CC BY
38
2. Сущинский М. М. Спектры комбинационного рассеяния молекул и кристаллов. - М.: Наука, 1969. - 576 с.
3. Дымшиц О.С., Жилин А.А., Петров В.И., Центер М.Я., Чуваева Т.И., Голубков В.В. // Физ. и хим. стекла. - 1998. - Т. 24. - С. 114.
4. Архипенко Д.К., Бобович Я.С., Центер М.Я., Чуваева Т.И. // Журнал прикл. спектроскопии. - 1984. - Т. 41. - С. 304.
5. V.V. Golubkov a, O.S. Dymshits, V.I. Petrov, A.V. Shashkin, M.Ya. Tsenter, A.A. Zhilin, Uk. Kang, Small-angle X-ray scattering and low-frequency Raman scattering study of liquid phase separation and crystallization in titania-containing glasses of the ZnO-Al2O3-SiO2 System J. Non-Cryst. // Solids. - 2005. - Vol. 351. - Р. 711.
6. Tamura A., Higeta K., Ichinokava T. Lattice vibration and specific heat of a small particle. J. Phys. C: // Solid State Phys. - 1982.- V. 15. - №. 24. - P. 4975- 4991.
7. B. Champagnon, B. Andrianasolo, E. Duval, Mater // Sci. A. Engin. - 1991.- B9.- P. 417.
Ермаков Виктор Анатольевич
Центер Марина Яковлевна
Дымшиц Ольга Сергеевна
Баранов Александр Васильевич
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, victor.ermakov@gmail.com
Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения (ГОИ), старший научный сотрудник, mzenter@mail.ru
Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения (ГОИ), старший научный сотрудник, vodym@goi.ru
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор физ.-мат. наук, профессор, Ea_v_baranov@yahoo.com
УДК 53.084.2
ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОЗОНДА ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРА МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОЙ
СИЛОВОЙ ЛИТОГРАФИИ А.В. Стовпяга, А.Л. Пинаев, А.О. Голубок
В работе осуществлена оптимизация колебательной системы датчика СЗМ «NanoEducator» с целью достижения максимального разрешения при получении изображения поверхности образца поликарбоната в режиме полуконтактной моды и для осуществления динамической нанолитографии. Установлены эффективные параметры размеров кантеливера и острия зонда для различных режимов работы. Методом динамической нанолитографии получены поверхностные наноструктуры в соответствии с заданным шаблоном.
Ключевые слова: сканирующая зондовая микроскопия, литография
Введение
Методом литографии возможно получение фотонных кристаллов - материалов, структура которых характеризуется периодическим изменением коэффициента преломления, за счет которого создается дополнительное поле, чей период в десятки раз превышает период основной решетки - так называемая сверхрешетка. С помощью данного метода возможно создание формы для улавливания, фиксирования и дальнейшего исследования живой клетки (например, крови). Большой интерес представляет иссле-
дование кинетики электрического заряда в проводниках и полупроводниковых структурах со сверхмалой площадью сечения. Результаты проведенной работы позволяют говорить о возможности создания сверхтонких проводников с помощью прибора КапоЕёиса1;ог.
Для получения высококачественных изображений и модификации нанообъектов необходимо использовать СЗМ с высокой разрешающей способностью. Разрешающая способность СЗМ в режиме примененной в работе полуконтактной моды во многом обусловлена параметрами колебательной системы датчика СЗМ.
Датчик СЗМ «КапоЕёиса1»г» включает пьезокерамическую трубку с электродами, один конец которой закреплен, а на втором установлен вольфрамовый зонд с острием, служащим для взаимодействия с поверхностью образца. Через электроды на трубку подается переменное напряжение, вызывающее ее колебания за счет обратного пьезоэф-фекта. С помощью других электродов с использованием прямого пьезоэффекта осуществляется измерение параметров колебаний трубки и отрицательная обратная связь.
Основная часть
Как известно, при работе СЗМ в режиме полуконтактной моды колебательная система датчика до взаимодействия с образцом вводится в резонансный режим колебаний. Взаимодействие острия зонда с поверхностью приводит к изменению резонансной частоты колебаний. При сканировании зонда датчика над поверхностью изменение частоты поддерживается на постоянном уровне изгибом пьезотрубки, меняющим расстояние между острием зонда и поверхностью. В результате острие зонда огибает рельеф поверхности, что отражается в системе регистрации [1]. Точность огибания рельефа определяется чувствительностью колебательной системы к изменению резонансной частоты, зависящей, в первую очередь, от ее добротности
б = , (1) 12 К
где К - резонансная частота колебаний, /1, /2- частоты на половине высоты резонансного пика (рис. 1) [2].
Рис. 1. Резонансная частота датчика СЗМ
Чем выше Q, тем точнее выражена резонансная частота колебаний, больше амплитуда колебаний датчика в условиях резонанса и, как следствие, выше чувствительность датчика к изменению резонансной частоты.
Для получения максимальной добротности исследована зависимость резонансной частоты и добротности датчика от его параметров. Измерения добротности и резонансной частоты колебаний датчика для СЗМ «КапоЕёиса1;ог» производились с помощью программы КапоЕёиса1;ог, входящей в состав комплекса. С помощью диалогового окна программы (рис. 2) визуализировалась зависимость амплитуда колебаний пьезотрубки, выраженной через напряжение, полученное за счет прямого пьезоэффекта, от частоты колебаний датчика. Резонансная частота определялась по положению максимума амплитуды на оси частот.
Оптимизированные в результате повышения добротности датчики СЗМ были использованы для модификации поверхности образца поликарбоната в режиме динамической нанолитографии, которая производилась по заданному шаблону (рис. 4). Шаблон включал набор геометрических элементов, воспроизведение которых на поверхности позволило получить объективную и достаточно полную информацию о возможностях СЗМ «NanoEducator» при работе в режиме литографии.
Получение наноструктуры происходило в следующей последовательности: сканирование исходной поверхности с целью выбора участка для нанесения рельефа, модификация поверхности по шаблону, повторное сканирование полученной наноструктуры.
Рис. 2. Диалоговое окно программы ЫапоЕЬиса1ог для нахождения добротности и резонансной частоты датчика для СЗМ "ЫапоЕЬиса1ог"
В режиме литографии необходимо, чтобы давление зонда СЗМ превышало напряжение начала пластической деформации материала образца, вследствие чего на его поверхности оставались следы воздействия зонда. Это позволяет использовать зонд СЗМ в качестве микромеханического инструмента для получения поверхностного рельефа по заданному шаблону. При этом точность нанесения рельефа и его воспроиз-
ведения была обеспечена высокой добротностью колебательной системы датчика СЗМ, полученной на первом этапе работы.
Рис. 3. Представление физической модели для режима литографии
Для количественной оценки воздействия вольфрамового зонда на образец поликарбоната была построена физическая модель контакта зонд-поверхность образца. Это позволило оценить параметры системы сканер-зонд-образец, при которых оптимизируются режим сканирования (получение СЗМ изображения без повреждения поверхности образца) и режим литографии (модифицирование (пластическая деформация) поверхности полимера без повреждения зонда).
Для написания модели режима литографии производилось детальное исследование взаимодействия зонда и образца при ударе. Допускалось, что сканер при своем перемещении совершает гармонические колебания (рис. 3), в частности, на временном интервале, соответствующем Т/4. Поэтому для количественной оценки напряжения, возникающего в области контакта при ударе в процессе литографии, использовались соотношения теории колебаний [3].
Как известно, гармонические колебания материальной точки описываются уравнением
X = Х0 бШ(ш • г), (2)
при этом материальная точка испытывает ускорение
X = -о2Х0вт(ш • г). (3)
В соответствии со вторым законом Ньютона
¥ = тХ, (4)
можем записать выражение для силы
¥ = -тш Х0вт(ш • г) . (5)
Применяя формулу (5) для оценки силы удара подложки о зонд и принимая, что удар будет происходить на высоте меньшей Аd (например, А^/2), запишем
¥=М п 2 / 2 —, 2
(6)
гдеМ- масса сканера, равная 3,89-10" кг, Аd - высота подъема сканера,/- резонансная частота сканера. Разделив правую часть уравнения (6) на площадь контакта, получим уравнение для напряжения, возникающего в зоне контакта зонд-образец (7): ММ/2
т,- =■
2Я2
(7)
где Я - радиус острия зонда. Основываясь на данных физической модели, а также путем подбора параметров системы в ходе эксперимента, были получены с помощью вольфрамового зонда изображения (рис. 5) на образце по заданному шаблону (рис. 4).
Рис. 4. Шаблон изображения для нанесения на поликарбонат
Рис. 5. Результат литографии при оптимальных параметрах системы
При формировании рельефа наиболее эффективными оказались следующие параметры процесса нанолитографии:
1. высота перемещения сканера вверх по оси Z (Action) - 100 нм;
2. время нахождения сканера в верхнем положении (Time Action) - 100 мкс;
3. шаг - 40 нм.
В ходе работы по оптимизация колебательной системы датчика сканирующего
зондового микроскопа (СЗМ) «NanoEducator» для получения изображения поверхности
в режиме полуконтактной моды и нанолитографии были получены следующие результаты и выводы.
1. Уменьшение длины пьезокерамической трубки датчика привело во всех случаях к увеличению резонансной частоты, что соответствует расчетам, выполненным в рамках принятой математической модели.
2. Зависимость величины добротности колебательной системы пьезокерамическая трубка-зонд от длины трубки имеет максимум при длине ~ 9 мм, которая, таким образом, является оптимальной для данной колебательной системы.
3. Разработана физическая модель взаимодействия вольфрамового зонда с полимерным образцом.
4. На основе физической модели произведены количественные оценки сил и напряжений в локальном контакте в зависимости от переменных параметров (частота колебаний образца, радиус контакта). Установлены границы параметров для работы в режиме литографии, которые позволили использовать стандартное оборудование без создания специальной экспериментальной установки.
5. Проведены экспериментальные исследования, в ходе которых уточнены оптимальные параметры динамической силовой литографии.
6. Получено изображение рисунка-шаблона на поверхности образца из поликарбоната.
7. Проведен анализ полученных наноструктур, подтвердивший возможность использования СЗМ «NanoEducator» в режиме литографии, в частности, на полимерных подложках.
1. Биннинг Г., Рорер Г. Сканирующая туннельная микроскопия - от рождения к юности. Нобелевские лекции по физике // Успехи физических наук. - 1986. - Т. 154. -Вып. 2. - С. 261-278.
2. Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 2004. -
3. Неволин В.К. Зондовые технологии в электронике. - М.: Техносфера, 2006. - 159 с.
Заключение
Литература
143 с.
Стовпяга Александр Владимирович
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, sanja100v@mail.ru
Пинаев Александр Леонидович
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, pinaich@mail.ru
Голубок Александр Олегович
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор физ.-мат. наук, старший научный сотрудник, golubok@ntspb.ru
