Исследования поверхности кремния с использованием сканирующего зондового микроскопа NanoEducator

 

где есть новое значение резонансной частоты кантилевера с номинальной величиной жесткости , а - градиента силы взаимодействия кантилевера с образцом. Величина z представляет эффективный зазор зонд-образец, для случая сил притяжения величина

 отрицательна.

Рис. 27. АСМ – бесконтактные методы

 

Если возбуждающая частота колебаний кантилевера , то сдвиг резонансной частоты в сторону меньших значений приводит к уменьшению амплитуды колебаний кантилевера с частотой при приближении к образцу. Эти изменения амплитуды A используются в качестве входного сигнала в системе обратной связи. Для получения сканированного изображения по методу БК ССМ необходимо, прежде всего, выбрать некую амплитуду Aset в качестве уставки, при этом Aset < A(fset) когда кантилевер находится вдали от поверхности образца. Система обратной связи подводит кантилевер поближе к поверхности, пока его мгновенная амплитуда A не станет равной амплитуде Aset при заданной частоте возбуждения колебаний . Начиная с этой точки может начаться сканирование образца в x–y плоскости с удержанием системой обратной связи A = Aset = constant для получения БК ССМ изображения. Система обратной связи подводит кантилевер ближе к образцу (в среднем) если Aset уменьшается в какой-либо точке, и отодвигает кантилевер от образца (в среднем) если Aset увеличивается. В целом, как следствие вышеизложенной модели в пределе малых A сканированное изображение может рассматриваться как рельеф постоянного градиента силы взаимодействия зонд-образец. Метод БК ССМ обладает тем преимуществом, что зонд не контактирует с образцом и поэтому не разрушает его и не искажает его изображения. В частности, это может быть важным при исследовании биологических образцов.

 

1.4. Ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ)

Традиционные методы получения оптических изображений объектов

имеют существенные ограничения, связанные с дифракцией света. Одним из основополагающих законов оптики является существование так назы-ваемого дифракционного предела, который устанавливает минимальный размер(R) объекта, изображение которого может быть построено оптической системой при использовании света с длиной волны λ:

 

где n— показатель преломления среды. Для оптического диапазона длин волн предельный размер составляет величину порядка200÷300 нм. В ближнепольной оптической микроскопии используются другие принципы построения изображения объекта, которые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, и реализовать пространственное разрешение на уровне10 нм и лучше.

Идея СБОМа была предложена в1928 году Сингхом (E.H. Syngh), но она намного опередила технические возможности своего времени и осталась практически незамеченной. Ее первое подтверждение было получено Эшем (E.A. Ash) в опытах с микроволнами в1972 году. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп был изобретен Дитером Полем (лаборатория фирмыIBM, г. Цюрих, Швейцария) в 1982 году сразу вслед за изобретением туннельного микроскопа. В основе работы данного прибора используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения).

Рис. 28. (а) — Прохождение света через отверстие в экране с субволновой апертурой. (б) — Линии постоянной интенсивности оптического излучения в области субволнового отверстия

 

При прохождении света через субволновое отверстие наблюдается ряд особенностей. Электромагнитное поле в области диафрагмы имеет сложную структуру. Непосредственно за отверстием на расстояниях Z < 100а располагается так называемая ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует, в основном, в виде эванесцентных (не распространяющихся) мод, локализованных вблизи поверхности диафрагмы. В области расстояний Z > 100a располагается дальняя зона, в которой наблюдаются лишь излучательные моды. Мощность излучения за субволновой диафрагмой в дальней зоне может быть оценена по следующей формуле:

 

где k – волновой вектор, – плотность мощности падающего излу-чения. Оценки показывают, что для излучения с длиной волны порядка λ = 500 нм и диафрагмы с отверстием ~ 5 нм мощность излучения в дальней зоне составляет по порядку величин 10-10 от мощности падающего излучения. Поэтому, на первый взгляд, кажется, что использование малых отверстий для построения растровых оптических изображений исследуемых образцов практически невозможно. Однако, если поместить исследуемый объект непосредственно за отверстием в ближней зоне, то вследствие взаимодействия эванесцентных мод с образцом часть энергии электромагнитного поля переходит в излучательные моды, интенсивность которых может быть зарегистрирована оптическим фотоприемником. Таким образом, ближнепольное изображение формируется при сканировании исследуемого образца диафрагмой с субволновым отверстием и регистрируется в виде распределения интенсивности оптического излучения в зависимости от положения диафрагмы I(x,y). Контраст на СБОМ изображениях определяется процессами отражения, преломления, поглощения и рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят от локальных оптических свойств образца.

СБОМ позволяет решать следующие задачи:

1. Определять рельеф исследуемого  образца;

2. Получать данные об  оптических свойствах поверхности  образца (коэффициентах отражения и пропускания, распределения люминесцентных характеристик);

3. Проводить измерения  локальных спектральных характеристик;

4. Выполнять нанолитографические операции.

Все ближнепольные микроскопы включают несколько базовых элементов конструкции:

1. зонд;

2. система перемещения  зонда относительно поверхности  образца по2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам(система развертки);

3. регистрирующая система;

4. оптическая система.

Рассмотрим строение сканирующего ближнепольного микроскопа на примере прибора«Интегра Соларис» (Рис. 29).

Рис. 29. Общий вид ЗНЛ Интегра Соларис. 1-инвертированный оптический микроскоп, 2- базовый блок Интегра, 3- сменное основание, 4- сканирующая измерительная головка, 5- система видеонаблюдения, 6-лазерный модуль

 

Исследование оптических характеристик с разрешением ниже дифракционного предела производится с помощью СБОМ измерительной головки с оптоволоконным зондовым датчиком, ввод излучения в который осуществляется с помощью лазерного модуля. Выбор участка поверхности образца для исследований и контроль процедуры подвода зонда к образцу осуществляется с помощью системы видеонаблюдения. Конструкция сменного основания позволяет наряду со СБОМ изображением получать и оптическое изображение исследуемого образца с помощью инвертированного микроскопа. Объектив инвертированного микроскопа располагается в сменном основании, в котором встроены системы грубой и точной фокусировки, позволяющие использовать высокоразрешающие объективы, в т.ч. иммерсионные. В сменном основании помимо системы грубого ручного позиционирования образца содержится также система точного XY позиционирования, также позволяющая осуществлять XY сканирование. Получение высокого разрешения обеспечивается также использованием виброизолирующей платформы с системой активной виброизоляции.

Оптический инвертированный микроскоп позволяет получать наряду со СБОМ изображением также и оптическое, визуально следить за процессом подвода зонда, а также снимать оптический сигнал с помощью модуля ФЭУ.

Базовый блок Интегра служит для установки на него сменного основания, а также подключения через него измерительной головки и сменного основания к контроллеру.

В базовом блоке расположен механизм подвода, обеспечивающий подвод объектива к образцу автоматизировано, с помощью шагового двигателя, либо вручную.

Сканирующее сменное основание служит для установки исследуемого образца, измерительной головки и объектива инвертированного микроскопа.

Лазерный модуль предназначен для ввода лазерного излучения в оптическое волокно. Используется твердотельный лазер с длиной волны 488 нм.

СБОМ измерительная головка предназначена для измерения рельефа поверхности образца и его приповерхностных оптических характеристик, при этом в процессе измерений могут регистрироваться амплитуда и фаза колебаний зонда.

Основной элемент любого ближнепольного микроскопа – оптический зонд - оптоволоконный зондовый датчик, представляющий собой аксиально-симметричный оптический волновод из материалов с отличающимися показателями преломления (Рис. 30).

Рис. 30. Схематическое изображение строения оптического волокна

 

Оптическое волокно состоит из сердцевины (core) и оболочки (cladding). Снаружи волокно покрывается защитным слоем. Сердцевина и оболочка изготавливаются, как правило, из особого кварцевого стекла. При этом стекло, используемое для оболочки, имеет меньший показатель преломления, чем стекло для сердцевины. (На практике показатель преломления стекла регулируется с помощь легирующих добавок, так что коэффициенты преломления сердцевины и оболочки различаются на величины порядка1%). Такая система, вследствие явления полного внутреннего отражения, позволяет локализовать оптическое излучение в области сердцевины и практически без потерь транспортировать его на большие расстояния.

Датчик (Рис. 31) состоит из следующих основных частей: кварцевого резонатора 1, приклеенного к нему одномодового оптического волокна 2 и текстолитового основания с контактными площадками 3. Конец оптического волокна, который крепится к кварцевому резонатору клеевым соединением, заострен до образования острия с радиусом закругления порядка 50-100 нм. На этот конец напылен слой металла таким образом, чтобы на острие остался чистый участок с апертурой диаметром 50-100 нм. Датчиком, используемым для контроля расстояния между зондом и образцом, является U-образный (камертонного типа) кварцевый резонатор, к одному из плеч которого приклеен заостренный конец оптического волокна таким образом, что он выступает на 0.5-1.0 мм. Именно между этим заостренным концом и исследуемой поверхностью осуществляется силовое взаимодействие. Сигнал, вырабатываемый кварцевым резонатором, снимается через контактные площадки.

Рис. 31. Устройство зондового датчика. 1- кварцевый резонатор, 2-оптическое волокно, 3- контактные площадки

 

Конструкция такого зонда позволяет локализовать электромагнитное поле в области пространства с размерами меньше длины волны используемого излучения.

На сегодняшний день существует несколько схем реализации ближнепольного оптического микроскопа. Наиболее широкое применение нашли СБОМ с зондами на основе оптического волокна, такие зонды изготавливаются следующим образом. Очищенный от защитного слоя конец оптического волокна погружается в раствор, состоящий из двух несмешивающихся жидкостей – смеси HF, NH4F, H2O, которая является травителем для кварца, и жидкости с меньшей плотностью, например, толуола. Толуол располагается поверх травителя и служит для формирования мениска смачивания на границе толуол – травитель - волокно (Рис. 32 а). По мере травления толщина волокна уменьшается, что приводит к уменьшению высоты мениска. В результате в процессе травления на конце волокна происходит формирование конусообразного острия (Рис. 32 б) с характерными размерами меньше 100 нм. Затем кончик зонда покрывается тонким слоем металла. Покрытие наносится с помощью вакуумного напыления под углом порядка 30º к оси волокна, так что на кончике острия в области тени остается не запыленный участок малой апертуры, который и является ближнепольным источником излучения. Оптимальный угол при вершине зондов составляет порядка20º .

Рис. 32. Изготовление СБОМ зондов на основе оптического волокна: (а) –химическое травление волокна;(б) – вид кончика волокна после травления; (в) – напыление тонкой пленки металла

 

Рассмотрим  СБОМ  на  примере  Интегра  Соларис.  Оптоволоконный зондовый датчик устанавливается на сканере, расположенном внутри измерительной головки. В место крепления зондового датчика на сканере располагается пьезодрайвер, колеблющийся на резонансной частоте системы зонд - кварцевый резонатор - держатель зонда. С контактов кварцевого резонатора снимается сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний. При приближении зонда к поверхности образца резонансная частота системы меняется за счет атомарного взаимодействия (поперечно-силовая микроскопия) кончика зонда с поверхностью. Происходит резкое падение амплитуды, изменение фазы колебаний кварцевого резонатора. Соответственно, изменяется величина изменяемого с него сигнала. Эти изменения отслеживаются синхронным детектором, входящим в систему обратной связи, которая управляет перемещениями пъезотрубки сканера по оси Z. Таким образом, система обратной связи система обратной связи поддерживает величину взаимодействия между зондом и поверхностью образца во время сканирования. Величина взаимодействия косвенно задается параметром Set-Point в программе управления сканированием. Управляющий сигнал, подаваемый на Z-секцию сканера, служит источником данных для воспроизведения рельефа поверхности образца.