= ДИАГНОСТИКА МИКРОСТРУКТУР =
УДК 621.38-022.532
МОДИФИКАЦИЯ ЗОНДОВ ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ МЕТОДОМ ФОКУСИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ
© 2012 г. Б. Г. Коноплев, О. А. Агеев, В. А. Смирнов, А. С. Коломийцев, Н. И. Сербу
Технологический институт Южного федерального университета, г. Таганрог
E-mail: sva@fep.tti.sfedu.ru Поступила в редакцию 24.03.2011 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований по модификации зондов для атомно-силовой микроскопии (АСМ) и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) травлением острия АСМ-кантилеверов и вольфрамовых СТМ-зондов методом фокусированных ионных пучков (ФИП). Показано, что использование травления методом ФИП позволяет получать зонды с радиусом закругления менее 10 нм и аспектным отношением 1 : 50, применение которых повышает разрешающую способность и достоверность измерений методами АСМ и СТМ. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов изготовления и модификации зондовых датчиков для АСМ и СТМ, а также методик диагностики структур микро- и наноэлектроники, микро- и наносистемной техники.
ВВЕДЕНИЕ
На современном этапе развития нанотехноло-гии одним из наиболее перспективных методов диагностики поверхности является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Использование методов СЗМ позволяет проводить исследование локальных геометрических, электрических и механических свойств поверхности подложки, а также формировать на поверхности твердых тел наноразмерные структуры [1—6]. Разрешающая способность методов СЗМ определяется рядом факторов, ключевым из которых являются геометрические параметры, в частности — радиус закругления и аспектное соотношение сторон острия [6].
В атомно-силовой микроскопии в качестве зондов применяются кремниевые кантилеверы, с типичными значениями радиуса острия порядка 10 нм и аспектным соотношением 1 : 3 [7].
При интерпретации полученных с помощью АСМ результатов возникают сложности определения реальных геометрических параметров объектов, так как полученные изображения морфологии поверхности являются суперпозицией реальной формы поверхности и профиля зонда используемого кантилевера. В связи с этим актуальной задачей является разработка методик формирования зондов, параметры которых (радиус закругления острия и его аспектное соотношение) позволят минимизировать искажения морфологии поверхности подложки при исследовании методом АСМ.
В качестве зонда для СТМ используется металлическая проволока диаметром от 100 до 500 мкм, на конце которой формируется острие, как пра-
вило методом электрохимического травления (ЭХТ). Пространственная разрешающая способность метода СТМ определяется эффективным поперечным размером области протекания туннельного тока между зондом и подложкой. При этом, для повышения достоверности результатов СТМ-зонд должен иметь минимальный радиус закругления острия.
С точки зрения достижения минимальных значений радиуса острия зонда и получения высокого аспектного соотношения, одним из наиболее перспективных является метод фокусированных ионных пучков [1, 8, 9]. Данный метод основан на локальной ионно-лучевой модификации поверхности твердого тела в условиях высокого вакуума. Ключевая особенность технологии ФИП — высокая разрешающая способность, которая обеспечивается применением пучка ионов галлия диаметром порядка 10 нм, также возможностью варьирования параметров воздействия в широких пределах [10].
Цель работы — разработка и исследование методик модификации зондов для атомно-силовой и сканирующей туннельной микроскопии с использованием травления методом фокусированных ионных пучков.
МЕТОДИКА
Модификации и исследование характеристик зондов производились с использованием сверх-высоковакуумного модуля фокусированных ионных пучков (СВВ ФИП) многофункционального нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (производитель — ЗАО "Нанотехнология-
ФИП
1 методика ФИП ФИП
Растровый шаблон ~
Кантилевер АСМ
О о
Модифицированное острие кантилевера
/
Ii in
(а)
2 методика
ФИП
Кантилевер АСМ
Область травления ФИП
ФИП IUI ФИП 1111 ФИП 1111
Л. 1111 Л НИ .Л
ф
Ф о
Модифицированное острие
кантилевера кантилевера
о
II
III
(б)
IV
Рис. 1. Схематические изображения методик модификации острия зондов методом фокусированных ионных пучков.
МДТ", г. Зеленоград) и растрового электронного микроскопа Nova NanoLab 600 (FEI Company, Нидерланды).
На первом этапе исследований производилась модификация зондов АСМ, в качестве которых использовались кремниевые кантилеверы NSG 10 [7]. Кантилеверы помещались в вакуумную камеру модуля СВВ ФИП нанотехнологиче-ского комплекса НАНОФАБ НТК-9, таким образом, чтобы острие зонда было направлено вверх, в направлении источника ионов. Рабочий вакуум при проведении ионно-лучевой обработки поддерживался на уровне 2—3 х 10-4 Па. При формировании экспериментальных образцов АСМ-кан-тилеверов использовались следующие параметры ионно-лучевого воздействия: ускоряющее напряжение ионного пучка 30 кэВ, ток ионного пучка 0.3 нА, время воздействия ионного пучка в каждой точке шаблона варьировалось от 500 нс до 4.6 мкс.
Для модификации кантилеверов методом ФИП были разработаны две методики, схемати-
чески представленные на рис. 1. По первой методике травление производилось при управлении пространственным распределением интенсивности потока ионов, задаваемым комплектом графических растровых шаблонов формата *.bmp (рис. 1а).
После модификации поверхность острия кантилеверов исследовалась методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Анализ РЭМ-изображений (рис. 2) показывает, что на заключительном этапе процесса модификации по первой методике (этап III на рис. 1а) был получен кантилевер с радиусом закругления острия около 5 нм и аспектным соотношение 1 : 30 (рис. 2б).
По второй методике модификация кантилеве-ра производилась с использованием стандартных средств управления ионным пучком программы управления модулем СВВ ФИП нанотехнологи-ческого комплекса НАНОФАБ НТК-9. При этом область травления ФИП, задаваемая стандартной фигурой типа "прямоугольник", на каждом этапе вручную перемещалась оператором на 90° отно-
Рис. 2. РЭМ-изображения зонда АСМ-кантилевера, модифицированного методом ФИП по первой методике: (а) — 5000х;(б) - 1300000х.
(а)
10 цш
I_:_I
(б)
50 пш
I_I
сительно оси зонда (рис. 1б). На рис. 3а представлены РЭМ-изображения кантилевера модифицированного по второй методике на различных этапах травления методом ФИП. На заключительном этапе травления (этап IV, рис. 1б) был получен кан-тилевер с радиусом закругления острия зонда ~9 нм и аспектным соотношением 1 : 50 (рис. 3б).
При исследовании модификации зондов для сканирующей туннельной микроскопии были изготовлены исходные экспериментальные образ-
цы зондов методом электрохимического травления в 8% растворе КОН заготовки из вольфрамовой проволоки диаметром 100 мкм. Затем зонды помещались в вакуумную камеру модуля СВВ ФИП нанотехнологического комплекса НАНО-ФАБ НТК-9, где проводилась модификация острия СТМ-зондов по второй методике (рис. 1б). Основные параметры травления методом ФИП: ток фокусированного ионного пучка
Рис. 3. РЭМ-изображения зонда АСМ-кантилевера, модифицированного методом ФИП по второй методике: (а) — после II этапа; (б) — после IV этапа.
100 пА, ускоряющее напряжение 30 кэВ, время воздействия ионного пучка в точке 1 мкс.
На рис. 4 приведены РЭМ-изображения исходных СТМ-зондов, полученных методом ЭХТ, а также СТМ-зондов, модифицированных методом ФИП. Анализ РЭМ-изображений показал, что в результате модификации методом ФИП радиус закругления острия исходного СТМ-зонда уменьшился с 146 до 7 нм.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Экспериментальные исследования влияния модификации зондовых датчиков на разрешающую способность и достоверность результатов АСМ измерений проводились на зондовой нано-лаборатории NTEGRA Vita (ЗАО — "Нанотехно-логия-МДТ", г. Зеленоград) путем сканирования поверхности тестовых структур: рельефной меры высоты TGZ3 [7] и заказных интегральных мик-
Рис. 4. РЭМ-изображения вольфрамовых СТМ-зондов: (а) — сходных; (б) — модифицированных методом ФИП.
росхем (ИМС). Сканирование тестовых структур проводилось в полуконтактном режиме АСМ.
На рис. 5 представлены АСМ-изображения поверхности рельефной меры высоты TGZ3. Для определения характерных размеров меры высоты TGZ3 проводился анализ АСМ-изображений с использованием программного пакета Image Analysis 3.5 [7].
Для исследования характеристик кантилеве-ров, модифицированных по первой методике, производилось изучение поверхности фрагмента ИМС с субмикронной топологической нормой, содержащего полевой транзистор (рис. 6).
На рис. 7 представлены АСМ-изображения поверхности заказной ИМС, полученные с использованием обычного и модифицированного по второй методике кантилевера.
Определение эффективного радиуса острия СТМ-зондов проводилось в режиме СТМ-спек-троскопии на поверхности высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ). В результате были получены зависимости туннельного тока от расстояния зонд-подложка (/(г)-зависимости), представленные на рис. 8.
Исследование разрешающей способности СТМ-зондов проводилось путем сканирования в
(а)
пш 500 -400 -300 -200 -100 цш 5
пш 500 400 -300 -200 -100 0
цш 4.5
0.5 1.0 1.5 2.° 2.5 (б)
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 цш
1.0 1.5 2.0 2.5
3.0 3.5 4.0 4.5 Цш
Рис. 5. АСМ-изображения поверхности рельефной меры периода и высоты TGZ3, полученные: (а) — исходным кан-тилевером; (б) — модифицированным методом ФИП кантилевером.
режиме постоянной высоты поверхности ВОПГ. В результате, с использованием модифицированного зонда было получено СТМ-изображение поверхности ВОПГ с атомарным разрешением, которое представлено на рис. 9.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ полученных АСМ-изображений (рис. 5) показал, что форма структур рельефной меры высоты TGZ3, полученных обычным кантилевером (рис. 5а) содержит артефакты, возникновение которых может быть связано с вкладом
угла конусности острия кантилевера (~22 [7]) в искажение формы и латеральных геометрических размеров. При
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.