КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 3, с. 541-565
ПОВЕРХНОСТЬ. ^^^^^^^^^^^^ ТОНКИЕ ПЛЕНКИ
УДК 539.211
МОДИФИКАЦИЯ АТОМИО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ИЗУЧЕИИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛОВ И ПЛЕИОК. ОБЗОР
© 2004 г. К. Л. Сорокина, А. Л. Толстихина
Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: sorokina@ns.crys.ras.ru Поступила в редакцию 19.06.2003 г.
Зондовая силовая микроскопия становится все более популярной методикой изучения поверхности конденсированных сред и стандартным средством контроля растущих кристаллов и пленок, входящим в оснащение технологических установок. Возможности по регистрации различных характеристик объектов непрерывно расширяются благодаря новым вариантам метода. Важная роль среди последних принадлежит "электрической" силовой микроскопии, различные способы реализации которой рассмотрены в настоящей статье как в методическом плане, так и в плане сферы ее применения и конкретных результатов, получаемых с ее помощью.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. От изображения поверхности к точным измерениям
2. Принцип измерения электрических параметров
3. Сканирующая микроскопия Кельвина
4. Электростатическая силовая микроскопия
5. Емкостная сканирующая микроскопия
ВВЕДЕНИЕ
С тех пор, как был создан первый атомно-си-ловой микроскоп [1], новый способ получения изображения поверхности быстро внедряется в разные области исследований. Одновременно происходит и стремительное развитие самого метода, по сути ставшего родоначальником целой серии сканирующих силовых методик.
Двигаясь в непосредственной близости от поверхности образца, зонд микроскопа (упругий держатель - кантилевер - с острием на конце) оказывается в поле действия разнообразных сил. Эти силы в зависимости от материала зонда (проводящий - непроводящий, магнитный - немагнитный) и расстояния между острием и поверхностью влияют на его перемещение в той или иной степени. Практически сразу родилась идея использовать данный факт, чтобы зафиксировать картину изменения от точки к точке этих сил, каждая из которых несет свою информацию о свойствах объекта. Причем здесь можно рассчитывать на получение именно "поточечной" информации. Надежду на это дают уникальная система перемещения зонда и образца друг относительно друга (пьезокерамический манипулятор, разработанный еще для сканирующего туннель-
ного микроскопа, позволяет осуществлять смещение в масштабе тысячных долей нанометра), сверхминиатюрные размеры зонда (кантилевер длиной 100-400 мкм, с сечением порядка 3 х 30 мкм, острие длиной 15-20 мкм с диаметром кончика до единиц нм) плюс оптическое детектирование его отклонения (чувствительность лазерного интерферометра - порядка 10-5 нм Гц-1/2).
1. ОТ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ К ТОЧНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ
Первыми были получены изображения поверхности в "магнитных силах" - с помощью острия из магнитного материала удалось визуализировать ее доменную структуру [2, 3], на что теоретики сразу откликнулись развитием теории нового метода [4-7]. Электростатические силы также с самого начала привлекли внимание исследователей, правда, на первом этапе в большей степени экспериментаторов [8-12]. Встал вопрос: нельзя ли, используя различные физические эффекты, измерять при сканировании соответствующие параметры, определенные в достаточной мере локально, и таким образом составлять "карты" распределения данных величин вдоль поверхности? Раньше в микроскопии из изменения какой-то величины вдоль поверхности старались извлечь информацию о высотном рельефе данной поверхности - именно на это был нацелен первый вариант сканирующего емкостного микроскопа [13]. Теперь же стало возможным вести параллельно регистрацию измеряемой величины и топографическую съемку поверхности. В итоге на базе атомно-силовой микроскопии (АСМ) быстро выросли точные методики локального определения разных физических параметров, позволяющие сопоставлять полученные поверхностные
распределения с наблюдаемыми морфологическими особенностями.
Упомянутые выше магнитные изображения сейчас являются предметом изучения магнитно-силовой микроскопии [14]. Мы же здесь остановимся на исследовании электрических характеристик. Сразу надо оговориться, что измеряемые величины могут обладать различной "степенью локальности", т.е. могут относиться к разным по площади участкам поверхности. Степень локальности измеренной величины электрического потенциала, заданного в каждой точке пространства, как мы увидим, определяется принципиальными методическими ограничениями. Вклад в емкость, характеристику системы зонд - образец в целом, дают все участки поверхности, но этот вклад уменьшается примерно обратно пропорционально расстоянию от точки расположения зонда [15]. Еще более локальной оказывается информация, заключенная в значении дифференциальной емкости - изменении емкости при варьировании расстояния между зондом и поверхностью [16]. Поэтому локальная емкость образца, понимаемая как емкость при расположении зонда в данной точке, действительно может характеризовать ближайшую к зонду область поверхности.
Распределение электрического потенциала вдоль поверхности важно знать при исследовании объектов самой разной природы - от полупроводниковых до биологических. Именно значение потенциала служит тем мостиком, который позволяет связывать многие наблюдаемые свойства с локальным составом и структурой образцов. Широко распространенный метод измерения локального потенциала - с помощью электронного луча - обладает не очень высокими пространственным разрешением (~100 нм) и особенно разрешением по напряжению (сотни мВ) [17], будучи к тому же и методом повреждающим. Разрешение нанометрового масштаба дает потенциометрия на основе сканирующей туннельной микроскопии [18, 19]. Однако требование, чтобы через образец протекал туннельный ток, сводит круг исследуемых этим методом объектов только к проводящим образцам. Адаптация АСМ к измерению электростатического потенциала снимает ограничение по сопротивлению и открывает возможность изучать непроводящие образцы (что весьма существенно, в частности, для микросхем, в которых важную роль играют диэлектрические слои, а поверхности проводящих элементов часто сильно окислены).
В модификациях АСМ, ориентированных на исследование электрических свойств, сканирование обычно проводится в бесконтактном режиме (хотя есть и динамическая контактная модификация), используются проводящие кантилевер и острие зонда; между острием и образцом подается небольшое напряжение. При этом последнее может подаваться на образец при заземленном острие или, наоборот, на острие, когда заземляется обра-
зец: эти две конфигурации, требующие различных схем разделения с пьезоэлектрической системой, дают эквивалентные картины [20]. На острие, находящееся вблизи поверхности образца, действуют электростатическая сила, сила Ван-дер-Вааль-са, капиллярная сила (если поверхность покрыта подвижным адсорбционным слоем) и ответная сила упругости со стороны кантилевера.
Отвлечемся от специальных ситуаций, когда действуют капиллярные силы, связанные с присутствием жидкости (о взаимодействии при наличии жидкости на нейтральной поверхности см., например, [21], на заряженной поверхности -[22]); силы Ван-дер-Ваальса действуют всегда, практически всегда присутствует и электростатическое взаимодействие. Можно сказать, что "визитной карточкой" силы той или иной природы наряду с ее абсолютным значением служит зависимость ее величины от расстояния между объектами. При теоретическом анализе электростатического взаимодействия система острие-поверхность сначала моделировалась сферой радиуса R, удаленной на расстояние d от плоской проводящей поверхности (или даже просто плоскопараллельным конденсатором) [23, 8, 9, 11]. Первая модель предсказывает, что сила притяжения пропорциональна R/d для расстояний d < R и пропорциональна (R/d)2 для больших расстояний. Если принять во внимание удлиненную форму острия, представляемого в виде конуса длиной L с закруглением радиуса R на конце (рис. 1), получим иной, более медленный закон спада силы при L > d > R: пропорционально ln(L/4d) - что отражает вклад во взаимодействие макроскопической части острия [24]. Для маленьких расстояний d < R, когда определяющим остается взаимодействие с поверхностью самого кончика острия, вновь получается обратно пропорциональная по отношению к d зависимость [24, 25]. Надо подчеркнуть, что подобное теоретическое рассмотрение сначала ограничивалось задачей взаимодействия острия с проводящей поверхностью образца [24, 26-28]. Лишь в последнее время было проанализировано влияние геометрических параметров острия на силы, действующие между ним и диэлектрическим образцом [25, 29]. Результаты численных расчетов по обобщенному методу электрических изображений и аналитические выражения для предельных случаев помогли выявить различия: если для проводящих объектов главную роль играет абсолютная величина радиуса закругления, то для диэлектрических образцов на силу влияет высота острия над поверхностью и форма острия, а не его размер (в пределе d —► 0).
Учет электростатического взаимодействия между самим кантилевером и образцом в условиях эксперимента АСМ дает практически не зависящий от расстояния d вклад в силу [27, 30]. Однако по величине именно оно оказывается доминирующим при d > 5 нм, как свидетельствуют расчеты
[30], проведенные для системы макроскопический кантилевер - мезоскопическое острие (усеченный конус) - кончик острия (нанометрового размера). Из-за этого существенно возрастает эффективная площадь образца, участвующая во взаимодействии. Для снижения влияния кантилевера предлагается подбирать соответствующим образом геометрические параметры, а также использовать кантилевер из непроводящего материала с узкой напыленной контактной полоской. Но гораздо легче подавить вклад кантилевера, если перейти от измерения силы к измерению ее градиента: последний определяется практически одним взаимодействием с кончиком острия [30].
Геометрия острия сказывается и на силе Ван-дер-Ваальса, но в меньшей степени, на уровне поправок, пренебрежимых в условиях эксперимента АСМ [24]. На расстояниях порядка наномет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.