לא אור, אלקטרונים: מה רואים מבעד לעדשת SEM?

כיצד מזהים פגמים בשבבים ואיזה מכשיר מעניק רזולוציה חדה במיוחד? הצצה אל מבעד לעדשה של מיקרוסקופ אלקטרונים סורק אל עולם שלא באמת ניתן לראות בכל דרך אחרת

תמונה: חיידקי סלמונלה (iStockphoto)

הפוסט נכתב על ידי דרור שמש, אחד הפיזיקאים הבכירים באפלייד ישראל בתחום המיקרוסקופיה האלקטרונית (SEM). ב-16 השנים בהן הוא עובד באפלייד הוא ניהל את קבוצת הפיזיקה של מוצרי ה SEM, היה אחראי על פיתוח Multi-beam electron column בתור מנהל הטכנולוגיות של קבוצת מוצרי ה SEM, והיום הוא אחראי על תחום הטכנולוגיה בקבוצת המוצר SEMVision.

בפוסט הקודם הבטחנו שנספר לכם איך עובדת מכונת SEM. ראשי התיבות מייצגים את הביטוי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (Scanning Electron Micorscope) או במילים אחרות מיקרוסקופ המשתמש בקרן אלקטרונים סורקת על מנת לייצר תמונה. תמונה מאלקטרונים? הרי אלקטרונים אלו החלקיקים הקטנים בעלי המטען השלילי שזורמים לנו בחוטי החשמל. מה הקשר בינם לבין תמונה?

תותח אלקטרונים במקום נורה

המוטיבציה העיקרית לשימוש במיקרוסקופ אלקטרוני היא כושר האבחנה (הרזולציה). מכיוון שאורך הגל של אלקטרון קטן בהרבה מאורך הגל של האור (חלקי ננומטר לעומת 500 ננומטר של אור נראה), גבול הרזולוציה של מיקרוסקופ אלקטרוני הוא ננומטרים בודדים לעומת מאות ננומטרים של מיקרוסקופ אופטי. על נושא הרזולוציה נרחיב בפעם אחרת.

בואו נלך צעד אחד אחורה. בהדמיה מיקרוסקופית אופטית (עם אור מנורה או עם לייזר) מקרינים אור על הדגם (פרוסת הסיליקון במקרה שלנו) ואוספים את האור שמוחזר מהפרוסה בעזרת גלאי הרגיש לאור. מיקרוסקופ אלקטרוני עובד בצורה דומה, רק שכאן תותח אלקטרונים מחליף את המנורה. קרן אלקטרונים הנפלטת מתותח האלקטרונים עוברת דרך מערכת עדשות ופוגעת בחומר. כאשר הקרן פוגעת בחומר, נוצרת אינטרקציה שבעקבותיה האלקטרונים הפוגעים בחומר משחררים אלקטרונים משניים. גלאים מיוחדים הרגישים לפגיעת אלקטרונים קולטים אותם ומייצרים תמונה מהאלקטרונים שנקלטו.

הקרן סורקת את הדגם הנבדק מנקודה לנקודה, כאשר מכל נקודה נפלט מספר שונה של אלקטרונים. מספר רב של אלקטרונים בא לידי ביטוי ברמת אפור בהירה בתמונה, ומספר קטן מתורגם לרמת אפור כהה. אופן זה של יצור תמונה בעזרת סריקה של קרן אלקטרונים ננו-מטרית נתן למיקרוסקופ את שמו – מיקרוסקופ אלקטרוני סורק.

המבנה המיקרוסקופי של הדגם קובע את רמות האפור בתמונה. חומרים שונים פולטים מספר שונה של אלקטרונים משניים. כמו כן, המבנה הטופוגרפי של החומר הנבדק משפיע גם הוא עם פליטת האלקטרונים המשניים: מספר האלקטרונים הנפלטים מהדגם הנבחן תלוי בזוית הפגיעה של האלקטרונים בדגם, כפי שניתן לראות באיור הבא.

 

תמונה טופוגרפית

העומק ממנו נפלטים אלקטרונים מהדגם ב-SEM  נקרא עומק האינפורמציה (מסומן בצהוב) והוא מספר בודד של ננו-מטרים. הדרך החופשית הממוצעת של אלקטרונים הנוצרים עמוק יותר בחומר קטנה מכדי לאפשר לאלקטרונים האלה לעזוב את החומר. לעומת זאת, כשקרן אלקטרונים פוגעת בקצה של מדרגה (edge), מספר רב של אינטרקציות מתרחש בתוך עומק האינפורמציה ולכן יותר אלקטרונים נפלטים מהחומר.

כשאלקטרון פוגע בחומר במקום בו פני השטח חלקים (החלק השמאלי באיור שלמעלה), מעט אלקטרונים נפלטים. כשאלקטרון פוגע במבנה עם טופוגרפיית פני שטח – יותר אלקטרונים נפלטים. כך נוצר קונטרסט טופוגרפי בתמונת SEM. בתמונת ה-SEM הבאה ניתן לראות את האפקט. בקצה הקוים רמת האפור בתמונה בהירה יותר בגלל תופעת הפליטה המוגברת מקצוות של קווים.

גורם נוסף המשפיע על מספר האלקטרונים הנפלטים הוא עומק המבנה הנבחן. לאלקטרונים הנפלטים מפני השטח יש סיכוי גבוה יותר להגיע לגלאי, יחסית לאלקטרונים הנפלטים מתעלות עמוקות ומחורים.

דוגמא לתמונה עם הבדלי גובה – הקווים הבהירים הם מוליכים על פני השטח, והכהים הם תעלות בין המוליכים.

דוגמא לתמונה עם הבדלי חומר – הקווים הבהירים עשויים חומר מוליך (נחושת במקרה זה) ואילו הקוים הכהים עשויים חומר מבודד. בתמונה ניתן גם לראות הבדלים בגווני האפור של הפגם המופיע בתמונה. הבדלים אלה נובעים מזויות פגיעה שונות של קרן האלקטרונים הסורקת בדגם, מה שהופך את הפגם לבולט וניתן לגילוי.

מערכות SEM עובדות תחת ואקום (ריק), כיוון שאם האלקטרונים יפגשו חלקיקים באויר בדרכם אל הדגם, הם יתנגשו במולקולות שבאויר ולא יגיעו אל הדגם. כמו במערכות אופטיות, גם במערכות SEM  יש עדשות, אלא שכאן הןעשויות מסלילים המייצרים שדות מגנטיים ומאלקטרודות המפיקות שדה חשמלי. בעזרת סלילים ואלקטרודות אלו אפשר לשלוט בקוטר הקרן וכיוונה – בדיוק כמו שעדשות שולטות בקרני אור.

מבנה עקרוני סכמטי של מערכת SEM

התשובה תמונה ברזולוציה

למה בחרו אנשי ייצור השבבים להשתמש במערכות SEM כמערכות ההדמיה האולטימטיביות המספקות את המידע הסופי והקובע על הפגמים? בגלל הרזולוציה. תמונות SEM מאפשרות להגיע לאיכויות הדמיה גבוהות ולבחון מבנים בעלי מימדים קטנים במיוחד. עם הכיווץ של מימדי הטרנזיסטורים עלתה הדרישה להדמיה במימדים קטנים והולכים. ומה הופך את ה-SEM  למערכת המאפשר צילום ברזולוציה כה גבוהה? העבודה שמשתמשים באלקטרונים ולא באור. בניגוד לתמונות אופטיות, המוגבלות על ידי אורך הגל של האור, הרזולוציה של מערכת מבוססת אלקטרונים מגיעה לרמת הננומטר (מיליונית המילימטר), כיוון שאורך הגל של האלקטרונים קצר בסדרי גודל מזה של אור נראה.

לאפלייד שני סוגים של מערכות מבוססות SEM. האחת היא VeritySEM™4i, המשמשת למדידת קווים ומבנים אחרים על פרוסת הסיליקון. מדידות אלה קריטיות לבקרה על תהליך הייצור. המכונה נקראת Critical-Dimensions SEM, או CD-SEM .המערכת השניה היא SEMVision™ G5, שמשמשת לצילום ואפיון של פגמים המתגלים במהלך סריקת הפרוסות DR-SEM (Defect Review SEM). מערכת זו מפיקה תמונות של פגמים ברזולוציה של כ-1 ננומטר.

רוצים לדעת קצת יותר על המכונה החדשה שלנו, SEMVision G5? צפו בסרטון:

למה משמשות מערכות SEM (חוץ מבקרת איכות לייצור שבבים כמובן)? בכל מקום שנדרשת הדמיה של מימדים קטנים במיוחד. לדוגמא – מחקר מדעי הדורש התסכלות על מבנים ברמה האטומית, מחקר ביולוגי או רפואי הדורש התבוננות ברמת התא או הוירוס, ואף לזיהוי פלילי.

חוט להט של מנורת טנגסטן (iStockphoto)

חיידקי סלמונלה (iStockphoto)

אבקת פרחים (iStockphoto)

שערה אנושית (iStockphoto)

פגמים בתהליך ייצור שבב, גודל שדה הראיה בתמונה 1 מיקרון (אלפית מילימטר) (אפלייד מטיריאלס)

פוסט זה נכתב על ידי דרור שמש, אחד הפיזיקאים הבכירים באפלייד ישראל בתחום המיקרוסקופיה האלקטרונית (SEM) ופורסם במקור בבלוג הרשמי של Applied Materials ישראל.


פוסט בחסות חברת Applied Materials


אפלייד מטיריאלס הינה החברה המובילה בעולם בתחום פתרונות טכנולוגיות הננו-ייצור (Nanomanufacturing Technology). החברה מספקת סל רחב של מוצרים חדשניים בתחום הציוד, התוכנה והשירות עבור יצרני השבבים המוליכים למחצה, צגים שטוחים, תאים סולריים פוטו-וולטאים, אלקטרוניקה גמישה וזכוכית יעילה אנרגטית.

מאז הקמתה בשנת 1967, אפלייד מטיריאלס מפתחת, מייצרת ומשווקת את טכנולוגיית הננו-ייצור המסייעת כיום בהפקתו של כמעט כל שבב מוליך למחצה וצג שטוח בעולם.

החברה מעסיקה כ-13,000 עובדים ב-91 אתרים הפרוסים על פני 22 מדינות ברחבי העולם. מוצרי החברה השונים מיוצרים בארה”ב, במזרח הרחוק, באירופה ובישראל. בשנת הכספים 2010 דיווחה אפלייד מטיריאלס על הכנסות בשווי 9.5 מיליארד דולר, ועד היום הגישה החברה כ-8,200 פטנטים.

החטיבה העסקית הממוקמת בישראל, PDC, Progress Diagnostics and Control משוייכת לקבוצת מערכות הסיליקון של אפלייד מטיריאלס ועוסקת בפיתוח, בייצור ובהטמעה של מוצרי בקרת איכות לתהליכי ייצור המוליכים למחצה.

כתב אורח

אנחנו מארחים מפעם לפעם כותבים טכנולוגים אורחים, המפרסמים כתבות בתחומי התמחות שלהם. במידה ואתם מעוניינים לפרסם פוסט בשמכם, פנו אלינו באמצעות טופס יצירת קשר באתר.

הגב

4 תגובות על "לא אור, אלקטרונים: מה רואים מבעד לעדשת SEM?"

avatar
Photo and Image Files
 
 
 
Audio and Video Files
 
 
 
Other File Types
 
 
 

* היי, אנחנו אוהבים תגובות!
תיקונים, תגובות קוטלות וכמובן תגובות מפרגנות - בכיף.
חופש הביטוי הוא ערך עליון, אבל לא נוכל להשלים עם תגובות שכוללות הסתה, הוצאת דיבה, תגובות שכוללות מידע המפר את תנאי השימוש של Geektime, תגובות שחורגות מהטעם הטוב ותגובות שהן בניגוד לדין. תגובות כאלו יימחקו מייד.

סידור לפי:   חדש | ישן | הכי מדורגים
דפי צביעה
Guest

וואוו! החיידקים האלו אשכרה נראים כמו זחל!! איזה מגניב!!

cudh
Guest

אז היידקים האלה חיים על השבבים ולכן קוראים להם צ’וקים – עכשיו הבנתי!
וואללה איך החיידקים מייצרים לנו מעבדים כאלה מורכבים – אני רץ ללמוד ביוטכנולוגיה.
גדול!

פבל
Guest

would be interesting to try playing with photogrammetry tools like photomod on SEM images.

יפתח
Guest
שאלה לדרור שמש כתבת: “מכיוון שאורך הגל של אלקטרון קטן בהרבה מאורך הגל של האור (חלקי ננומטר לעומת 500 ננומטר של אור נראה), גבול הרזולוציה של מיקרוסקופ אלקטרוני הוא ננומטרים בודדים לעומת מאות ננומטרים של מיקרוסקופ אופטי.” מה פירוש האמור למעלה? מה הם “גלי אלקטרונים”, האם יש להם איזה אורך גל קבוע? ומדוע הם אמורים להיות קצרים יותר מגלי אור (פוטונים) בתדרים גבוהים ביותר? האם המעבר ממיקרוסקופ אופטי לאלקטרוני נובע ממגבלת תחום הראייה האנושי?… ואם כך, האם לא ניתן להשיג הפרדות גבוהות הרבה יותר מן המיקרוסקופ האלקטרוני באמצעות הארת העצם באור קצר גל – אולי בלייזר – ועיבוד התמונה שלא… Read more »
wpDiscuz

תגיות לכתבה: