Лабораторная работа №1

Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Лабораторная работа №1
Исследование топографии и структуры поверхности
тонких пленок алюминия в технологии формирования слоя
пористого анодного окисла Al2O3 для создания матрицы
тонкопленочных наноструктурированных автоэлектронных
микротриодов – активных элементов для систем генерации,
передачи и обработки информации в нано- и
микроэлектросистемной технике
Выполнили:
Евгений Белоус
Владимир Жуйков
Группа: ИУ4-113
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Цель работы
Изучение теоретических основ сканирующей зондовой
микроскопии (СЗМ). Освоение работы атомно-силового
микроскопа на базе комплекса «Нанофаб-100». Получение
топографии поверхности исследуемого образца в режиме
атомно-силовой микроскопии.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Классификация СЗМ
•
•
•
•
•
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)
Атомно-силовой микроскоп (АСМ)
Магнитно-силовой микроскоп (МСМ)
Электросиловой микроскоп (ЭСМ)
Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп
(СБОМ)
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Основные принципы АСМ
• 1986 год Герд Биннинг, Кэлвин Куэйт,
Кристофер Гербер
• Основа работы: Силовое взаимодействие
между зондом и поверхностью
• Силы Ван-дер-Ваальса
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Основные принципы АСМ
Силы Ван-дер-Ваальса
степенная функция – потенциал Леннарда-Джонса:
6
1 2

 r0  
  r0 

U L D( r )  U 0  2     

r  
  r 

6
12
r 
 2 0  - дальнодействующее притяжение  r0  - отталкивание атомов на малых r
r
r
r0 – равновесное расстояние между атомами, U0 – значение энергии в
минимуме.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Основные принципы АСМ
Взаимодействие между атомами зонда и образца:
1) взаимодействия Ван-дер-Ваальса:
а)-Дисперсионные (лондоновские) взаимодействия - это
взаимодействия между двумя наведенными диполями.
б)-Ориентационные взаимодействия - обусловлены
электростатическими
взаимодействиями
между
постоянными диполями.
в)-индукционные взаимодействия - имеют
электростатическую природу
2)химического взаимодействия;
3)межядерное взаимодействие (сильное взаимодействие).
а)
б)
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Основные принципы АСМ
Зондовые датчики атомно-силовых микроскопов
Зондирование поверхности в атомно-силовом микроскопе
производится с помощью специальных зондовых датчиков,
представляющих собой упругую консоль – кантилевер (cantilever)
с острым зондом на конце
Датчики
изготавливаются
методами
фотолитографии и травления из кремниевых
пластин. Упругие консоли формируются, в
основном, из тонких слоёв легированного
кремния, SiO2 или Si3N4.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Основные принципы АСМ
Зондовые датчики атомно-силовых микроскопов
• радиус закругления современных АСМ зондов составляет 1- 50 нм;
• угол при вершине зонда – 10-20˚;
• сила взаимодействия зонда с поверхностью: F=k·∆Z, где k – жёсткость
кантилевера; ∆Z – величина, характеризующая его изгиб;
• Коэффициенты жёсткости кантилеверов k : 10^-3 – 10 Н/м
• Собственные частоты изгибных колебаний консоли
прямоугольного сечения определяются следующей
формулой:
где l – длина консоли; E – модуль Юнга; J – момент инерции
сечения консоли; ρ – плотность материала; S – площадь
поперечного сечения; λi – численный коэффициент (в
диапазоне 10 – 100), зависящий от моды изгибных колебаний.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Режимы
атомно-силовой
микроскопии:
1.Динамический (полуконтактный)
2.Статический (контактный)
Динамический
режим АСМ
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
При сканировании образца регистрируется
изменение амплитуды и фазы колебаний
кантилевера. Взаимодействие кантилевера с
поверхностью в «полуконтактном» режиме
состоит из ван-дер-ваальсовского
взаимодействия, к которому в момент касания
добавляется упругая сила, действующая на
кантилевер со стороны поверхности.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Фазовый сдвиг колебаний
кантилевера в «полуконтактном»
режиме определяется энергией
диссипативного взаимодействия
зонда с поверхностью образца.
С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте w
(близкой к резонансной частоте кантилевера) с амплитудой AW. При сканировании
система обратной связи АСМ поддерживает постоянную AW амплитуду колебаний
кантилевера на уровнеA0 , задаваемом оператором (A0<AW). Напряжение в петле
обратной связи (на z-электроде сканера) записывается в память компьютера в
качестве АСМ изображения рельефа поверхности. Одновременно при сканировании
образца в каждой точке регистрируется изменение фазы колебаний кантилевера,
которое записывается в виде распределения фазового контакта.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Метод отображения фазы
Когда в процессе колебаний кончик зонда касается поверхности
образца он испытывает не только отталкивающие, но и адгезионные,
капиллярные и ряд других сил. В результате взаимодействия зонда с
поверхностью образца происходит сдвиг не только частоты, но и фазы
колебаний. Если поверхность образца является неоднородной по своим
свойствам, соответствующим будет и фазовый сдвиг. Распределение
фазового сдвига по поверхности будет отражать распределение
характеристик материала образца.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Траектория движения зонда при
сканировании
Одним из недостатков, присущих всем методам сканирующей
зондовой
микроскопии, является конечный размер рабочей части используемых
зондов. Это приводит к существенному ухудшению пространственного
разрешения микроскопов и значительным искажениям в СЗМ
изображениях при сканировании поверхностей с неровностями
рельефа, сравнимыми с характерными размерами рабочей части
зонда. По схематическому изображению сканирования зондом
различных неровностей поверхности (рис.1)видно, что из-за формы
зонда получаемое изображение размывается.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
При продолжительном сканировании острие
зонда затупляется (рис. 16) или к нему могут
прилипать частицы сканируемого вещества, что
еще больше размывает получаемое изображение.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Работа выполняется на
нанотехнологическом комплексе (НТК)
«НаноФаб 100»
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Четырехкамерный нанотехнологический
комплекс (НТК - 4) включает модули
Сканирующей Зондовой Микроскопии
(СЗМ) и Фокусированного Ионного Пучка
(ФИП) и модули загрузки зондов и образцов.
Установка позволяет обрабатывать и
исследовать образцы диаметром до 100 мм
в условиях сверхвысокого вакуума (до 109Па).
Методы:
Острийно-зондовые технологии;
Ионно-лучевые технологии
Ионная микроскопия;
Нанолитография;
Ионное локальное осаждение.
Комплекс состоит из четырех камер:
камеры фокусированного ионного пучка(ФИП)
камеры сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ);
камеры загрузки зондов(КЗ);
камеры загрузки образцов(КО).
Рассмотрим подробнее конструкцию модулей НТК – 4
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Модуль СЗМ относится к основным модулям комплекса
НаноФаб 100 и предназначен для проведения атомносиловой микроскопии (АСМ) и сканирующей туннельной
микроскопии (СТМ) входного контроля полупроводниковых
пластин, измерений параметров и исследований
характеристик наноструктур и наноэлементов, острийнозондовых нанолитографических и наноманипуляционных
операций, функционального контроля наноструктур и
наноэлементов.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Проведение работы.
Перед помещением внутрь сверхвысоковакуумной (СВВ)
камере образец проходит стадии очистки, таких как
механическая полировка, химическое травление, кипячение в
органических растворителях, полоскание в деионизированной
воде. Все эти процедуры обеспечивают только
предварительную очистку образца, так как финальная
подготовка поверхности, которая содержит посторонние
примеси в количестве нескольких процентов монослоя может
быть проведена только внутри СВВ камеры.
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Закрепление образцов
Установка подготовленных образцов
производится на специальный металлический
держатель. Закрепление производится с
помощью проводящего клея
На одну сторону наносится клей и прижимается на держатель
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства
электронных средств
В результате сканирования будет
выявлена электронная структура
поверхности в методе СТМ в режиме
постоянного тока и топографическая
структура поверхности
гетероструктуры в методе АСМ в
бесконтактном режиме.