Методика работы с NtegraSpectra

Приложение б

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по экономике

и инновациям

МГТУ им Н.Э. Баумана

Е.А. Старожук

«____»__________2013 г.

МЕТОДИКА

диагностики наноразмерных полупроводниковых А3В5 гетероструктур и наноустройств на основе атомно-силовой микроскопии

Руководитель НИР:

к.т.н., доцент

С.А. Мешков

2013

1. Введение

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) — совокупность методов, основанных на использовании механического зонда для получения увеличенных изображений поверхности. Метод позволяет проводить изучение свойств поверхности как в микрометровом масштабе, так и на уровне отдельных атомов. Наиболее широкое применение метод СЗМ находит при диагностике поверхности. В условиях сверхвысокого вакуума он позволяет визуализировать структуру поверхности с атомным разрешением, наблюдать сверхрешетки, возникающие в результате перестройки поверхностных атомов, атомные ступеньки, химические реакции на поверхности и т.п. Этим методом можно получать трехмерное изображение на воздухе, в жидкости и в вакууме с разрешением до 0,1 нм. В конструкцию СЗМ входят зонд, пьезоэлектрические двигатели для перемещения зонда, электронная цепь обратной связи и компьютер для управления процессом сканирования, получения и обработки изображений.

Одной из задач при диагностике многослойных наноразмерных полупроводниковых А3В5 гетероструктур является изучение диффузионных процессов внутри гетероструктуры, приводящих к деградации ее электрических характеристик и параметров приборов на ее основе. Эта задача может решаться, в частности, путем послойного ионного травления гетероструктуры с Оже-анализом элементного состава слоев. При этом важно знать с высокой точностью скорость травления различных слоев для получения требуемого разрешения по глубине образца. Важно знать и профиль поверхности внутри кратера травления, что также влияет на разрешение Оже-анализа по глубине.

Для определения скорости травления и профиля поверхности внутри кратера травления могут использоваться методы СЗМ.

1. Краткие теоретические сведения

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) — один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. В сканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальных зондов в форме игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1–10 нм. В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Так, работа туннельного микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом; различные типы силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового, магнитно-силового и электросилового микроскопов.

1. Общие положения: назначение и область применения

Методика предназначена для диагностики наноразмерных полупроводниковых А3В5 гетероструктур и наноустройств методом атомно-силовой микроскопии.

Цель работы – совершенствование методов диагностики при исследованиях надежности наноустройств на базе наноразмерных полупроводниковых А3В5 гетероструктур и определение конструкторско-технологических путей ее повышения.

Объекты диагностики – наноразмерные полупроводниковые А3В5 гетероструктуры и наноустройства на их основе.

1. Требования к погрешности измерений

Погрешность измерения требуемых параметров не должна превышать погрешности измерительного оборудования и метода измерения.

Диапазон сканирования в плоскости ХУ - 100х100 мкм;

Разрешение в плоскости ХУ не более - 0.15 нм;

Реально-контролируемое разрешение в плоскости ХУ – 0.24 нм.

Диапазон сканирования по оси Z – 7 мкм;

Разрешение по оси Z не более - 0.1 нм.

1. Требования к образцам наноразмерных полупроводниковых А₃В₅ гетероструктур для атомно-силовой микроскопии

Размер образца:

• Диаметр до 40 мм;

• Толщина до 15 мм;

• Вес до 100г.

Поверхностная и межслойная шероховатость – не более 2 мкм (не более 9-го квалитета).

1. Средства измерений и подготовки образцов

Перечень средств измерений представлен в таблице Б.1.

Таблица Б.1 – Средства измерений

№ п/п	Наименование СИ	Изготовитель	Назначение
1	Зондовая нанолаборатория Ntegra Spectra	NT-MDT, Россия	Измерение характеристик рельефа поверхности и т.п.

При подготовке образцов к измерениям могут применяться следующие средства:

• очищение поверхности в ультразвуковой ванне (для неорганических образцов);

• изопропиловый спирт «особой чистоты ос.ч 11-5 ОП-1»;

• баллон со сжатым воздухом.

Работать с очищенными образцами следует в перчатках, непосредственно образцы брать пинцетом.

1. Требования безопасности и охраны окружающей среды

При обработке данных исследований (если она проводится с помощью ЭВМ) необходимо соблюдать меры электробезопасности по ГОСТ 12.1.019-79, если другое не установлено в технической документации на измерительное оборудование и применяемые средства измерений.

1. Требования к квалификации операторов

К работе с испытательным оборудованием допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности и допущенные к самостоятельной работе с измерительным оборудованием. Специальных требований к квалификации операторов в процессе проведения измерений не предъявляется.

1. Условия измерений

Проведение измерений на зондовой нанолаборатории Ntegra Spectra осуществлять при следующих условиях :

• температура – (20  5) С;

• относительная влажность – от 30 до 70 %;

• атмосферное давление – (76030 мм рт. ст);

• электрическая сеть с напряжением 110/220 В (+10 % / –15 %), 50/60 Гц и заземлением;

• рабочее помещение должно быть защищено от механических вибраций и акустических шумов как внутренних, так и внешних;

• прибор должен быть защищен от воздействия прямых солнечных лучей;

• базовый блок прибора следует разместить на отдельном столе, на расстоянии не менее 1 м. от компьютера и мониторов, чтобы уменьшить влияние электромагнитных помех.

1. Подготовка к измерениям

• Визуальный контроль образцов на наличие загрязнений поверхности измеряемого образца.

• Протирка поверхности покрытий чистой тканью либо ее обдув сжатым воздухом.

Включение зондовой нанолаборатории Ntegra Spectra осуществляется в следующей последовательности:

1. Включить компьютер и монитор. Загрузить программное обеспечение (ПО) NOVA.

2. Включить прибор тумблером на передней панели СЗМ контроллера.

1. Меры предосторожности, соблюдаемые при подготовке образцов

Проведение операции очистки образцов необходимо осуществлять в хорошо проветриваемом помещении во избежание попадания паров спирта в дыхательные пути.

1. Основные принципы атомно-силовой микроскопии

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце (рисунок Б.1). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Рисунок Б.1 – Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Качественно работу АСМ (при расстояниях между зондом и образцом r > 1 нм) можно пояснить на примере сил Ван-дер-Ваальса. Наиболее часто энергию ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией — потенциалом Леннарда–Джонса:

(1)

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь — дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр r₀ — равновесное расстояние между атомами; U₀ — значение энергии в минимуме (рисунки Б.2, Б.3).

Рисунок Б.2 — Качественный вид потенциала Леннарда–Джонса

Рисунок Б.3 — К расчёту энергии взаимодействия зонда и образца

Потенциал Леннарда–Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца.

Тогда для энергии взаимодействия получаем:

(2)

где n_s(r) и n_p(r’) — плотности атомов в материале образца и зонда. Соответственно сила, действующая на зонд со стороны поверхности, может быть вычислена следующим образом:

(3)

В общем случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так и латеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие. Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако основные черты данного взаимодействия сохраняются — зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых.

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы (рисунок Б.4).

Рисунок Б.4 — Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ

Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отражённый пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприёмника. В качестве позиционно-чувствительных фотоприёмников применяются четырёхсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Основные регистрируемые оптической системой параметры — это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (F_L) взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I₀₁, I₀₂, I₀₃, I₀₄, а через I₁, I₂, I₃, I₄ — значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода ∆I_i = I_i - I_0i будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Действительно, разность токов вида:

∆I_Z = (∆I₁ + ∆I₂) - (∆I₃ + ∆I₄) (4)

пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рисунок Б.5), а комбинация разностных токов вида

∆I_L = (∆I₁ + ∆I₄) - (∆I₂ + ∆I₃) (5)

характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил.