Combining ToF-SIMS and topographic data for artifact correction in 3D depth profiling

Abstract

In den letzten Jahren wurde die laterale Auflösung von Flugzeit Sekundärionenmassenspektrometern (ToF-SIMS) durch eine Verringerung des Primärionenstrahldurchmessers verbessert. Dies führte jedoch dazu, dass die Bilder der Ionenverteilungen bei strukturierten Oberflächen verzerrt sind, sobald der Primärionenstrahl nicht in einem Winkel von 90° auf die Probenoberfläche auftrifft. Diese Verzerrung wird dann problematisch, wenn die Höhe der Oberflächentopographie den Durchmesser des Primärstrahls übersteigt, da dadurch Schatteneffekte entstehen. Dabei ist es unerheblich ob der Ursprung solcher Oberflächentopographie im Fertigungsprozess oder in einem ungleichmäßigen Abtrag von Material beim Sputtern während der Tiefenprofilierung liegt.<br />Gängige ToF-SIMS Auswertesoftware kann aufgrund fehlender Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit solche Topographieeffekte nicht berücksichtigen und behandelt daher jede Probe als ob sie eine glatte Oberfläche hätte und beim Sputtern immer gleich viel Material abgetragen würde. Dies führt zusätzlich zur oben angesprochenen horizontalen Verzerrung auch zu vertikal verfälschten Elementverteilungen in Tiefenprofilen.<br />In dieser Dissertation wird ein Softwaresystem vorgestellt, das beide Arten von Defekten in 2D und 3D ToF-SIMS Elementverteilungen zu korrigieren versucht. Dazu werden topographische Information aus verschiedenen Quellen, einem Rasterkraftmikroskop, einem digitalen holographischen Mikroskop oder einem konfokalen Mikroskop mit den ToF-SIMS Daten kombiniert. Durch die Kombination dieser multi-modalen Daten entsteht ein genaueres Abbild der Probe indem die gemessene Tiefeninformation statt der Sputterzeit für die Bestimmung der z-Koordinaten und damit der Höhe der gemessenen Werte herangezogen werden. Außerdem können Schatteneffekte durch Kenntnis der genauen Topographie bis zu einem gewissen Grad korrigiert werden.<br />Durch Anwendung der Korrekturalgorithmen ist es möglich eine genauere Information über Elementverteilungen in ToF-SIMS Tiefenprofilen zu erlangen als es gängige Auswertesoftware derzeit gestattet. Das Resultat dieser Korrektur, die interaktiv angewendet werden kann, wird dann dem Benutzer in einer Visualisierungskomponente dargestellt die auch im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Sie erlaubt es verschiedene Visualisierungsparameter zu verändern um noch bessere Einblicke in die Zusammensetzung der Probe zu erhalten.<br />

Over the last few years, the lateral resolution of time-of-flight secondary ion mass spectrometric (ToF-SIMS) analyzers has been improved steadily by reducing the primary ion beam diameter. This led to distorted images of the ion distribution on structured sample surfaces, if the primary ion beam does not hit the sample surface at an angle of 90°. This distortion becomes problematic if the topography exceeds the diameter of the primary ion beam. It is irrelevant if the topography results from the process of manufacture or an uneven removal of matter through sputtering during depth profiling.<br />Established ToF-SIMS analysis software can not take topographic effects into account due to missing information on the surface texture. Thus, all samples are treated as having a flat surface and being uniformly sputtered. This leads to vertically distorted element distributions in addition to the horizontal artifacts mentioned above.<br />In this thesis a software system is introduced that tries to correct both of these defects in 2D and 3D ToF-SIMS element distributions. To this end, topographic information from different sources, an atomic force microscope, a digital holographic microscope or a confocal microscope, are combined with the ToF-SIMS data. This combination of multi-modal data allows a more accurate image of the sample using the measured depth information instead of the sputter time to determine the z coordinate and thus the height of a measured intensity value. Furthermore, shadow effects can be corrected to some degree by taking the surface topography into account.<br />By applying these correction algorithms, it is possible to gain a more detailed insight into the element distributions in ToF-SIMS depth profiles than using established analysis software. The results of the correction, which can be applied interactively, are presented to the user in a visualization component which was also developed in the course of this thesis. This component allows to change various visualization parameters to gain better insights into the composition of the sample.<br />