Файл: umr.umr_download.doc

Рис. 4. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ

Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно-чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Рис. 5. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде

Основные регистрируемые оптической системой параметры – это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (F_Z) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (F_L) взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I₀₁, I₀₂, I₀₃, I₀₄, а через I₁, I₂, I₃, I₄, – значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Действительно, разность токов вида пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рис. 5 а), а комбинация разностных токов вида характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис. 5 б). Величина используется в качестве входного параметра в петле обратной связи атомно-силового микроскопа (рис. 6). Система обратной связи (ОС) обеспечивает с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консоли ∆Z, равным величине ∆Z₀, задаваемой оператором.

При сканировании образца в режиме ∆Z = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z=f(x, y). Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов.

---

Зондирование поверхности в атомно-силовом микроскопе производится с помощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой упругую консоль – кантилевер (cantilever) с острым зондом на конце

Рис.6. Упрощенная схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопе

(рис. 7). Датчики изготавливаются методами фотолитографии и травления из кремниевых пластин. Упругие консоли формируются, в основном, из тонких слоев легированного кремния, SiO₂ или Si₃N₄.

Один конец кантилевера жестко закреплен на кремниевом основании – держателе. На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы. Радиус закругления современных АСМ зондов составляет 150 нмв зависимости от типа зондов и технологии их изготовления. Угол при вершине зонда – 1020°. Силу взаимодействия зонда с поверхностью F можно оценить следующим образом:

где – жесткость кантилевера;∆Z – величина, характеризующая его изгиб. Коэффициенты жесткости кантилеверов варьируются в диапазоне 10^-310 Н/м в зависимости от используемых при их изготовлении материалов и геометрических размеров. При работе зондовых АСМ датчиков в колебательных режимах важны резонансные свойства кантилеверов.

Si

Рис. 7. Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Собственные частоты изгибных колебаний консоли прямоугольного сечения определяются следующей формулой:

,

где – длина консоли,– модуль Юнга,– момент инерции сечения консоли,– плотность материала,– площадь поперечного сечения,– численный коэффициент (в диапазоне 1100), зависящий от моды изгибных колебаний (рис. 8).

---

=3,52 =22,04=61,7

Рис.8. Основные моды изгибных колебаний консоли

Как видно из выражения, резонансная частота кантилевера определяется его геометрическими размерами и свойствами материала. Частоты основных мод лежат в диапазоне 101000 кГц. Добротность кантилеверов, в основном, зависит от той среды, в которой они работают. Типичные значения добротности при работе в вакууме составляют 10³ – 10⁴. На воздухе добротность снижается до 300 – 500, а в жидкости падает до 10 – 100.

В атомно-силовой микроскопии применяются, в основном, зондовые датчики двух типов – с кантилевером в виде балки прямоугольного сечения и с треугольным кантилевером, образованным двумя балками. Общий вид зондового датчика с кантилевером в виде балки прямоугольного сечения представлен на рис. 9.

Рис. 9. Общий вид зондового АСМ датчика с одиночной консолью прямоугольного сечения

На рис. 10. показаны электронно-микроскопические изображения выпускаемых серийно зондовых датчиков NSG11 с консолью прямоугольного сечения (компания "НТ–МДТ").

Рис. 10. Электронно-микроскопическое изображение АСМ зонда, расположенного на прямоугольной консоли

Иногда зондовые датчики АСМ имеют несколько кантилеверов различной длины (а значит, и различной жесткости) на одном основании. В этом случае выбор рабочей консоли осуществляется соответствующей юстировкой оптической системы атомно-силового микроскопа.

Зондовые датчики с треугольным кантилевером имеют при тех же размерах большую жесткость и, следовательно, более высокие резонансные частоты. Чаще всего они применяются в колебательных АСМ методиках. Общий вид и габариты зондовых датчиков с треугольной консолью представлены на рис. 11 и 12.

---

Рис. 11. Общий вид зондового датчика с треугольным кантилевером

Рис.12. Электронно-микроскопическое изображение АСМ зонда, расположенного на треугольном кантилевере

---

2. Технология изготовления зондовых датчиков атомно-силовых микроскопов

Изготовление зондовых датчиков для АСМ представляет собой достаточно сложный технологический процесс, включающий в себя операции фотолитографии, ионной имплантации, химического и плазменного травления. Основные этапы одной из возможных технологий изготовления зондовых датчиков представлены на рис. 13.

Рис. 13. Основные этапы процесса изготовления зондовых датчиков

Для изготовления зондовых датчиков используются пластины кристаллического кремния ориентации (110). На поверхность пластины осаждается тонкий слой фоторезиста (рис. 13, этап 2). Затем фоторезист экспонируется через фотошаблон, и часть фоторезиста удаляется посредством химического травления. Далее проводится имплантация ионов бора, так что ионы проникают на глубину порядка 10 мкм в область кремния, не защищенную фоторезистом (этап 3). После этого фоторезист смывается в специальном травителе, и затем проводится термический отжиг пластины, в результате которого атомы бора встраиваются в кристаллическую решетку кремния. Кремний, легированный бором, образует так называемый стоп–слой, который останавливает процесс травления для некоторых селективных травителей. Затем на обратной стороне пластины вновь проводится фотолитография, в результате которой формируется слой фоторезиста точно над областью, имплантированной бором. После этого пластина покрывается тонким слоем Si₃N₄ (этап 4). Затем проводится селективное травление фоторезиста, причем в процессе растворения фоторезист набухает и срывает расположенную непосредственно над ним тонкую пленку Si₃N₄ (этап 5). Пластина кремния протравливается насквозь до стоп–слоя с помощью селективного травителя, который взаимодействует с кремнием и не взаимодействует с легированным кремнием и слоем Si₃N₄ (этап 6). После этого Si₃N₄ смывается, и на обратной стороне пластины в легированной области методом фотолитографии формируются островки из фоторезиста (этап 7, 8). Затем проводится травление кремния, в результате которого получаются столбики кремния под островками фоторезиста (этап 9). Далее с помощью плазменного травления из столбиков кремния формируются иглы (этап 10, 11). Для улучшения отражательных свойств, кантилеверы с обратной стороны (по отношению к острию) покрываются тонким слоем металла (Al, Аu) методом вакуумного осаждения. В результате данных технологических операций изготавливается целый набор зондовых датчиков на одной кремниевой пластине. Для проведения электрических измерений на зонд наносятся проводящие покрытия из различных материалов (Аu, Pt, Cr, W, Мо, Ti, W₂C и др.). В магнитных АСМ датчиках зонды покрываются тонкими слоями ферромагнитных материалов, таких как Cо, Fe, CoCr, FeCr, CoPt и др.

---