CC BY
90
Раздел III. Наносистемная техника
УДК 621.38-022.532
О.А. Агеев, В.А. Смирнов, А.С. Коломийцев, АЛ. Г ромов
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ФОКУСИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ЗОНДОВЫХ ДАТЧИКОВ АТОМНО-СИЛОВЫХ
МИКРОСКОПОВ
Представлены результаты экспериментальных исследований по модификации зондо-вых датчиков (кантилеверов) для атомно-силовой микроскопии (ACM) методом фокусиро-( ). -тилеверы с радиусом закругления острия менее 10 нм и аспектным отношением 1:50. С помощью ионно-стимулированного осаждения методом ФИП получены кантшеверы с
5 50 . ,
что применение модифицированных зондовых датчиков методом ФИП позволяет повысить разрешающую способность и достоверность измерений тестовых объектов мето.
микро- и наноэлектроники, микро- и наносистемной техники.
Атомно-силовая микроскопия; кантилевер; фокусированный ионный пучок; ионнолучевое травление; ионно-стижлированное осаждение.
O.A. Ageev, V.A. Smirnov, A.S. Kolomiytsev, A.L. Gromov APPLICATION OF FOCUSED ION BEAMS FOR ATOMIC FORCE MICROSCOPY PROBES MODIFICATION
Results of atomic force microscopy (AFM) probes-cantilevers modification by focused ion beams (FIB) experimental researches are presented. With use of FIB treatment are received cantilevers with tip radius than 10 nm and aspect ratio 1:50. With the help it is ionic-stimulirovannogo sedimentation by FIB are received cantilevers with a tungsten tip in length 5 microns and radius 50 nm. It is shown that application modified by FIB probes allows increasing resolution and reliability of measurements of test objects by AFM. The received results can be used at research of micro- and nanoelectronics, micro- and nanosystems structures.
Atomic force microscopy; cantilever; focused ion beam; ion beam treatment; ion-induced deposition.
Атомно-силовая микроскопия является современным методом исследования поверхности твердых тел с высоким пространственным разрешением, а также позволяет формировать наноразмерные структуры элементов наноэлектроники, а также микро- и наносистемной техники с использованием зондовой нанолитографии [1-3]. Получение изображения методом ACM происходит путем регистрации силы взаимодействия между поверхностью подложки и острием зонда. В качестве зондовых датчиков в методе ACM используются кантилеверы, параметры которых оказывают существенное влияние на пространственное разрешение и достоверность результатов измерений [1-4]. К основным параметрам кантилеверов относятся радиус закругления острия, длина и аспектное соотношение сторон острия. Для получения достоверных результатов измерений необ-, -.
стенок применяют кантилеверы, острие которых имеет достаточную длину и высокое аспектное соотношение.
Ионно-лучевое травление и ионно-стимулированное осаждение материалов из газовой фазы методом фокусированных ионных пучков позволяет структурировать поверхность образца, с нанометровым разрешением, высокой скоростью и , , , проведения дополнительных подготовительных операций [5, 6].
Целью работы является разработка методик модификации кантилеверов с использованием технологии ФИП, а также исследование влияния параметров полученных зондов на разрешающую способность и достоверность результатов сканирования поверхности тестовых структур методом ACM.
Модификации и исследование характеристик зондов производились с использованием сверхвысоковакуумного модуля фокусированных ионных пучков (СВВ ФИП) многофункционального нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (производитель - ЗАО «Нанотехнология-МДТ», г. Зеленоград) и растрового электронного микроскопа Nova NanoLab 600 (FEI Company, Нидерланды).
Экспериментальные исследования по модификации зондовых датчиков ACM ионно-лучевым травлением проводились на экспериментальных образцах, в качестве которых использовались кремниевые кантилеверы марки NSG 10 (рис. 1,а) [7]. Кантилеверы помещались в вакуумную камеру модуля СВВ ФИП нанотехно-9 , -
ло направлено вверх, в направлении источника ионов. Рабочий вакуум при проведении ионно-лучевой обработки поддерживался на уровне 2^3х10"4 Па. При формировании экспериментальных образцов АСМ-кантилеверов ионно-лучевое травление проводилось при следующих параметрах: ускоряющее напряжение ионного 30 , 0,3 , -
500 4,6 .
Для модификации кантилеверов методом ФИП была разработана методика, по которой травление острия производилось при управлении пространственным распределением интенсивности потока ионов, задаваемым комплектом графических растровых шаблонов формата *.bmp.
После модификации поверхность острия кантилеверов исследовалась мето-
( ). -(рис. 1) показывает, что на заключительном этапе процесса модификации по разработанной методике травления был получен кантилевер с радиусом закругления острия около 5 нм и аспектным соотношение 1:30 (рис. 1,6).
а б
Рис. 1. РЭМ-изображения зондового датчика: а - исходного кантипевера; б - модифицированного кантипевера
Экспериментальные исследования по модификации зондовых датчиков АСМ ионно-стимулированным осаждением проводились на экспериментальных образцах, в качестве которых использовались кантилеверы марки NSG 10 [7] с разрушенным после интенсивного использования острием (рис. 2, а). Для формирования , , -осаждением вольфрама методом ФИП был создан специальный графический шаб-, .
Вначале было проведено осаждение слоя площадью 2x2 мкм толщиной около 250 нм, на котором производилось осаждение структуры вольфрамового острия зонда высотой 5 мкм и радиусом закругления около 50 нм (рис. 2,6). Время проведения процесса осаждения составило 35 секунд.
Рис. 2. РЭМ-изображения зондового датчика: а - кантшевера с изношенным острием; б - модифицированного кантшевера
Экспериментальные исследования влияния параметров модифицированных зондовых датчиков на разрешающую способность и достоверность результатов АСМ-измерений проводились на зондовой нанолаборатории NTEGRA Vita (ЗАО -«Нанотехнология-МДТ», г. Зеленоград) путем сканирования поверхности рельефных мер периода и высоты TGZ3 и TGQ1 [7] в полуконтактном режиме АСМ. Определение характерных размеров мер периода и высоты TGZ3 и TGQ1 проводился с использованием программного пакета Image Analysis 3.5 [7].
Анализ полученных АСМ-изображений (рис. 3) показал, что геометрические параметры структур рельефной меры периода и высоты TGZ3, полученных исход, -. TGZ3 , -
торых может быть связано с вкладом угла конусности острия кантилевера (около 22й [7]) в искажение формы и латеральных геометрических размеров (рис. 3,а,в).
TGZ3
кантилевером, геометрические параметры, определенные из АСМ-изображений, хорошо коррелировали с паспортными данными [7], а на АСМ-изображении арте-
( . 3, , ).
0123456789 10 0123456789 10
цт ит
Рис. 3. АСМ-изображения и профилограммы поверхности линейной меры Т023, полущенные исходным кантилевером (а, в) и модифицированным кантилевером (б, г)
При анализе АСМ-изображений (рис. 4), полученных исходным кантилевером (рис. 4,а), установлено, что форма структур рельефной меры периода и высоты ТО01 содержит артефакты в виде ступеньки, связанные с деградацией острия зонда после нескольких циклов сканирования поверхности. При этом угол конусности острия исходного кантилевера (около 22й [7]) вносил существенный вклад в искажение формы и латеральных геометрических размеров структуры ТО01 (ширина квадратных структур решетки составила 2 мкм). При сканировании ТО01
, ( . 4, )
, -ным данным (1,5 мкм [7]), что определяется малым углом конусности модифици-.
Были разработаны методики модификации острия зондов для атомносиловой микроскопии на основе травления и осаждения фокусированным ионным пучком. Изготовлены экспериментальные образцы модифицированных кантилеве-ров. Показано, что травление методом ФИП позволяет формировать зонды с радиусом закругления острия менее 10 нм и аспектным соотношением 1:50. Использование осаждения методом ФИП позволяет восстановливать сломанные зондовые датчики для АСМ, формировать зонды с радиусом закругления острия около
50 нм, углом конусности около 1° и аспектным соотношением сторон порядка 1:30. Установлено, что при диагностике субмикронных структур применение модифицированных кантилеверов позволяет минимизировать артефакты АСМ-изображений и повысить разрешающую способность и достоверность получаемых результатов.
б
Рис. 4. АСМ-изображения поверхности рельефной меры высоты и периода TGQ1, полученные исходным кантилевером (а) и модифицированным кантилевером (б)
Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов модификации зондовых датчиков атомно-силовых микроскопов, а также для решения широкого диапазона метрологических задач в микро- и нанотехнологии.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мальцев П.П. Нано- и микросистемная техника // От исследований к разработкам. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.
2. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. - М.: Техносфера, 2006. - 160 с.
3. Агеев (ХА., Коноплев Б.Г., Смирнов В.А. и др. Фотоактивация процессов формирования
// -
ших учебных заведений. Электроника. - 2010. - № 2 (82). - С. 23-30.
4. Bhushan B. Springer Handbook of Nanotechnology // 3rd edition. - 2010. -1964 p.
5. . . : , , / . . . ,
Ю.М. Таирова. - М.: Физматлит, 2006. -552 с.
6. . ., . . - -
стемной техники // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2008. - № 12 (89). - С. 165-175.
7. Официальный сайт ЗАО «Нанотехнология - МДТ» http://www.ntmdt.ru.
Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н. А.А. Лаврентьев.
Агеев Олег Алексеевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2.
Тел.: 8863437І6ІІ.
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; заведующий кафедрой; . . ; .
Смирнов Владимир Александрович
E-mail: [email protected].
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; к.т.н.; доцент.
Коломийцев Алексей Сергеевич E-mail: [email protected].
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; acnnpanT.
Громов Александр Леонидович
E-mail: [email protected].
Кафедра технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры; магистрант.
Ageev Oleg Alexeevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
2, Shevchenko Street, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +7863437І6ІІ.
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Head the Department; Dr. of Eng. Sc., Professor.
Smirnov Vladimir Alexandrovich
E-mail: [email protected].
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Associate Professor.
Kolomiytsev Alexey Sergeevich
E-mail: [email protected].
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Postgraduate Student.
Gromov Alexandr Leonidovich
E-mail: [email protected].
The Department of Micro- and Nanoelecronics; Undergraduate.
УДК 621.382
О .А. Агеев, А.С. Коломийцев, АЛ. Громов, О.И. Ильин
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ О БМ И КРОННОГО ПРОФИЛИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК КРЕМНИЯ МЕТОДОМ ФОКУСИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ
Проведены экспериментальные исследования технологических режимов субмикрон-ного профилирования поверхности кремниевой подложки с манометровым разрешением методом фокусированных ионных пучков. Установлены зависимости геометрических параметров сформированных наноразмерных структур от ускоряющего напряжения и тока ионного пучка, а также от времени воздействия ионного пучка в точке при различном количестве проходов пучка по шаблону. Исследованы зависимости скоростей травления полупроводниковых материалов от тока ионного пучка. Определены диапазоны технологиче-
І7І
