Измерение модуля упругости высокотемпературных полупроводниковых материалов и других твердых тел методом сканирующей силовой микроскопии

• Автор: Усеинов, Алексей Серверович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР КОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ УПРУГИХ СВОЙСТВ

1.1. История теоретических представлений и экспериментальных

ДАННЫХ О МОДУЛЕ УПРУГОСТИ

1.2. Теории контактной механики

1.2.1. Модель Герца

1.2.2. Модель Sneddon

1.2.3. Модель Bradley

1.2.4. Модель Derjaguin-Muller-Toporov (DMT)

1.2.5. Модель Johnson-Kendall-Robetrs (JKR)

1.2.6. Другие модели
1.3. Контактные методы измерения упругих свойств материалов
1.3.1. Наноиндентирование
1.3.2. Методы ACM
1.3.3. Потенциальные источники ошибок контактных методов
1.3.4. Выводы
2. ОПИСАНИЕ ССМ «НАНОСКАН»
2.1. Отличительные особенности и основные функциональные возможности ССМ «НаноСкан»
2.2. Режимы измерений, реализуемые «НаноСкан»
2.2.1. Измерение топографии
2.2.2. Измерение карт механических свойств
2.2.3. Измерение твердости
2.3. Конструкция измерительной системы «НаноСкан»
3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ССМ «НАНОСКАН»
3.1. Язык УПРАВЛЕНИЯ RLB
3.2. Редактор управляющих файлов
3.3. Программа управления ССМ «НаноСкан»
3.4. Программа для управления сканированием
3.5. Программа для обработки результатов
4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА
4.1. Описание модели
4.2. Измеряемая величина
4.3. Расчет
4.4. Ограничения модели
4.5. Доказательства применимости модели
5. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ С ПОМОЩЬЮ КРИВЫХ НАГРУЖЕНИЯ
5.1. Алгоритм измерения кривых нагружения
5.2. Проведение измерений
5.3. Анализ результатов
5.3.1. Общий вид кривых нагружения
5.3.2. Вычисление параметров кривой
5.3.3. Вычисление модуля упругости
6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ МЕТОДА
6.1. Описание образцов
6.2. Проведение эксперимента
6.2.1. Условия проведения эксперимента
6.2.2. Процесс эксперимента
6.3. Результат эксперимента
6.4. Обсуждение результатов
7. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА
7.1. Новые сверхтвердые материалы
7.2. Тонкие пленки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Введение
Развитие науки и технологий во второй половине 20-го века привело к возникновению новой обширной области знаний, именуемой «нанотехнология». Исследования в этой области относятся к объектам, имеющим характерный размер порядка 100 нм и менее. К нанотехнологии относятся такие области исследований, как наноматериалы (ультрадисперсные материалы), тонкие пленки и защитные покрытия, наномеханика, наноэлектроника. Общей для всех этих областей задачей является создание средств и методов наблюдения, измерения, контроля и модификации структур и объектов, недоступных для стандартных средств визуализации и измерения физических свойств.
В 1982 году было положено начало развитию нового направления в аналитическом приборостроении: Сканирующей Силовой Микроскопии. Сканирующие силовые микроскопы (ССМ) позволили проникнуть в наномир с помощью механического зонда и получать уникальную информацию о свойствах объектов со сверхвысоким пространственным разрешением. На начальном этапе развития этой техники силовые микроскопы использовались для исследования в основном рельефа поверхности, вплоть до атомарной структуры. Сегодня сканирующие силовые микроскопы широко применяются не только для исследования рельефа поверхности материалов, но и для измерения их механических свойств, прежде всего, модуля упругости.
Актуальность темы:
Главной тенденцией развития микроэлектроники на протяжении нескольких последних десятилетий является уменьшение размеров приборных структур. В современных интегральных микросхемах они составляют порядка единиц микрометров и менее.

Первый подход заключается в том, что кантилевер рассматривается в виде балки [43, 44], один конец которой закреплен, а другой совершает колебания (см. Рис. 10).
^смещение,
Рис. 10 Схема взаимодействия зонда, представленного в виде балки, с поверхностью образца.
При этом кантилевер рассматривается как объект, который имеет определенные линейные размеры: длину, ширину и толщину. В полном виде применение такой модели слишком затруднено, поскольку требует описания движения объекта в трех измерениях. Соображения симметрии позволяют свести данную задачу к одномерному случаю. Тогда уравнение движения в общем виде записывается следующим образом:
„ . д ш(х,/) д2у(х,1)
Е ■ I т^ + М----------------------------г^ = Е(х, О (П)
дх от
Здесь Е, I и д - это модуль Юнга, момент инерции и масса на единицу длины кантилевера, соответственно. Член Е(х,1) представляет все силы, действующие на кантилевер в расчете на единицу длины.
При таком рассмотрении возникают сложности, учет которых неизбежно ведет к усложнению модели. При измерениях на открытом воздухе на колебания зонда неизбежно влияет вязкий слой, адсорбированный на поверхности материала [45]. Кроме того, колебания температуры кантилевера могут быть источником шумов [46], заметно влияющих на полезный сигнал. Как правило, подразумевается, что сечение кантилеверов постоянно вдоль всей их длины. Однако, для многих экспериментов с АСМ это условие не выполняется [47]. В этом случае изгибная жесткость Е1 и линейная плотность