Физические основы микро- и нанотехнологии

сти (вся конструкция называется кантилевером), и регистрации отклонения кронштейна под действием межатомных или межмолекулярных сил. Передвижение острия осуществляется трехкоординатным пьезомикроманипулятором. Приближение поверхности образца к игле вызывает отклонение кронштейна от положения равновесия, и это отклонение преобразуется в электрический сигнал. Исследовательский зонд изготавливается из алмаза, монокристалла А12O3 и закрепляется на серебряном кронштейне толщиной около 50 мкм, шириной 200 мкм и длиной 1–3 мм (пример реальной структуры).

Кантилеверы разделяются по длине балки на жесткие и мягкие, что характеризуется резонансной частотой колебаний кантилевера. Сам процесс сканирования микрозондом поверхности может происходить как в атмосфере или заранее заданном газе определенного состава, так и в вакууме, и даже сквозь жидкостную пленку. АСМ измеряет как отклонение зонда по нормали к поверхности, так и латеральное отклонение, причем одновременно. Туннельный датчик, регистрирующий отклонение кронштейна, имеет чувствительность 0,01 нм. Кронштейн с острием, туннельный датчик перемещений и пьезокерамический держатель, используемый для установки начального зазора в туннельном датчике и удержания зазора в процессе измерений, размещены на кварцевом столике.

Для детектирования отклонения чаще всего используется не СТМ, а полупроводниковый лазер. Луч лазера направляется на обратную по отношении к поверхности сторону кантилевера (причем на самый кончик), которая покрыта специальным зеркальным слоем для наилучшего отражения, и отраженный луч попадает на специальный фотодиод, который за счет изменения разностного сигнала будет показывать амплитуду смещения кантилевера вту или иную сторону.

Метод атомно-силовой микроскопии (АСМ) позволяет исследовать не только проводящие структуры, но и поверхности диэлектриков с атомным разрешением в диапазоне сил 10–5…10–12 Н. При изучении топографии поверхности используется один из двух режимов взаимодействия острия и поверхности: в области притяжения при расстоянии

301

между острием и поверхностью d << 0,4 нм и в области отталкивания при расстоянии d < (0,2...0,3) нм. Метод АСМ может применяться и для изучения силовых характеристик поверхности путем регистрации зависимости силы взаимодействия острия и поверхности. При исследовании легко разрушаемых объектов, например биологических, пространство между иглой и поверхностью заполняют специальной жидкостью, что позволяет на порядок уменьшить силы взаимодействия и получить изображение. Метод АСМ позволяет получать очень высокую чувствительность и измерять силы порядка 10–11 Н, располагая острие на расстоянии от 50 до 200 Å от поверхности и обеспечивая неразрушающий режим контроля.

Если в качестве зонда использовать намагниченную проволоку из железа, никеля или зерно ферромагнитного материала, то возникает возможность регистрации микрополей ферримагнитной среды и получения изображения доменной структуры. При размере доменов порядка 2000 Å можно добиться разрешения порядка 200 Å.

Максимальный размер области сканирования АСМ находится

впределах 1,5 × 1,5 мкм и обычно составляет 500 × 500 Å; минимальное время фиксированного измерения в одной точке поверхности – 0,3 мс. Метод АСМ позволяет обрабатывать образцы

ватмосфере, однако главным его недостатком является отсутствие одновременной информации о всей поверхности (в каждый момент времени мы имеем информацию только от участка, непосредственно сканируемого зондом). Это не позволяет использовать методику in situ. Метод АСМ позволяет получать информацию о поверхностном заряде, поверхностной емкости, поверхностной проводимости, магнитных свойствах, позволяет измерять эти параметры даже для пленки соответствующей жидкости или через нее.

5.6. Микроскопия ближнего поля

Еще совсем недавно считалось, что предел возможностям оптики ставит фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических приборов. Он заключается в том, что минимальный размер раз-

302

личимого объекта немного меньше длины волны используемого света и принципиально ограничен дифракцией излучения. Однако в последнее время появилась вызывающая все больший интерес возможность изучения и формирования оптическими методами различных структур нанометровых размеров, которые во много раз меньше длины световой волны X . Такая возможность возникла в связи с развитием ближнепольной оптики (БПО) – нового и чрезвычайно перспективного направления физической и прикладной оптики.

С физической точки зрения БПО основана на присутствии в дальней зоне излучения вполне идентифицируемых следов взаимодействия света с микрообъектом, находящимся в ближнем световом

и сканирующей зондовой микроскопии. Отличительным элементом ближнепольных приборов является оптический зонд, обычно представляющий собой заостренное оптическое волокно, наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла.

5.7. Физические основы эллипсометрии

Одним из наиболее прецизионных методов определения толщины пленок, прозрачных для оптического излучения, является эллипсометрия, впервые предложенная и реализованная П. Друдэ 1887 г. Исследования П. Друдэ отражения света от поверхности с тонкой и геометрически плоской пленкой стали классическим образцом эллипсометрии. Поскольку столь прецизионные исследования и измерения толщин пленок не были востребованы, интерес к эллипсометрии долгое время не проявлялся. Однако в последнее время он существенно повысился со стороны специалистов, работающих в области физики поверхностных явлений, физики тонких пленок, пленочных полупроводниковых схем, физики полупроводников, диэлектрических, полупроводниковых и металлических покрытий, электрохимии и коррозии металлов, адгезии и адсорбции полимеров.

303

Это обусловлено тем, что в указанных областях эллипсометрия обладает существенными (а иногда и уникальными) преимуществами перед другими методами, поскольку для исследования свойств тонких пленок и граничных слоев этот поляризационно-оптический метод не требует специальной подготовки поверхности (не вносит артефактов), позволяет вести наблюдения за поверхностями при различных физических условиях (температуры, давления), в частности при контакте их с жидкостями.

Особый практический интерес представляет возможность изучения кинетики быстропротекающих процессов на границах раздела (кинетика образования поверхностных покрытий, роста пленок, кинетика кристаллизации и т.д.). Для этой цели разрабатываются автоматические эллипсометры с использованием электро- и магнитооптических элементов.

Термин «эллипсометрия» предложил в 1944 г. А. Ротен, поскольку речь идет об изучении эллиптической поляризации. Обычно под эллипсометрией подразумевают изучение изменений поляризации света вследствие отражения. В тех случаях, когда это возможно, эллипсометрия в проходящем свете удачно дополняет эллипсометрию в отраженном свете и даже может служить основным методом исследования в случаях, когда измерения отраженного акта затруднительны (например, при слабом отражении от диэлектриков).

Классическая эллипсометрия занимается измерением оптических постоянных и толщины поверхностных пленок с резкими границами раздела между фазами. Однако реальные поверхности характеризуются переходными слоями с плавным изменением исследуемых локальных свойств и трудности математического описания механизма отражения света от такой границы в большинстве случаев вынуждают принять более простую модель переходного слоя, характеризуемую с помощью некоторых эффективных параметров. Это выводит за рамки исследования такие параметры реальной поверхности, как шероховатость, неоднородность, анизотропия и т.д.

304

Контрольные вопросы к главе 5

1.В просвечивающем электронном микроскопе используется однородный моноэнергетический или мультиэнергетический пучок электронов?

2.Каково соотношение между толщиной образца и величиной разрешающей способности впросвечивающем электронном микроскопе?

3.Какие физические явления, возникающие при взаимодействии электронного зонда с твердым телом, могут быть использованы для получения информации о состоянии объекта?

4.Чем является изображение в РЭМ?

5.В чем физическая сущность метода оже-спектроскопии?

6.В чем сущность метода рентгеноспектрального микроанализа?

7.Вчемфизическаясущностьметодарентгеноструктурногоанализа?

8.В чем физическая сущность методов ионного микроанализа

иионной масс-спектрометрии?

9. Какие факторы оказывают влияние на точность анализа

ичувствительность метода ВИМС?

10.Каков принцип действия автоионного микроскопа?

11.Каковпринципдействиясканирующеготуннельногомикроскопа?

12.Какое физическое явление используется в сканирующем туннельном микроскопе?

13.Какой физический эффект используется при перемещении иглы сканирующего туннельного микроскопа?

14.Как зависит туннельный ток в СТМ от расстояния между зондом и образцом?

15.Каков принцип действия атомно-силового микроскопа?

16.Вчемфизическаясущностьметодаближнепольноймикроскопии?

17.В чем физическая сущность метода эллипсометрии?

305

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурированные материалы. – М.: Академия, 2005.

2.Введение в квантовые компьютеры / Г.П. Берман [и др.], РХД,

2004.

3.Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. – М.: Физматлит, 2005.

4.Гуртов В.А. Твердотельная электроника: учеб. пособие. – М.,

2005.

5.Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. – СПб.: Питер, 2002.

6.Коваленко А.А. Петропавловский М.Д. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Академия, 2006.

7.Лайнс М., Гласс А. Сегнетоэлектрики и родственные им мате-

риалы. – М.: Мир, 1981.

8.Лякишев Н.Н., Алымов М.И., Добаткин С.В. Наноматериалы конструкционного назначения // Конверсии в машиностроении. – 2002. – № 6.

9.Малла С. Вэйвлеты в обработке сигналов: пер. с англ. – М.:

Мир, 2005.

10.Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. –

М.: Мир, 2004.

11.Нанотехнологии в полупроводниковой электронике / под ред. А.Л. Асеева / СО РАН. – Новосибирск, 2004.

12.Нанотехнологии в электронике / под ред. Ю.А. Чаплыгина. – М.: Техносфера, 2005.

13.Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. – СПб.: Питер, 2004.

14.ПулЧ., ОуэнсФ. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2005.

15.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001.

306

307

308

309

310