il y avait deux obstacles à l'obtention d'une très haute précision, l'une affectant la qualité des mesures et l'autre l'interprétation :(1) la qualité de l'image et de la mesure est dégradée par la dérive de l'échantillon et du faisceau d'électrons, car même de légers mouvements entraînent des images déformées, et (2) l'interprétation correcte des résultats SEM nécessite une précision, modèle basé sur la physique de la relation entre la géométrie de l'échantillon 3D et l'intensité du signal utilisé pour acquérir les images.
Pour surmonter ces obstacles, une équipe dirigée par András E. Vladár de la division Semi-conducteurs et métrologie dimensionnelle de PML a développé avec succès une méthode de mesure basée sur un modèle qui reconstruit la forme 3D et pour la première fois l'a appliquée avec succès à des structures à l'échelle de 10 nanomètres. Ils ont développé deux logiciels :une méthode d'acquisition d'images rapide capable de compenser la dérive inévitable de l'échantillon et du faisceau d'électrons; et une méthode basée sur la simulation Monte Carlo pour interpréter les images 2D en 3D.
Le premier logiciel, appelé ACCORD, travaille avec des transformées de Fourier 2D pour reconstituer de nombreuses images rapidement acquises, de la même manière que les astronomes sont capables de capturer des images d'étoiles sans flou ni autres distorsions. Le résultat est une image unique sans dérive, une représentation beaucoup plus fidèle de l'échantillon que n'importe quelle image fournie par les méthodes traditionnelles.
Une fois qu'une image de bonne qualité est reconstituée, un logiciel de modélisation Monte Carlo (JMONSEL), développé par John Villarrubia de PML, est utilisé pour générer une bibliothèque de formes d'onde SEM pour les structures 3D avec des paramètres de forme (par exemple, largeurs, angles, rayons de courbure) couvrant une plage de valeurs autour de celles attendues. Les structures étroites comme les travaux les plus récents ont des lignes de 10 nm qui imposent des exigences plus importantes au modèle car des électrons dispersés peuvent émerger de plusieurs surfaces (par exemple, la gauche, droit, et haut) en même temps. Après avoir généré une bibliothèque de formes d'onde SEM, la tâche consiste à identifier toutes les formes 3D avec des images modélisées qui correspondent à l'image acquise. Le résultat peut être rendu dans une représentation 3D de la forme de l'échantillon.
Une image SEM d'un échantillon IC de lignes SiO2 de 10 nm de large, avec les bords inférieur et supérieur marqués respectivement en rouge et en vert (à gauche). La zone marquée d'un cadre jaune rendue dans un tracé 3D (à droite).
L'application de ces méthodes à l'imagerie MEB et à la modélisation 3D au niveau de 10 nm, et la qualité des résultats, constituent une première réalisation mondiale. La nouvelle méthode est si puissante que, dans ce cas simple d'une structure IC, une seule image descendante peut être suffisante pour déterminer la forme 3D ainsi que les détails de l'échantillon à l'échelle nanométrique.
Les chercheurs ont testé leurs résultats par rapport aux mesures d'un microscope électronique à transmission (MET) sur des lignes IC de 10 nm. La différence était inférieure à un nanomètre – aussi petite que quelques atomes seulement. Les résultats SEM correspondaient également bien aux résultats des mesures de diffusion des rayons X aux petits angles de dimension critique.
"Il n'y a pas de méthode unique au monde qui puisse vous donner toutes les réponses, " explique Vladár. " Mais, lorsque deux ou trois méthodes vous donnent le même résultat de mesure, votre confiance dans ce résultat est beaucoup plus élevée."
La collaboration avec les ingénieurs d'Intel Corp. a été déterminante pour l'étude car ils ont pu fournir au NIST des échantillons appropriés.
« Nous avons développé une méthode qui, dans sa forme actuelle, peut être utilisé par à peu près n'importe qui qui a un microscope électronique à balayage approprié, " dit Vladár. Bien que cette technique n'en soit qu'à ses débuts, les résultats démontrent clairement que les mesures SEM 3D au niveau du nanomètre sont un ajout important aux méthodes existantes, qui sont tous importants pour la métrologie au niveau du nanomètre.
Les chercheurs de PML amélioreront encore la technique en se concentrant sur l'amélioration du logiciel de modélisation, ce qui n'est pas assez rapide en ce moment.
"Actuellement, le goulot d'étranglement est la vitesse, " dit Vladár. " La génération des bibliothèques modélisées peut prendre beaucoup de temps. L'interprétation des données - trouver la meilleure correspondance 3D - est également lente actuellement."
Des études supplémentaires exploreront les façons de traiter les images prises sous différents angles, ce qui sera nécessaire dans la modélisation 3D des nanoparticules. Cette étude n'a utilisé que des images de haut en bas. De nouvelles méthodes seront nécessaires pour fusionner plusieurs vues en une seule, représentation 3D précise d'échantillons avec des structures pas clairement visibles d'une seule vue.
Finalement, ils prévoient d'explorer la faisabilité d'utiliser la technique pour modéliser des tailles de caractéristiques encore inférieures à 10 nm.
"Nous avons de grands espoirs que cette méthode fonctionnera bien dans le domaine de 5 à 7 nm, " déclare Vladár. " Nous avons déjà des idées sur la façon dont nous pouvons pousser la technique plus loin.
"Cette technique 3D devrait avoir un impact sur une grande variété de technologies, allant de la production de circuits intégrés à la nanotechnologie pour la caractérisation 3D de nanostructures et de nanoparticules, critique pour les applications catalytiques et nanobio."
