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 Лабораторная работа 1 Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства электронных средств Выполнили: Евгений Белоус Владимир Жуйков Группа: ИУ4-113

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. Цель работы Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства электронных средств

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) Атомно-силовой микроскоп (АСМ) Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) Электросиловой микроскоп (ЭСМ) Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ) Классификация СЗМ Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства электронных средств

1986 год Герд Биннинг, Кэлвин Куэйт, Кристофер Гербер Основа работы: Силовое взаимодействие между зондом и поверхностью Силы Ван-дер-Ваальса Основные принципы АСМ Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства электронных средств

Силы Ван-дер-Ваальса Основные принципы АСМ Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства электронных средств степенная функция – потенциал Леннарда-Джонса: - дальнодействующее притяжение- отталкивание атомов на малых r r0 – равновесное расстояние между атомами, U0 – значение энергии в минимуме.

Взаимодействие между атомами зонда и образца: Основные принципы АСМ Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства электронных средств 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)

Зондовые датчики атомно-силовых микроскопов Основные принципы АСМ Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства электронных средств 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.

Зондовые датчики атомно-силовых микроскопов Основные принципы АСМ Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства электронных средств радиус закругления современных АСМ зондов составляет 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)

Кафедра ИУ4: Проектирование и технология производства электронных средств Динамический режим АСМ 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 A W. При сканировании система обратной связи АСМ поддерживает постоянную A W амплитуду колебаний кантилевера на уровнеA 0, задаваемом оператором (A 0

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 Па). 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 атомно- силовой микроскопии (АСМ) и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) входного контроля полупроводниковых пластин, измерений параметров и исследований характеристик наноструктур и наноэлементов, острийно- зондовых 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

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.