СЗМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 10

Общий вид зондового датчика скантилевером в виде балки прямоугольного сечения представлен на рис. 68.Рис. 68. Общий вид зондового АСМ датчика с одиночной консолью прямоугольного сечения69На рис. 69. показаны электронно-микроскопические изображения выпускаемыхсерийно зондовых датчиков NSG11 с консолью прямоугольного сечения(компания "НТ-МДТ").Рис. 69. Электронно-микроскопическое изображение АСМ зонда,расположенного на прямоугольной консоли [12]Иногда зондовые датчики АСМ имеют несколько кантилеверов различнойдлины (а значит, и различной жесткости) на одном основании. В этом случае выборрабочей консоли осуществляется соответствующей юстировкой оптической системыатомно-силового микроскопа.Зондовые датчики с треугольным кантилевером имеют при тех же размерахбольшую жесткость и, следовательно, более высокие резонансные частоты.

Чаще всегоони применяются в колебательных АСМ методиках. Общий вид и габариты зондовыхдатчиков с треугольной консолью представлены на рис. 70 и 71.70Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииРис. 70. Общий вид зондового датчика с треугольным кантилеверомРис. 71. Электронно-микроскопическое изображение АСМ зонда,расположенного на треугольном кантилевере [12]Изготовление зондовых датчиков для АСМ представляет собой достаточносложный технологический процесс, включающий в себя операции фотолитографии,ионной имплантации, химического и плазменного травления. Основные этапы одной извозможных технологий изготовления зондовых датчиков представлены на рис.

72.71Технология изготовления зондовых датчиков АСМSi (110)18Фоторезист2В93Si3N445106711Рис. 72. Основные этапы процесса изготовления зондовых датчиков72Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопииДля изготовления зондовых датчиков используются пластины кристаллическогокремния ориентации (110).

На поверхность пластины осаждается тонкий слойфоторезиста (рис. 72, этап 2). Затем фоторезист экспонируется через фотошаблон, ичасть фоторезиста удаляется посредством химического травления. Далее проводитсяимплантация ионов бора, так что ионы проникают на глубину порядка 10 мкм в областькремния, не защищенную фоторезистом (этап 3).

После этого фоторезист смывается вспециальном травителе, и затем проводится термический отжиг пластины, в результатекоторого атомы бора встраиваются в кристаллическую решетку кремния. Кремний,легированный бором, образует так называемый стоп-слой, который останавливаетпроцесс травления для некоторых селективных травителей. Затем на обратной сторонепластины вновь проводится фотолитография, в результате которой формируется слойфоторезиста точно над областью, имплантированной бором. После этого пластинапокрывается тонким слоем Si3N4 (этап 4).

Затем проводится селективное травлениефоторезиста, причем в процессе растворения фоторезист набухает и срываетрасположенную непосредственно над ним тонкую пленку Si3N4 (этап 5). Пластинакремния протравливается насквозь до стоп–слоя с помощью селективного травителя,который взаимодействует с кремнием и не взаимодействует с легированным кремниеми слоем Si3N4, (этап 6). После этого Si3N4 смывается, и на обратной стороне пластины влегированной области методом фотолитографии формируются островки изфоторезиста (этап 7,8).

Затем проводится травление кремния, в результате которогополучаются столбики кремния под островками фоторезиста (этап 9). Далее с помощьюплазменного травления из столбиков кремния формируются иглы (этап 10,11). Дляулучшения отражательных свойств кантилеверы с обратной стороны (по отношению кострию) покрываются тонким слоем металла (Al, Au) методом вакуумного осаждения.В результате данных технологических операций изготавливается целый наборзондовых датчиков на одной кремниевой пластине. Для проведения электрическихизмерений на зонд наносятся проводящие покрытия из различных материалов (Au, Pt,Cr, W, Mo, Ti, W2C и др.).

В магнитных АСМ датчиках зонды покрываются тонкимислоями ферромагнитных материалов, таких как Co, Fe, CoCr, FeCr, CoPt и др.Контактная атомно-силовая микроскопияУсловно методы получения информации о рельефе и свойствах поверхности спомощью АСМ можно разбить на две большие группы – контактные квазистатическиеи бесконтактные колебательные. В контактных квазистатических методиках остриёзонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силыпритяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваютсясилой упругости консоли. При работе АСМ в таких режимах используютсякантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, что позволяетобеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерноговоздействия зонда на образец.73В квазистатическом режиме АСМ изображение рельефа исследуемой поверхностиформируется либо при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью (силапритяжения или отталкивания), либо при постоянном среднем расстоянии междуоснованием зондового датчика и поверхностью образца.

При сканировании образца врежиме Fz = const система обратной связи поддерживает постоянной величину изгибакантилевера, а следовательно, и силу взаимодействия зонда с образцом (рис. 73.). Приэтом управляющее напряжение в петле обратной связи, подающееся на Z-электродсканера, будет пропорционально рельефу поверхности образца.При исследовании образцов с малыми (порядка единиц ангстрем) перепадамивысот рельефа часто применяется режим сканирования при постоянном среднемрасстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью (Z = const). В этомслучае зондовый датчик движется на некоторой средней высоте Zср над образцом(рис.

74), при этом в каждой точке регистрируется изгиб консоли ∆Z,пропорциональный силе, действующей на зонд со стороны поверхности. АСМизображение в этом случае характеризует пространственное распределение силывзаимодействия зонда с поверхностью.Fz = constZZXСканированиеРис. 73. Формирование АСМ изображения при постоянной силе взаимодействия зонда с образцом∆Z, Fz∆Zср = constXСканированиеРис. 74. Формирование АСМ изображенияпри постоянном расстоянии между зондовым датчиком и образцом.74Глава 2.

Методы сканирующей зондовой микроскопииНедостаток контактных АСМ методик - непосредственное механическоевзаимодействие зонда с поверхностью. Это часто приводит к поломке зондов иразрушению поверхности образцов в процессе сканирования. Кроме того, контактныеметодики практически не пригодны для исследования образцов, обладающих малоймеханической жесткостью, таких как структуры на основе органических материалов ибиологические объекты.Зависимость силы от расстояния между зондовым датчиком и образцомС помощью атомно-силового микроскопа можно изучать особенностилокального силового взаимодействия зонда с поверхностью и на основании результатовданных исследований судить о свойствах поверхности различных образцов.

С этойцелью снимаются так называемые кривые подвода зонда к поверхности и кривыеотвода. Фактически это зависимости величины изгиба кантилевера ∆Z(а следовательно, и силы взаимодействия зонда с поверхностью) от координаты z присближении зондового датчика и образца. Аналогичные измерения проводятся приудалении зонда от поверхности. Характерный вид зависимости ∆Z = f ( z ) изображенна рис. 75.Z∆Z, FZ(а)(б)Рис.

75. Схематическое изображение зависимости изгиба кантилевера(силы взаимодействия зонда с поверхностью) от расстояния z между зондовым датчиком иповерхностью образца. Прямой и обратный ход показаны разным цветомПри приближении к поверхности образца зонд попадает в область действия силпритяжения. Это вызывает изгиб кантилевера в направлении к поверхности (рис. 75,вставка (а)).

В этой области может наблюдаться явление скачка зонда к поверхности,обусловленное наличием большого градиента сил притяжения вблизи поверхности75образца. Для потенциала типа Леннарда-Джонса область больших градиентов силыпритяжения составляет Z* ~ 1 нм. На рис. 76 схематически показаны зависимости силыЛеннарда-Джонса и ее производной от расстояния между зондом и поверхностью.F΄zFZ*Z*zz(a)roro(б)Рис.

76. Схематическое изображение зависимости силы (а)и ее производной (б) по координате z от расстояния зонд-поверхностьДля наблюдения эффекта скачка зонда к поверхности необходимо, чтобыжесткость выбранного кантилевера была меньше, чем максимум производной силы покоординате z.

Поясним данный эффект на примере модели малых колебаний консоли.Действительно, уравнение движения упругого кантилевера вблизи поверхностивыглядит следующим образом:m&z&1 = −kz1 + F ( d + z1 ) ,где z1 – смещение кантилевера из состояния равновесия, k - жесткостькантилевера, m - его масса, F - сила взаимодействия зонда с поверхностью, d –расстояние между положением равновесия кантилевера и поверхностью. Линеаризуяданное уравнение, получаем:F = F ( d ) + Fz' ( d ) ⋅ z1m&z&1 + ( k − Fz' ( d ))z1 = F ( d ) .При переходе к новым переменным, z 2 = z1 −F( d ), уравнение движенияk − Fz' ( d )приобретает следующий вид:&z&2 + ω 02 z 2 = 0 ,ω 02 =k − Fz' ( d ).mЭто уравнение осциллятора с частотой, зависящей от расстояния d междукантилевером и образцом.

Если на каком-то расстоянии градиент силы превосходит по76Глава 2. Методы сканирующей зондовой микроскопиивеличинежесткостькантилевера,тоω 02 < 0 . Это условие соответствуетнеустойчивому маятнику (маятник в верхнем положении). Любые небольшиевозмущения приводят к потере устойчивости, и кантилевер движется к поверхности.При дальнейшем сближении зондового датчика и образца зонд начинаетиспытывать отталкивание со стороны поверхности, и кантилевер изгибается в другуюсторону (рис. 75, вставка (б)).