Исследования поверхности кремния с использованием сканирующего зондового микроскопа NanoEducator

Образец (обычно на подложке) устанавливается на держатель образца. На сменное основание устанавливается измерительная головка. После  этого,  с  помощью  моторизированной  винтовой  опоры,  зонд подводится к образцу на расстояние, определяемое параметром Set-Point и, начинается сканирование в плоскости образца.

Для ввода лазерного излучения свободный конец оптического волокна очищается от полимерного покрытия и скалывается. Затем конец волокна закрепляется на юстировочном столике лазерного модуля. Лазерное излучение фокусируется объективом на конце волокна. Излучение распространяется по оптическому волокну до выходной апертуры на заостренном конце волокна, при этом поверхность исследуемого образца ввиду малого расстояния между зондом и поверхностью оказывается в ближнем поле выходящего из волокна оптического излучения. Выходящее из кончика зонда излучение рассеивается образцом, при этом часть рассеянного излучения собирается оптической системой и направляется на детектор ФЭУ. Сигнал с ФЭУ служит источником данных для воспроизведения оптического изображения образца.

Рассмотрим "Shear-force" метод контроля расстояния зонд-поверхность в ближнепольном оптическом микроскопе.

Для работы СБОМ необходимо удерживать зонд над поверхностью на расстояниях порядка 10 нм и менее. Существуют различные решения  данной  проблемы,  однако  наиболее  широкое  распространение получили СБОМ с так называемым "shear-force" методом контроля расстояния между зондом и образцом.

Чаще всего применяются схемы "shear-force" контроля с использованием пъезодатчика на основе кварцевого резонатора камертонного типа (Рис. 33).

 

Рис. 33. Схема «shear-force» датчика расстояния зонд-поверхность на основе кварцевого резонатора камертонного типа

 

Зонд СБОМ крепится к кварцевому резонатору с помощью клея.  Вынужденные колебания камертона на частоте, близкой к резонансной частоте системы зонд – кварцевый резонатор, возбуждаются с помощью  дополнительного пьезовибратора.  При этом зонд  совершает колебательное движение параллельно поверхности образца. Измерение силы взаимодействия зонда с поверхностью производится посредством регистрации изменения амплитуды и фазы изгибных колебаний кварцевого резонатора на частоте возбуждения (по переменной составляющей напряжения на электродах резонатора U(t)). Теория "shear-force" контроля достаточно сложна, и здесь мы ограничимся лишь качественными соображениями. При сближении зонда и образца наблюдаются несколько эффектов. Во-первых, появляется дополнительное диссипативное взаимодействие зонда с поверхностью за счет сил вязкого трения (в тонкой прослойке воздуха, прилегающего к поверхности, и в тонком слое адсорбированных молекул на поверхности образца).

Это  приводит  к  уменьшению  добротности  системы,  а,  следовательно,  к  уменьшению  амплитуды  колебаний  и  уширению  АЧХ  и ФЧХ системы зонд-резонатор на резонансной частоте. Во-вторых, при малых  расстояниях  зонд-поверхность  происходит  изменение  моды колебаний в системе зонд–резонатор. В свободном состоянии мода колебаний соответствует колебаниям стержня со свободным концом, а при сближении с образцом (в пределе при касании зонда поверхности) переходит в колебания стержня с закрепленным концом. Это приводит к  увеличению  резонансной  частоты  в  системе  зонд-резонатор,  т.е. сдвигу АЧХ в сторону более высоких частот.

Изменения амплитуды и фазы изгибных колебаний в системе зонд-резонатор используются в качестве сигналов обратной связи для контроля расстояния зонд-поверхность в ближнепольных оптических микроскопах.

На практике используются несколько конструктивных схем ближ-непольного оптического микроскопа. Наиболее часто реализуется схема, в которой оптическое излучение лазера локализуется в пространстве с помощью волоконного зонда (безапертурный). Такая схема позволяет получить максимальную мощность излучения в области субволнового отверстия и проводить исследование образцов как на отражение (Рис. 34 а) для непрозрачных образцов, так и на просвет (Рис. 34 б) для прозрачных и полупрозрачных образцов.

Рис. 341. Возможные конфигурации ближнепольного оптического микроскопа

Для увеличения чувствительности излучение, отраженное от образца или прошедшее сквозь образец, собирается  на  фотоприемнике  с  помощью  фокусирующего  зеркала или линзы. Кроме того, данная конфигурация СБОМ широко используется в экспериментах по ближнепольной оптической литографии.

В экспериментах, когда требуются высокие уровни оптической накачки (как,  например,  при  исследовании  локальных  нелинейных свойств образцов), реализуется схема, в которой мощное лазерное излучение направляется на исследуемую структуру, а прием осуществляется с помощью ближнепольного зонда (Рис. 34 в, г).

Интересная, но менее распространенная схема, в которой возбуждение структуры и прием ближнепольного излучения осуществляются через зонд микроскопа, приведена на Рис. 35.

Рис. 35. Схема БОМ, в котором засветка образца и прием излучения осуществляются с помощью одного и того же зонда

 

Такое совмещение ближнепольного источника с ближнепольным приемником является весьма многообещающим методом, обеспечивающим очень высокое пространственное разрешение. Однако в данной схеме излучение дважды проходит через субволновое отверстие. Это приводит к тому, что приходящий на фотоприемник сигнал имеет очень низкую интенсивность, и требуются высокочувствительные методы его регистрации. Сопряжение СБОМ с оптическим монохроматором позволяет проводить локальные спектроскопические исследования образцов. Основные области применения ближнепольных оптических микроскопов — это исследование локальных оптических и фотоэлектрических свойств полупроводниковых фоточувствительных структур, исследование биологических объектов, нанотехнология.

 

 

2. Исследования поверхности кремния с использованием сканирующего зондового микроскопа NanoEducator.

 

2. 1. Конструкция и принцип работы сканирующего зондового микроскопа NanoEducator.

На Рис. 36 представлен внешний вид измерительной головки СЗМ NanoEducator и обозначены основные элементы прибора, используемые при работе. На Рис. 37 представлена конструкция измерительной головки. На основании1 расположены сканер 7 с держателем образца 6 и механизм подвода 2 на основе шагового двигателя. Подвод зонда 5, закрепленного на датчике взаимодействия 4, к образцу можно также осуществлять с помощью винта ручного подвода 3. Предварительный выбор места исследования на образце осуществляется с помощью винта 8.

На Рис. 38 представлена функциональная схема прибора. NanoEducator состоит из измерительной головки, электронного блока, соединительных кабелей и управляющего компьютера. Видеокамера изображена как отдельное устройство, соединенное с компьютером. Сигнал от датчика взаимодействия после преобразования в предусилителе поступает в СЗМ контроллер. Управляющие сигналы от электронного блока поступают в измерительную головку. Управление электронным блоком осуществляется от компьютера через контроллер связи с PC.

Рис. 36.  Внешний вид измерительной головки СЗМ NanoEducator 1 – основание, 2 – держатель образца, 3 – Датчик взаимодействия, 4 – винт фиксации датчика, 5 – винт ручного подвода, 6 – винты перемещения сканера с образцом, 7 – защитная крышка с видеокамерой

Рис. 37. Конструкция СЗМ NanoEducator:

1 – основание, 2 – механизм подвода, 3 – винт ручного подвода,4 – датчик взаимодействия, 5 – винт фиксации датчика, 6 – зонд, 7 – держатель образца,8 – сканер, 9, 10 – винты перемещения сканера с образцом

 

Рис. 38. Функциональная схема прибора. NanoEducator

 

Универсальный датчик туннельного тока и силового взаимодействия

В приборе NanoEducator применяется универсальный датчик туннельного тока и модуляционного силового взаимодействия. Датчик выполнен в виде пьезокерамической трубки длиной l=7 мм, диаметром d=1.2 мм и толщиной стенки h=0.25 мм, жесткозакрепленной с одного конца. На внутреннюю поверхность трубки нанесен проводящий электрод. На внешнюю поверхность трубки нанесены два электрически изолированных полуцилиндрических электрода. К свободному концу трубки прикреплена вольфрамовая проволока диаметром100 мкм (Рис. 39).

 

Рис. 39. Конструкция универсального датчика прибора NanoEducator

 

Свободный конец проволоки, использующейся в качестве зонда, заточен электрохимически, радиус закругления имеет величину 0.2÷0.05 мкм. Зонд имеет электрический контакт с внутренним электродом трубки, соединенным с заземленным корпусом прибора. При измерении туннельного тока пьезотрубка играет роль жесткой пассивной консоли. Электрическое смещение прикладывается к образцу относительно заземленного зонда (Рис. 40). Преобразователь, изображенный на рисунке, вырабатывает электрическое напряжение Uт, обуславливающее протекание туннельного тока I и выдает напряжение U пропорциональное этому току в электронный блок.

 

Рис. 40. Принцип регистрации туннельного тока

 

В качестве датчика силового взаимодействия одна часть пьезоэлектрической трубки используется как пьезовибратор, а другая – как датчик механических колебаний (Рис. 41). К пьезовибратору подводится переменное электрическое напряжение с частотой, равной резонансной частоте силового датчика. Амплитуда колебаний при большом расстоянии зонд-образец максимальна. Как видно из Рис. 42, в процессе колебаний зонд отклоняется от равновесного положения на величину А0, равную амплитуде его вынужденных механических колебаний (она составляет доли микрона), при этом на второй части пьезоэлемента (датчике колебаний) возникает переменное электрическое напряжение, пропорциональное смещению зонда, которое и измеряется прибором.

При приближении зонда к поверхности образца зонд начинает касаться образца в процессе колебаний. Это приводит к смещению амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) колебаний датчика влево по сравнению с АЧХ, измеренной вдали от поверхности (Рис. 42). Так как частота вынуждающих колебаний пьезотрубки поддерживается постоянной и равной ω0 в свободном состоянии, то при приближении зонда к поверхности амплитуда его колебаний уменьшается и становится равной A. Эта амплитуда колебаний регистрируется со второй половины пьезотрубки.

 

Рис. 41. Принцип работы пьезоэлектрической трубки в качестве датчика силового взаимодействия

Рис. 42. Изменение частоты колебаний силового датчика при приближении к поверхности образца

 

Сканер

Способ организации микроперемещений, использующийся в приборе NanoEducator, основан на использовании зажатой по периметру металлической мембраны, к поверхности которой приклеена пьезопластинка (Рис. 43 а). Изменение размеров пьезопластинки под действием управляющего напряжения будет приводить к изгибу мембраны. Расположив такие мембраны по трем перпендикулярным сторонам куба и соединив их центры металлическими направляющими, можно получить трех координатный сканер (Рис. 43 б).

Каждый пьезоэлемент 1, закрепленный на гранях куба 2, может передвигать прикрепленный к нему толкатель 3 в одном из трех взаимно перпендикулярных направлений – X, Y или Z при приложении к нему электрического напряжения. Как видно из рисунка, все три толкателя соединены в одной точке 4. С некоторым приближением можно считать, что эта точка перемещается по трем координатам X, Y, Z. К этой же точке прикрепляется стойка 5 с держателем образца 6. Таким образом, образец перемещается по трем координатам под действием трех независимых источников напряжения. В приборах NanoEducator максимальное перемещение образца составляет около 50-70 мкм, что и определяет максимальную площадь сканирования.

Рис. 43. Принцип действия(а) и конструкция(б) сканера прибора NanoEducator

Механизм автоматизированного подвода зонда к образцу (захват обратной связи)

Диапазон перемещений сканера по оси Z составляет около10 мкм, поэтому перед началом сканирования необходимо приблизить зонд к образцу на это расстояние. Для этого предназначен механизм подвода, схема которого приведена на Рис. 44. Шаговый двигатель 1 при подаче на него электрических импульсов вращает винт подачи 2 и перемещает планку 3 с зондом 4, приближая или отдаляя его от образца 5, установленного на сканере 6. Величина одного шага составляет около 2 мкм.

Рис. 44. Схема механизма подвода зонда к поверхности образца

 

Так как шаг механизма подвода значительно превосходит величину требуемого расстояния зонд-образец в процессе сканирования, то во избежание деформации зонда его подвод осуществляется при одновременной работе шагового двигателя и перемещениям сканера по оси Z по следующему алгоритму:

Система обратной связи отключается и сканер “втягивается”, т.е. опускает образец в нижнее крайнее положение:

1. Механизм подвода зонда  производит один шаг и останавливается.

2. Система обратной связи включается, и сканер плавно поднимает образец, одновременно производится анализ наличия взаимодействия зонд-образец.

3. Если взаимодействие  отсутствует, процесс повторяется  с пункта 1.

Если во время вытягивания сканера вверх появится ненулевой сигнал, система обратной связи остановит движение сканера вверх и зафиксирует величину взаимодействия на заданном уровне. Величина силового взаимодействия, при котором произойдет остановка подвода зонда, и будет происходить процесс сканирования, в приборе NanoEducator характеризуется параметром AmplitudeSuppression (подавление амплитуды):

A=A0(1- Amplitude Suppression)