Исследование и разработка сканирующей зондовой микроскопии с проводящими кантилеверами для создания и диагностики наноразмерных структур

• Автор: Лемешко, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДО

ВОЙ МИКРОСКОПИИ С ПРОВОДЯЩИМИ КАНТИЛЕВЕРАМИ

1.1. Роль сканирующей зондовой микроскопии в современной науке

1.2. Кремниевая микромеханика в СЗМ.

1.3. Анализ сканирующей электропроводящей микроскопии.

1.3.1. Особенности функционирования метода СЭПМ и принципиальные его возможности

1.3.2. Особенности конструкции и технологии изготовления проводящих кантилеверов

1.4. Методы локальной модификации поверхности при помощи

сканирующей зондовой микроскопии

1.5. Выводы и постановка задач
2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОВОДЯЩИХ КАНТИЛЕВЕРОВ НА ОСНОВЕ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ Т1 И
2.1. Основные требования к конструктивным и физическим пара
метрам проводящих кантилеверов. Выбор оптимальных материалов проводящих покрытий.
2.2. Технология формирования проводящих покрытий на основе
структур РтП
2.3. Особенности метода импульсной конденсации электроэрозион
ной плазмы
2.4. Методика определения толщин сверхтонких пленок при помощи СЗМ
2.5. Технология получения пленок ПСЬх .
2.6. Технология формирования проводящих кантилеверов на осно
ве У2С
2.7. Выводы.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ МЕТОДА СКАНИРУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ МИКРОСКОПИИ
3.1 Анализ схем измерения в сканирующей электропроводящей микроскопии.
3.2 Изучение влияния материала покрытия кантилевера и режимов проведения измерений в СЭПМ на свойства контакта проводящий кантилевер проводящий образец
3.3 Разработка оценки качества проводящих кантилеверов
3.4 Разработка технологии заострения игл проводящих кантилеверов.
3.5 Применение метода СЭПМ для исследования и анализа проводящих свойств различных материалов
3.6 Выводы
4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ УПОРЯДОЧЕННЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПРОЦЕССА ЛОКАЛЬНОГО ЗОНДОВОГО ОКИСЛЕНИЯ.
4.1. Физико химическая модель процесса локального зондового окисления.
4.2. Исследование процесса зондового окисления тонких пленок титана
4.3. Исследование процесса зондового окисления СаЛэ.
4.4. Разработка метода формирования диэлектрической пленки, модулированной по толщине.
4.5. Выводы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ


Движение пьезокерамического сканера при помощи преобразователя и программного обеспечения отображается на мониторе в виде линии, а набор линий с заданным шагом по прямоугольному полю сканирования дает изображение поверхности. Следует отметить то, что для получения изображения, подобного представленному на рис. Строго говоря, регистрируется не рельеф, а электронное состояние поверхности, но в большинстве случаев на однородных по составу образцах эти зависимости подобны. Зависимость туннельного тока I при фиксированном напряжении и от расстояния между иглой и исследуемой поверхностью носит экспоненциальный характер и подчиняется уравнению Фаулера-Нордхейма для плоских электродов и низких напряжений (и«1В). И - расстояние между электродами. Расчет показывает, что для регистрации туннельного тока, равного 1 нА, при напряжении между электродами IВ необходимо подвести иглу зонда на расстояние ~ 5А. Благодаря резкой экспоненциальной зависимости можно получить рекордно малое разрешение по высоте (десятые доли ангстрема), поэтому и возможно увидеть атомную решетку на гладких кристаллах металлов Рі, Аи, Ag, Си, [8-]. Вслед за изобретением и успешным применением на практике СТМ, Г. Бинигом, Г. Квайтом и К. Гербером был изобретен сканирующий атомносиловой микроскоп (АСМ) [,]. В качестве зонда было предложено использовать острую иглу, прикрепленную к концу плоской гибкой балки, а вертикальное перемещение балки предлагалось измерять чувствительным датчиком, способным фиксировать малые перемещения. Зонд, состоящий из плоской балки с закрепленным основанием и иглой на ее свободном конце назвали кантилевером (в переводе с английского - консоль). Первые кантиле-веры изготавливали из тонкой платиновой фольги, к которой приклеивали иглу из битого кристалла сапфира. Ван-дер-ваальса. Затем, как только сила отталкивающего взаимодействия за счет перекрытия электронных орбиталей атомов зонда и поверхности превысит силу притяжения, консоль начнет отклоняться в обратную сторону вплоть до состояния, когда давление со стороны зонда не окажется больше предела упругой деформации материала образца или иглы. В предложенной конструкции, приведенной в [], образец закрепляется на трех координатный трубчатый сканер, а балка может только изменять угол наклона. Электронная схема прибора может либо поддерживать постоянным угол наклона балки зонда, либо регистрировать изменение угла наклона в процессе сканирования. Синхронно с построчным перемещением зонда регистрируется измеряемая величина. В первом случае регистрируется топография поверхности, во втором распределение силы взаимодействия между образцом и поверхностью. В последствии, был разработан ряд схем, позволяющих определять малые отклонения зонда, но ценность измерения абсолютного перемещения зонда в процессе сканирования оказалась не столь важной, так как были развиты режимы сканирования с поддержанием постоянной силы прижима (угла наклона кантилевера). Были разработаны оптико-позиционные схемы регистрации [], в первую очередь схемы с использованием четырех секционного фотодиодного датчика, в которых оказалось возможным совместить простоту настройки прибора с высокой точностью регистрации перемещения (0,1 ангстрема). В настоящее время именно вариации этой схемы наиболее широко используются в промышленных приборах (рис. Основным достоинством АСМ по сравнению с СТМ является возможность измерения наряду с металлическими полупроводниковых и диэлектрических материалов. Наблюдается тенденция в использовании АСМ, как универсального средства для нано- и микромасштабных измерений не только топографии поверхности, но и различных физических величин. Рис. Принципиальная схема атомно-силового микроскопа. С[ и С2 -константы, г - расстояние от иглы зонда до исследуемой поверхности. Формула (1. Леннарда-Джонса, где первый член описывает короткодействующие силы отталкивания между электронными облаками приведенных в контакт атомов, а второй - действующие на относительно больших расстояниях силы притяжения. Принцип работы АСМ состоит в следующем: лазерный луч, падая на поверхность балки неизогнутого кантилевера, отражается и попадает на четырехсекционный фотодиод.