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.