CC BY
138
СКАНИРУЮЩАЯ ЗОНДОВАЯ МИКРОСКОПИЯ В НАНОМЕТРОЛОГИИ
Дроздов Олег Игоревич, студент (e-mail: oleg_drozdov_96@mail.ru) Юраков Никита Сергеевич, магистрант (e-mail: insert41.ru) Юракова Татьяна Геннадиевна, к.т.н., доцент (e-mail: tatjana.2006@mail.ru) Белгородский государственный технологический университет имени В.Г. Шухова, г.Белгород, Россия
В данной статье рассматривается один из методов сканирующей зон-довой микроскопии, применяемый в области нанометрологии, а именно атомно-силовая микроскопия. Изложены основные отличия и особенности из-за которых данный метод получил широкое распространение при проведении метрологического контроля наноразмерных объектов.
Ключевые слова: сканирующая зондовая микроскопия, атомно-силовая микроскопия, эталоны форм и размеров, нанометрология.
Метрологическое обеспечение является важнейшим направлением успешного развития нанотехнологий и наноиндустрии в целом. Специфика нанотехнологий привела к развитию нового направления в метрологии -нанометрологии, науки об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности в нанометровом диапазоне [1]. Основными направлениями вышеупомянутой науки считаются: создание эталонов физических величин, стандартных образцов состава, структуры и свойств; создание аттестованных и стандартизованных методик измерений физико-химических параметров и свойств, а также методики калибровки (поверки) самих средств измерений, применяемых в нанотехнологиях и тд.
Для диагностики наноматериалов применяются следующие методы: электронная микроскопия высокого разрешения (электронные просвечивающие и сканирующие высокоразрешающие микроскопы); сканирующая зондовая микроскопия; различные методы спектроскопии, наноте-стирование [2-4]. Основную роль в исследовании наномира играют методы зондовой микроскопии - СЗМ (SPM, Scanning Probe Microscopy), создание которых послужило важнейшим стимулом для развития нанотехнологий. Именно сканирующие зондовые микроскопы позволили наблюдать атом-но-молекулярную структуру поверхности в нанометровом диапазоне размеров и, что весьма важно, конструировать структуры на атомарной уровне с заранее заданными свойствами.
Основной общей чертой зондовой сканирующей микроскопии является наличие зонда и сканирующего устройства. Зонд, представляя собой иглу с радиусом при вершине 10 нм, перемещается над поверхностью образца
при помощи сканирующего механизма, изготовленного из пьезокерамиче-ского материала. Перемещение осуществляется в трёх измерениях с точностью по нормали к поверхности образца до тысячных долей нанометра, в плоскости образца - на уровне сотых долей нанометра. Общая схема СЗМ представлена на рис. 1.
3
Рисунок 1. Общая схема сканирующего зондового микроскопа. 1 - зонд; 2 - образец; 3 - пьезоэлектрические двигатели х, у, 2; 4 - генератор напряжения развертки на х, у пьезокерамики; 5 - электронный сенсор; 6 - компаратор; 7 - электронная цепь обратной связи; 8 - компьютер; 9 - изображение 2(х,у).
Сканирующая зондовая микроскопия, в свою очередь, подразделяется на такие методы как: зондовая туннельная, атомно-силовая, магнитно-силовая и тд. [5]. Для обнаружения наличия впадин или выступов на поверхности образца, применяют зондовый туннельный микроскоп, при помощи которого можно измерить величину туннельного тока, протекающего между металлической иглой-зондом и образцом, значение которого изменяется в зависимости от состояния изучаемой поверхности. Так, например, при помощи атомно-силового микроскопа измеряются силы межатомного (межмолекулярного) взаимодействия между поверхностью и диэлектрической иглой. В магнитно-силовом микроскопе зонд, сканирующий поверхность, является магнитным и позволяет чувствовать локальную магнитную структуру и т.д. Таким образом, зондовой микроскопией можно исследовать самые разнообразные материалы: проводящие, диэлектрические, полупроводниковые, биологические.
Важным достоинством данных методов микроскопии является то, что с их помощью возможно не только получение трехмерной картины объекта на атомарном уровне без разрушений и почти без искажений, исследование топографии поверхности, состава, магнитных и электрических свойств, твердости наноструктурированных объектов, но и совершение манипуляции с атомами, перемещение и комбинирование их, а зна-
чит, осуществление модификации поверхности в нанометровых областях, реализация сверхточной «сборки» и использование их в качестве вполне реальных инструментов для создания наращиванием наноструктур из отдельных атомов.
Атомно-силовые микроскопы играют важнейшую роль в области нано-технологий. Основой принцип работы АСМ заключается в зависимости энергии Ван-дер-Ваальса, взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии друг от друга. Однако, широкому использованию АСМ препятствует ряд трудностей, связанных с недостатками систем сканирования (нелинейность и неортогональность осей сканирования), кантилеверов (неизвестность формы и размеров острий) и тд. В отличии от других методов сканирующей зондовой микроскопии, АСМ позволяет исследовать атомамы как металлов, так и диэлектриков [6-9].
Зондирование поверхности образца осуществляется тонкой иглой, диаметр острия которой составляет менее 10 нм. Схема типичного зондового датчика изображена на рис.2.
Рисунок 2. Схема зондового датчика АСМ: 1 - кремниевый чип; 2 - канти-
левер;3 - игла
В процессе работы АСМ, возникающие силы межатомного взаимодействия, оказывают влияние на пространственное положение иглы с канти-левером. Данные отклонения, в свою очередь регистрируются специальным прибором (датчиком). Существует ряд приёмов измерения положения кантилевера в пространстве: оптико-позиционной схемой; интерферо-метрически; тензодатчиком. Наибольшее распространение получил отпи-ко-позиционный метод. В данном методе, пространственные отклонения кантилевера, регистрируются 4-секционным координатно-чувствительным фотодетектором (рис.3).
3
2
Фотодиод
а
о
Рисунок 3. Схематическое изображение зондового датчика (а) и схема оптической регистрации изгиба кан-тилевера (б); 1.. .4 - номера секций фотодиода
Излучение лазера, отражаясь от консоли зондового датчика, падает на чувствительную область фотодетектора, состоящую и 4-х секций полупроводниковых фотодиодов. Исследование поверхности образца осуществляется построчно. Далее, после обработки полученных данных компьютером, производится визуализация поверхности образца (рис.4). [10].
ИМ
500 100
Рисунок 4. 3Б-изображение поверхности А1203
Однако существует ряд трудностей, которые негативно сказываются на точности измерений АСМ. К таким относятся: нелинейность и неортогональность осей сканирования; неизвестность формы и размера острия иглы и т.д. Так, для решения данных проблем, были разработаны эталоны сравнения - линейные меры, с помощью которых можно добиться высокой точности наноперемещений и геометрических параметров наноразмерных
объектов [11-12]. Эталоны представляют собой рельефные шаговые структуры из кремния с заданными шириной, высотой (глубиной) и формой профиля (рис.5).
\д
Рисунок 5. Эталоны форм и размеров
Процесс производства данных эталонов форм заключается в анизотропном травлении монокристаллического кремния. Получаемый угол между плоскостями обусловлен кристаллической структурой выше упомянутого вещества и составляет 54,74°. Также существуют эталоны форм и размеров, изготовленные на основе высокоориентированного пиролитического графита.
Данные эталоны позволяют осуществить калибровку увеличения микроскопа, линейности шкал, а также диаметра зонда [13-15]. Аттестация мер производится на метрологическом комплексе научно-исследовательского центра по изучению свойств поверхности и вакуума (НИЦПВ). При помощи уже аттестованных АСМ измеряются размеры верхних и нижних оснований выступов и канавок, а также высота и глубина рельефа. Погрешность шага рельефа, ширины линий и составляет 1 нм; высоты (глубины) 1%. Так же в НИЦПВ был разработан ряд нормативных документов, осуществляющих контроль геометрических форм, линейных размеров и выбору материала для изготовления рельефных мер нанометрового диапазона из монокристаллического кремния [16-18].
Таким образом, развитие СЗМ оказывает значительное влияние не только на нанометрологию, но и на наноиндустрию в целом. Применение СЗМ позволило осуществлять контроль при создании эталонов форм, которые в свою очередь широко применяются не только при калибровки самих СЗМ, но и в других методах микроскопии, например, растровой электронной микроскопии (РЭМ) [19-20]. Стоит отметить значимость конкретного метода СЗМ, а именно АСМ, поскольку специфика данного типа приборов позволяет работать с образцами, изготовленными как из металлов, так и из неметаллов.
Список литературы
1. Бухараев А. А., Бердунов Н.В., Овчинников Д.В., Салихов К.М. ССМ-метрология микро- и наноструктур // Микроэлектроника. 1997. Т. 26, № 3. С. 163-175.
2. Тодуа П.А., Быков В.А., Волк Ч.П., Горнев Е.С., Желкобаев Ж., Зыкин Л.М., Иша-
нов А.Б., Календин ВВ., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И., Прохоров А.М., Раков А.В., Саунин С.А., Черняков В.Н. Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом и нанометровом диапазонах и их внедрение в микроэлектронику и нанотехнологию // Микросистемная техника. 2004. № 1. С. 38-44. № 2. С. 24-39. № 3. С. 25-32.
3. Арутюнов П. А., Толстихина А. Л. Сканирующая зондовая микроскопия (туннельная и силовая) в задачах метрологии наноэлектроники // Микроэлектроника. 1997. Т. 26, № 6. С. 426-439.
4. Арутюнов П. А., Толстихина А. Л. Атомно-силовая микроскопия в задачах проектирования приборов микро- и наноэлектроники. Часть 1 // Микроэлектроника. 1999. Т. 28, № 6. С. 405-414.
5. Binning G., Quate C.F., Gerber Ch. Atomic Force Microscope // Phys. Rev. Lett. 1986. Vol. 56. P. 930-933.
6. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии: Учеб. пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений / Ин-т физики микроструктур. Нижний Новгород, 2004. С. 114.
7. Nagase M., Namatsu H., Kurihara K., Iwadate K., Murase K. Metrology of atomic force microscopy for Si nano-structures // Jpn. J. Appl. Phys. 1995. Vol. 34. P. 3382-3387.
8. Канагеева Ю. М. Релаксация механических напряжений в эпитаксиальных структурах на основе PbTe (111) по данным атомно-силовой микроскопии // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер. «Физика твердого тела и электроника». 2007. Вып. 1. С. 33-38.
9. Бухараев А. А., Овчинников Д. В., Бухараева А. А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии (обзор) // Заводская лаборатория. 1996. № 5. С. 10-27.
10. Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Геометрия формирования изображения в сканирующей зондовой микроскопии. - Микроэлектроника, 2008, Т. 37, № 6, С. 448469.
11. Раков А.В., Тодуа П. А. Измерение линейности сканирования в атомно-силовом микроскопе. - Измерительная техника, 2008, № 6, С. 12-14.
12. Ляпунов А.М., Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Метрология линейных измерений наноматериалов, нанообъектов и наносистем // Интеграл. 2005. № 1(21). С. 1416.
13. Новиков Ю.А., Пешехонов С.В. Погрешности эллипсометрического метода определения оптических характеристик кремния и пленки его окисла // Проблемы линейных измерений микрообъектов в нанометровом и субмикронном диапазоне. М.: Наука, 1995. С.107-118.
14. Быков В.А., Лемешко С.В., Новиков Ю.А., Раков А.В. Исследование субмикронных канавок с помощью атомно-силовых микроскопов // XII Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Черноголовка: Богородский печатник, 2001. Тезисы докладов. С. 173.
15. Новиков Ю.А., Раков А.В., Тодуа П.А. Прямое измерение ширины линии на атомно-силовом микроскопе. - Измерительная техника, 2008, № 5, С. 10-12.
16. ГОСТ Р 8.628-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления».
17. ГОСТ Р 8.629-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки».
18. ГОСТ Р 8.630-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измерительные. Методика по-
верки».
19. Волк Ч.П., Горнев ЕС., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И., Прохоров А.М., Раков А.В. Линейная мера микронного, субмикронного и нанометрового диапазонов для измерений размеров элементов СБИС на растровых электронных и атомно-силовых микроскопах // Микроэлектроника. 2002. Т.31, № 4. C.243-262.
20. Волк Ч.П., Горнев Е.С., Календин В.В., Ларионов Ю.В., Морозов В.А., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Раков А.В., Черняков В.Н. Универсальная линейная мера для растровой электронной и атомно-силовой микроскопии // Электрон. промышленность. 2000. No 3. С. 60-64.
Drozdov Oleg Igorevich, student Yurakov Nikita Sergeyevich, master student
Yurakova Tatiana Gennadievna, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Belgorod State Technological University behalf of V.G. Shukhov, Belgorod, Russia SCANNING PROBE MICROSCOPY IN NANOMETROLOGY
This article discusses one of the methods of scanning probe microscopy used in the field of nanometrology, namely atomic force microscopy. The main differences and peculiarities due to which this method is widely used during the metrological control of nanoscale objects are stated.
Keywords: scanning probe microscopy, atomic force microscopy, standards of shapes and sizes, nanometrology.
