ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 9, с. 94-99
УДК 620.187.3
ПРИМЕНЕНИЕ ФОКУСИРОВАННОГО ИОННОГО ПУЧКА ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ НАНОСТРУКТУР
© 2011 г. Р. Л. Волков1, Н. И. Боргардт1, В. Н. Кукин1, А. С. Приходько1,
А. С. Басаев2, Ю. П. Шаман2
Московский государственный институт электронной техники (технический университет), Москва, Россия
2НПК "Технологический центр" МИЭТ, Москва, Россия Поступила в редакцию 14.03.2011 г.
Предложен способ препарирования образцов поперечного сечения, позволяющий с помощью микроскопического трехмерного защитного экрана исключить деструктивное воздействие ионного пучка на поверхностные наноструктуры во время приготовления образца. Методом просвечивающей электронной микроскопии исследованы углеродные нанотрубки, выращенные на кремниевой подложке с массивом островков катализатора Ре№Со20.
ВВЕДЕНИЕ
Системы с фокусированным ионным пучком (ФИП) — высокотехнологичные приборы, предназначенные для работы с объектами микро- и нано-метровых размеров [1]. Их рабочим инструментом является узкий зонд ионов галлия, позволяющий прецизионно распылять практически любые виды материалов. Визуализация поверхности с помощью изображений во вторичных электронах позволяет создавать и модифицировать микроструктуры и на-нообъекты, используя обработку ионным пучком и локальное осаждение металлических (№, и диэлектрических (8Ю2) слоев, а также вносить локальные изменения в электрические цепи интегральных микросхем, изготавливать электромеханические устройства микро- и наноразмера [1, 2].
Одно из важных применений ФИП состоит в приготовлении тонких фольг для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Хотя данным методом можно препарировать образцы планарно-го сечения, наибольшее распространение получила практика изготовления фольг поперечного сечения [3]. В отличие от других методов [4], площадь тонких фольг, полученных с помощью ФИП, относительно невелика и составляет, как правило, десятки квадратных микрон. Достоинства и преимущества применения фокусированного ионного пучка проявляются в методах прецизионного локального препарирования. Реализация этих методов обеспечивается визуальным контролем процесса приготовления тонкой фольги, возможностью точного позиционирования заданного участка образца, применением специальных манипуляторов для работы с микрообъектами. В частности, прецизионное препарирование с помощью ФИП позволило
определить кристаллографические индексы плоскости скола в поликристаллах цинка [5], локализовать и исследовать электронно-микроскопическими методами рекомбинационно-активные протяженные дефекты в полупроводниках [6].
Помимо очевидных достоинств процесс приготовления тонких фольг для просвечивающей электронной микроскопии с помощью ФИП имеет свои недостатки, которые, главным образом, связаны с возможностью повреждения образца ионным пучком [7]. Поэтому для предохранения от таких повреждений при изготовлении тонких фольг из массивных материалов на поверхность образца предварительно осаждается защитное покрытие, как правило, полоска тонкого слоя платины. Для уменьшения степени нарушений в приповерхностных слоях вертикальных разрезов на финишном этапе препарирования обычно снижают величину ускоряющего напряжения и тока ионного пучка [8].
Препарирование образцов для электронно-микроскопического исследования поверхностных наноструктур, таких как одиночные вертикальные на-нотрубки или их массивы, выращенные на подложке, требует применения особых приемов для их предохранения от повреждений в процессе приготовления. Например, в [9] описывается способ получения образца поперечного сечения массива на-нотрубок, защищенных слоем эпоксидной смолы, путем механического и ионного утонения. В [10] для изучения одиночных вертикальных нанотрубок был разработан метод реплик с применением ацетата целлюлозы.
Ограничения упомянутых способов приготовления образцов поверхностных наноструктур для ПЭМ-исследований связаны с их недостаточной
локальностью и нежелательными изменениями формы и расположения изучаемых структур, которые могут возникать при формировании на них каких-либо дополнительных слоев.
В настоящей работе описывается разработанный способ локального препарирования с помощью ФИП образцов поперечного сечения поверхностных наноструктур, базирующийся на использовании трехмерного защитного экрана микроскопических размеров. Приводятся результаты электронно-микроскопических исследований углеродных нанотру-бок (УНТ), выращенных на каталитических островках на поверхности подложки.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБРАЗЦЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Образцы поверхностных наноструктур представляли собой пучки углеродных нанотрубок, которые регулярно располагались на поверхности подложки кремния. Возможность подобного выращивания УНТ для его совмещения с процессами кремниевой планарной технологией описывается в [11]. Регулярное расположение нанотрубок задавалось прямоугольной матрицей из специально сформированных каталитических островков, на которых происходили зарождение и рост нанотрубок. Размер каждого островка составлял около 150 нм, а расстояние между ними равнялось 2 мкм.
Формирование каталитических островков включало несколько этапов. Первоначально на кремниевую подложку наносился подслой алюминия толщиной около 10 нм. Затем на него осаждалась пленка FeNiCo20, толщина которой составляла 3—4 нм. Для напыления пленок использовалась установка магнетронного распыления ATC Orion 8 UHV фирмы AJA International. Их толщины оценивались по продолжительности процесса напыления.
На следующем этапе из сплошной напыленной пленки FeNiCo20 формировался массив регулярно расположенных островков заданного размера. Для этого использовалась система с фокусированным ионным пучком, позволяющая прецизионно распылять (травить) материал на определенных участках поверхности подложки в соответствии с заданным шаблоном. Он состоял из периодически повторяющихся фигур, которые заполняли собой квадратную область 16 х 16 мкм, за исключением участков с формируемыми каталитическими островками. Для создания шаблона была разработана специальная программа, позволяющая варьировать как размеры фигур, так и их взаимное расположение. В процессе отладки технологии формирования островков были оптимизированы геометрические параметры фигур шаблона, ток ионного пучка (150 пА), область перекрытия пучка в процессе травления (43%), время травления (180 с).
На поверхности полученного образца с массивом каталитических островков методом химическо-
го парофазного осаждения осуществлялось выращивание углеродных нанотрубок. Процесс пироли-тического разложения этанола проводился в установке УНТ-3 [12] при температуре 800°С в течение 5 мин. Расход аргона составлял 200 см3/мин, расход этанола — 0.8 г/ч. В результате на участках подложки, содержащих слой катализатора, происходило образование углеродных нанотрубок.
Формирование описанного выше массива каталитических островков, приготовление образца для электронно-микроскопических исследований и получение изображений во вторичных электронах проводилось в системе с фокусированным ионным пучком FEI FIB 200 при ускоряющем напряжении 30 кВ. Ток пучка ионов галлия при создании массива островков катализатора составлял 150 пА, а при препарировании образца — 1000 пА. Индуцированный ионами процесс осаждения платины выполнялся при токе 11 пА. Процесс приготовления образцов контролировался при токах пучка 4—11 пА с помощью изображений во вторичных электронах, генерируемых при ионной бомбардировке.
Рабочий столик FEI FIB 200 позволял устанавливать положение подложки с поверхностными наноструктурами с точностью до долей микрометра. Перемещение и точное позиционирование микроскопических объектов в рабочей камере системы с фокусированным ионным пучком осуществлялось при помощи пьезоэлектрического микроманипулятора марки Kleindiek MM3A-EM.
Электронно-микроскопические исследования образцов проводились в просвечивающем электронном микроскопе Philips CM30 с катодом из гексаборида лантана при ускоряющем напряжении 200 кВ.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В основу разработанного способа приготовления образцов поверхностных наноструктур была положена стандартная методика In-Situ Lift-Out [13], позволяющая получать тонкие фольги поперечного сечения с размерами в несколько квадратных микрон. Необходимой процедурой данной методики является предварительное нанесение защитного слоя платины на поверхность образца [14]. Затем с помощью фокусированного ионного пучка по обе стороны от слоя платины вытравливаются параллельные углубления прямоугольного сечения, разделенные тонкой перегородкой. На финишном этапе к этой перегородке прикрепляется игла микроманипулятора, с помощью ионного пучка перегородка отделяется от подложки, переносится манипулятором на специальный держатель образца (предметную сетку) и утоняется до толщины около 100 нм.
96
ВОЛКОВ и др.
Очевидно, что описанная методика не может быть непосредственно использована для приготовления образцов с углеродными нанотрубками, выращенными на поверхности подложки, поскольку нанесение платины может повредить поверхностные наноструктуры. Кроме того, электронно-микроскопические исследования УНТ, находящихся в платиновом слое, не представляются возможными. Поэтому в настоящей работе для предохранения поверхности образца от повреждений ионным пучком и от переосаждения распыленного материала вместо слоя платины использовался трехмерный защитный экран, изготовленный из кристаллического кремния.
Трехмерный защитный экран вырезался фокусированным ионным пучком из пластины кремния (рис. 1а, стрелка А), предварительно подвергнутой механической шлифовке и полировке, а затем бомбардировке ионами аргона для утонения до толщины около 4 мкм в установке Gatan PIPS 691.
Внешний вид защитного экрана представлен на рис. 1а (стрелка Б). Он имеет форму, близкую к прямоугольному параллелепипеду, внутри которого вытравлена полость с прямоугольными стенками и дном размерами
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.