Нанометрология (1027621), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Для разрешениятонких деталей изображения требуются максимально острые иглы. Видеале это атомно-острая игла с одним атомом на кончике. Изготовлениетаких игл и поддержание их в рабочем состоянии требуют большого экспериментального мастерства. Для предотвращения адгезионного взаимодействия иглы должны изготавливаться из максимально тугоплавковогоматериала, что сопряжено с большими трудностями.В НИЦПВ проведено исследование взаимодействия кантилевера снаноструктурами [22, 23].
Рассмотрено взаимодействие острия кантилеве90ра с элементом рельефа в виде выступа поверхности твердого тела, профиль которого имеет форму трапеции с равными боковыми сторонами.Высота рельефа Н, угол наклона боковых сторон относительно нормали кповерхности ϕ , размеры верхнего u P и нижнего bP оснований (рис. 2.33)заданы. Сечение острия кантилевера будем характеризовать частью окружности с радиусом R и углом наклона α боковых образующих острияотносительно оси симметрии.
При этом кантилевер может быть наклоненна угол β относительно нормали к плоскости основания элемента. Предполагается, что ортогональность сканера по оси Z идеальна.В случае H > R регистрируемая кривая сигнала отклика показана нарис. 2.33 линией, проходящей через центр окружности острия кантилевера.Кривая сигнала отклика по форме близка к трапеции с боковыми сторонами, имеющими разные углы наклона.
Приведенные длины U P и BP отрезков, характеризующих верхнее и нижнее основания элемента рельефа, будут больше их размеров u P и bP на значения Δ u и Δ b , определяемые выражениями:⎛ 1 − sin ψ 1 − sin ϕΔ u = U P − u P = R ⎜⎜+cos ϕ⎝ cos ψ⎛ 1 − sin ψ 1 − sin ϕΔ b = B P − bP = R ⎜⎜+cos ϕ⎝ cos ψ⎞⎟,⎟⎠⎞⎟ + H (tg ψ − tg ϕ ) .⎟⎠(2.1)(2.2)Здесь угол ψ является углом наклона боковых склонов сигнала относительно нормали к оси развертки. Он определяется выражениемψ =α + β , α + β >ϕ,ϕ,α + β ≤ϕ(2.3)и может быть разным для разных склонов. Необходимо отметить, что ввыражениях (2.1 – 2.3) учитываются разные знаки углов ϕ и ψ наклоновлевых и правых сторон выступа и сигнала.Формулы (2.1) и (2.2) являются поправками, которые необходимоучитывать при измерении размеров верхнего и нижнего оснований выступа по регистрируемому на ССМ сигналу отклика.
Если ψ = ϕ , тоΔ u = Δ b = U P − u P = B P − bP = 2 R1 − sin ϕcos(ϕ ).Описанная геометрическая модель взаимодействия острия кантилевера с элементом рельефа относится к случаю измерения параметров профиля отдельного выступа на поверхности твердого тела. Теперь рассмот91рим геометрическую модель взаимодействия острия кантилевера с отдельной впадиной на поверхности твердого тела. Для упрощения анализа примем, что впадина имеет прямоугольный профиль с известной глубиной Н ишириной h рельефа.В случае большой глубины (H > R) существуют ограничения, припревышении которых острие не сможет достичь дна элемента рельефа.Простые геометрические расчеты позволяют записать неравенство, привыполнении которого возможно касание плоскости дна канавки:h > hα = Htg (α + β ) + 2 R .Современные кантилеверы имеют параметры: α = 10 ...
25 °, β = 0 ... 20 ° иR = 10 ... 50 нм . Тогда с таким кантилевером hα будет равна при разных глубинах Н значениям, приведенным в табл. 2.1. Из этой таблицы следует, чтодля окон в металлических или диэлектрических пленках с толщиной Нможно измерять их профиль при ширине окна более указанного значения.Таблица 2.1Критическая ширина hα прямоугольных канавок глубинойH >Rдля разных глубин и параметров кантилеверовШирина hα , нм, при α °Н, нм100200300500R = 10 нм7513019030510R = 30 нм115170230345R = 50 нм20030040060025К = 100 нм400500700В случае мелкого рельефа, когда глубина Н канавки меньше радиусаR сферы острия кантилевера, при выполнении неравенстваh > h0 = 2 H (2 R − H )можно измерить параметры профиля такого мелкого элемента рельефа поверхности твердого тела: H/R =1/2: 1/4: 1/6: 1/8 при h0 /R = 1,74: 1,32;1,10: 0,96, соответственно.Силы, возникающие между кантилевером и поверхностью, при разных расстояниях между ними довольно разнообразны:• при контакте поверхности образца с кантилевером преобладает силаупругого отталкивания, приближенно соответствующая задаче Герца;92• на расстояниях кантилевер – образец порядка нескольких десятковангстрем главным является межмолекулярное взаимодействие, называемоесилой Ван-дер-Ваальса;• при тех же расстояниях в присутствии жидких пленок большоевлияние могут оказывать капиллярные силы и адгезия.
Радиус действиякапиллярных сил определяется толщиной жидкой пленки;• при удалении кантилевера от поверхности преобладающим становится электростатическое взаимодействие;• на зазорах порядка тысячи ангстрем преобладают магнитные силы.Потенциалы сил F, действующих на различных расстояниях h между образцом икантилевером, можно получитьв виде кривой (рис. 2.34), характеризующей режимы работы атомно-силового микроскопа.
При этом в зависимости отрасстояния зонд-образец присканировании различают трирежимаработыатомносилового микроскопа: контактный, бесконтактный и«полуконтактный» (промежуРис. 2.34. Силы взаимодействия (FГ и FВ)точный между контактным изонда с образцомбесконтактным).В контактном режиме острие зонда непосредственно соприкасается споверхностью образца в процессе сканирования. В бесконтактном – зонднаходится достаточно далеко и не касается поверхности. «Полуконтактный» режим подразумевает частичный контакт. Последние два режима работы АСМ необходимы для реализации модуляционных (или колебательных) методик.Каждый режим предназначается для решения определенного рядазадач.Например, существуют три метода измерения рельефа с помощьюАСМ:контактная атомно-силовая микроскопия – измерение топографии поверхности в контактном режиме с силами Герца (Fr);93бесконтактная атомно-силовая микроскопия – измерение топографии поверхности в бесконтактном режиме с силами Ван-дер-Ваальса(FВ);«полуконтактная» атомно-силовая микроскопия (или прерывисто-контактная атомно-силовая микроскопия) – в данном случае используется вибрационный режим, при котором колеблющееся острие слегка стучит по поверхности образца.
Этот режим называют еще «режимом обстукивания».В контактных методиках острие зонда находится в непосредственном соприкосновении с поверхностью, при этом силы притяжения и отталкивания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой упругости консоли. При работе АСМ в таких режимах используются кантилеверы с относительно малыми коэффициентами жесткости, что позволяетобеспечить высокую чувствительность и избежать нежелательного чрезмерного воздействия зонда на образец.В этом режиме АСМ изображение рельефа исследуемой поверхностиформируется либо при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью (сила притяжения или отталкивания), либо при постоянном среднемрасстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью образца.При сканировании образца в режиме FZ = const система обратной связиподдерживает постоянной величину изгиба кантилевера, а, следовательно,и силу взаимодействия зонда собразцом (рис.
2.35). При этомуправляющее напряжение впетле обратной связи, подающееся на Z-электрод сканера,будет пропорционально рельефу поверхности образца.При исследовании обРис. 2.35. Работа АСМ при постоянной силеразцов с малыми (порядкавзаимодействия зонда с образцомединиц ангстрем) перепадамивысот рельефа часто применяется режим сканирования при постоянномсреднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью(Z = const) . В этом случае зондовый датчик движется на некоторой среднейвысоте Z ср над образцом (рис.
2.36). При этом в каждой точке регистрируется изгиб консолиΔZ ,пропорциональный силе, действующей на зонд со94стороны поверхности. АСМ изображение в этом случае характеризуетпространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.Для контактного режима АСМ отталкивающая межатомная силадолжна быть уравновешена другими усилиями. Это происходит за счетдвух сил – капиллярной и консольной.Капиллярная сила – это воздействие на острие сканирующей иглысо стороны тонкого слоя влаги и загрязнений, обычно присутствующих наповерхностях, находящихся вобычной среде. Капиллярная сила возникает, когда адсорбированная на поверхности влагаприподнимается вокруг острия.Оказываемое на острие сильноепритягивающеевоздействие-8(около 10 Н) удерживает его в Рис.
2.36. Работа АСМ при постоянномконтакте с поверхностью. Вели- расстоянии между зондом и образцомчина капиллярной силы зависитот расстояния между острием и образцом. Ввиду того, что острие находится в контакте с образцом, капиллярная сила должна быть постоянной поскольку расстояние между острием и образцом фактически не изменяется.Другое условие, позволяющее считать капиллярную силу постоянной, этопредположение о достаточной однородности слоя влаги. Воздействие состороны самой измерительной консоли подобно усилию в сжатой пружине.Величина и знак (отталкивающая или притягивающая) «консольной» силы зависит от отклонения консоли и ее константы упругости.
Сила, прилагаемая измерительной консолью контактного АСМ, в отличие откапиллярной, является переменной.Общее усилие, прикладываемое со стороны острия сканирующей иглы к образцу это сумма капиллярной и консольной сил. Величина суммарной силы варьируется от 10-8 Н (когда измерительная консоль отводится отобразца почти с таким же усилием, как вода притягивает острие к его поверхности) до более типичного рабочего диапазона в пределах 10-7…10-6 Н.В бесконтактном режиме, также известном как режим притяжения,АСМ отслеживает притягивающие Ван-дер-Ваальсовы силы между острием сканирующей иглы и образцом. Зазор между острием и образцом обыч95но составляет 5 – 10 нм.
На таком расстоянии электронные орбитали атомов острия сканирующей иглы начинают синхронизироваться с электронными орбиталями атомов образца. В результате возникает слабое притяжение, потому что в любой момент времени атомы острия и образца поляризованы в одном и том же направлении. В свободном пространстве этиатомы будут сближаться до тех пор, пока сильное электростатическое отталкивание, описанное выше, не станет преобладающим. Чаще всего бесконтактные АСМ конструируются для работы в динамическом режиме.Из рис. 2.34 видно, что в области бесконтактной работы АСМ наклонкривой Ван-дер-Ваальсовых сил более пологий, чем в контактной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
