Разработка конструкции и технологии изготовления зондов для атомно-силовой микроскопии и нанодиагностики

Иван Панченко

Разработка конструкции и технологии изготовления зондов для атомно-силовой микроскопии и нанодиагностики

В настоящей работе была исследована проблема создания зондовых датчиков для нанодиогностики с помощью фокусированного ионного пучка (ФИП). Для разработки темы было изучено множество научных статей и проанализированы возможные методы решения данной проблемы. Было проведено сравнение различных методик, в которых метод ФИП показал наилучшие результаты. В данной научно-исследовательской работе применялся ионно-стимулированное осаждение проводящих материалов для формирования зондов для нанодиагностики, что позволяет преодолеть основные ограничения, используемых в настоящее время методов, а также повысить точность и разрешающую способность исследований. Были проведы работы, по исследованию и разработке конструктивно-технологических решений создания зондовых датчиков-кантилеверов с уникальными метрологическими характеристиками, применяемых в сканирующей зондовой микроскопии. Была разработана конструкция зондовых датчиков для нанодиагностики, а также разработаны экспериментальные макеты зондовых датчиков с улучшенными эксплуатационными параметрами с использованием ионно-лучевых нанотехнологий. Были проведены фундаментальные исследования как параметров осаждения, так и параметров самих зондов.

Электроника. Радиотехника

Дипломы

Вуз: Южный федеральный университет (ЮФУ)

ID: 5efc353acd3d3e00013d5b0a

UUID: dfedea60-9d96-0138-0c84-0242ac180006

Язык: Русский

Опубликовано: почти 4 года назад

Просмотры: 22

14.44

Иван Панченко

Южный федеральный университет (ЮФУ)

Комментировать 0

Рецензировать 1

Скачать - 3,7 МБ

Поделиться работой

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения Направление подготовки 11.03.04 − «Электроника и наноэлектроника» Кафедра Радиотехнической электроники Группа ЭПбо4-2 ЗАДАНИЕ на выпускную квалификационную работу бакалавра студенту Панченко Ивану Викторовичу 1. Тема работы: Разработка конструкции и технологии изготовления зондов для атомно-силовой микроскопии и нанодиагностики утверждена приказом по вузу № 4125-к от 24 марта 2020 г. 2. Срок сдачи студентом законченной работы: 11 июня 2020 г. 3. Исходные данные к работе: − Провести анализ научных работ в исследуемой области; − Провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований методов создания зондовых датчиков для АСМ, зондовых измерений и СБОМ; − Сформировать экспериментальные образцы зондовых датчиков методом фокусированных ионных пучков и их тестирование. 4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов): − Анализ основных методов создания зондовых датчиков для сканирующей зондовой микроскопии; − Теоретическое исследование физических основ метода фокусированных ионных пучков; − Моделирование резонансной частоты колебаний балки зонда; − Разработка конструкции и технологии создания зондовых датчиков для нанодиагностики поверхности твердых тел методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. 5. Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей) − Макет зондового датчика для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. 6. Дата выдачи задания – 10.02.2020 г. Руководитель ВКР Коломийцев Алексей Сергеевич (подпись) Задание принял к исполнению (дата) 10.02.2020 г. Подпись студента Панченко Иван Викторович (подпись) 2

УДК 615.471 Панченко Иван Викторович гр. ЭПбо4-2 «Разработка конструкции и технологии изготовления зондов для атомно-силовой микроскопии и нанодиагностики» Выпускная квалификационная работа бакалавра ИНЭП ЮФУ г. Таганрог 2020 АННОТАЦИЯ В настоящей работе была исследована проблема создания зондовых датчиков для нанодиогностики с помощью фокусированного ионного пучка (ФИП). Для разработки темы было изучено множество научных статей и проанализированы возможные методы решения данной проблемы. Было проведено сравнение различных методик, в которых метод ФИП показал наилучшие результаты. В данной научно-исследовательской работе применялся ионно-стимулированное осаждение проводящих материалов для формирования зондов для нанодиагностики, что позволяет преодолеть основные ограничения, используемых в настоящее время методов, а также повысить точность и разрешающую способность исследований. Были проведы работы, по исследованию и разработке конструктивно-технологических решений создания зондовых датчиков-кантилеверов с уникальными метрологическими характеристиками, применяемых в сканирующей зондовой микроскопии. Была разработана конструкция зондовых датчиков для нанодиагностики, а также разработаны экспериментальные макеты зондовых датчиков с улучшенными эксплуатационными параметрами с использованием ионно-лучевых нанотехнологий. Были проведены фундаментальные исследования как параметров осаждения, так и параметров самих зондов. 3

УДК 615.471 Panchenko Ivan Viktorovich gr. EPbo4-2 «Development of the design and manufacturing technology of probes for atomic force microscopy and nanodiagnostics» Graduation qualification work of the bachelor INEEE SFEDU Taganrog 2020 ANNOTATION In the present work, the problem of creating probe sensors for nanodiagnostics using a focused ion beam (FIB) was investigated. To develop the topic, many scientific articles were studied and possible methods for solving this problem were analyzed. A comparison was made of different methods in which the FIB method showed the best results. In this research work, ion-stimulated deposition of conductive materials was used to form probes for nanodiagnostics, which allows us to overcome the main limitations of the methods currently used and to increase the accuracy and resolution of studies. Work was carried out to research and develop structural and technological solutions for creating probe cantilever sensors with unique metrological characteristics used in scanning probe microscopy. The design of probe sensors for nanodiagnostics was developed, and experimental models of probe sensors with improved operational parameters using ion beam nanotechnologies were developed. Fundamental studies of both the deposition parameters and the parameters of the probes themselves were carried out. 4

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................... 8 1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЗОНДОВЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ ...................................... 10 1.1. Туннельная микроскопия......................................................................... 10 1.1.1 Электрохимическое травление............................................................. 12 1.1.2 Перерезание ножницами проволоки из PtIr ........................................ 13 1.2. Атомно-силовая микроскопия................................................................. 15 1.2.1. Пирамидальные зонды .......................................................................... 16 1.2.2. Зондовые датчики конической формы ................................................ 17 1.3. Ближнепольная оптическая микроскопия.............................................. 21 1.3.1. СБОМ зонды на основе оптического волокна.................................... 23 1.4. Заключение ................................................................................................ 27 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА ФОКУСИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ ............................................................................................................. 29 2.1. Торможение ионов в твердом теле ......................................................... 30 2.2. Пробеги ионов в твердом теле ................................................................ 32 2.3. Основные подходы к описанию торможения ионов в подложке ........ 35 2.4. Распределения пробегов .......................................................................... 37 2.5. Основные физические эффекты взаимодействия ФИП с подложкой. 38 2.5.1. Имплантация ионов ............................................................................... 38 2.5.2. Распыление подложек фокусированным ионным пучком ................ 40 2.5.3. Аморфизация подложки под действием ФИП ................................... 45 2.6. Литературный обзор ................................................................................. 51 2.7. Заключение ................................................................................................ 53 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ БАЛКИ ЗОНДА .................................................................................................. 55 3.1. Теоретическое моделирование ................................................................ 56 3.2. Численное моделирование методом конечных элементов .................. 58 3.3. Заключение ................................................................................................ 60 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ....................................... 62 5

4.1. Исследование влияния геометрических параметров зондовых датчиков на точность и разрешающую способность ..................................... 62 4.2. Экспериментальные исследования процессов наноструктурирования поверхности с использованием фокусированного ионного пучка ............... 64 4.3. Экспериментальные исследования процессов формирования микро- и наноразмерных структур ................................................................................... 69 4.4. Разработка конструкции зондовых датчиков для нанодиагностики поверхности твердых тел методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии .................................................................................. 71 4.5. Тестирование сформированных зондов ................................................. 76 4.6. Разработка технологии ............................................................................. 81 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................. 86 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ .............................................. 87 6

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ ФИП – фокусированный ионный пучок СЗМ – сканирующая зондовая микроскопия СТМ – сканирующая туннельная микроскопия АСМ – атомно-силовая микроскопия СБОМ – сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия ЛШШ – Теория Линдхарда, Шарффа и Шиотта РО – разупорядоченные области РЭМ – растровая электронная микроскопия ХАГ – химически активные газы 7

ВВЕДЕНИЕ На современном этапе развития технологии диагностики наноструктур и наноматериалов позволяющие ключевое производить место занимают анализ различных зондовые свойств технологии, материалов с разрешением в единицы нанометров. Основной проблемой зондовой нанодиагностики является задача формирования зондов с заданными характеристиками, которые дают возможность увеличить точность исследования и минимизировать возникающие артефакты. Традиционные технологические процессы изготовления зондов базируются на технологических операциях классической микроэлектроники, которые не позволяют варьировать параметры зондов в широких пределах. Для разработки темы было изучено множество научных статей и проанализированы возможные методы решения данной проблемы. Было проведено сравнение различных методик, в которых метод фокусированного ионного пучка (ФИП) показал наилучшие результаты. В таких исследованиях ключевую роль играют зонды, от их параметров зависит точность и разрешающая способность исследований. Традиционные технологические процессы не позволяют получить достаточно точные зонды. Для дальнейшего улучшения параметров зондовой нанодиагностики необходимо использование новых методов их создания. В данной выпускной квалификационной работе для решения вышеперечисленных проблем применяется метод ионно-стимулированного осаждения проводящих материалов из газовой фазы. Формирование зондов для нанодиагностики методом ФИП позволяет преодолеть основные ограничения,используемых в настоящее время методов, а также повысить точность и разрешающую способность исследований. В данной работе исследованы и разработаны конструктивно- технологические решения создания зондовых датчиков-кантилеверов с уникальными метрологическими характеристиками, 8 применяемых в

сканирующей зондовой микроскопии. Разработана конструкция зондовых датчиков для нанодиагностики, а также разработаны экспериментальные макеты зондовых датчиков с улучшенными эксплуатационными параметрами с использованием ионно-лучевых нанотехнологий. Проведены фундаментальные исследования как параметров осаждения, так и параметров самих зондов. 9

1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ЗОНДОВЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) – набор мощных методик исследования локальных свойств поверхности, таких как особенности рельефа, магнитные свойства, локальные емкость и проводимость поверхности. Отличительной особенностью этих методик является их высокое разрешение, достигающее атомарного. Современные научные и технологические процессы в электронике, фотонике и других областях, связанные с модификацией свойств поверхности, нанесением тонких пленок, формированием наноструктур, сложно представить без СЗМ контроля на всех этапах процесса [1]. В связи с тем, что у каждого метода СЗМ разные требования к форме и размерам зондов, существуют большое количество способов создания зондов для каждого метода СЗМ. 1.1. Туннельная микроскопия Исторически первым был изобретен туннельный микроскоп. Принцип работы сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) основан на принципе туннелированы через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле. СТМ зонд подводится к образцу на расстояние в несколько ангстрем, вследствие чего образуется туннельно-прозрачный барьер, величина которого определяется значениями работы выхода электронов из материала зонда и образца. Изображение поверхности образца в СТМ формируется двумя способами. Первый способ – по методу постоянного тока, зонд перемещается по образцу, осуществляя растровое сканирование, при этом в память записывается 10

изменение напряжения на z-электроде в цепи обратной связи. Компьютер обрабатывает полученные данные и формирует изображение. Рисунок 1.1 – Формирование изображения по методу а) постоянного туннельного тока, б) постоянного среднего расстояния При исследовании атомарно гладких поверхностей более рационально будет использование метода постоянного среднего расстояния. В этом случае зонд подводится на расстояние нескольких ангстрем, затем проводится исследование, при этом изменение туннельного тока регистрируются как СТМ изображение. Сканирование производится либо при отключённой обратной связи, либо при больших скоростях сканирования, когда обратная связь успевает отрабатывать только большие изменения рельефа. Высокое пространственное разрешение определяется, в основном, экспоненциальной зависимостью тока от расстояния до образца. Разрешение в направлении по нормали к образцу достигает долей ангстрем. Латеральное же разрешение определяется качеством кончика зонда и во многом зависит не от радиуса кривизны острия, а от его атомарной структуры. Для достижения наилучшего результата на кончике зонда должен находиться либо одиночный атом, либо небольшой кластер атомов. Поскольку зависимость туннельного 11

тока от расстояния до образца имеет экспоненциальный характер, то в исследованиях участвует. в основном. самый нижний атом, так как ток преимущественно течет между образцом и ближайшим к нему атомом кончика зонда. 1.1.1 Электрохимическое травление При сканировании методом туннельной микроскопии применяются зонды нескольких типов. На раннем этапе развития СТМ были широко распространены зонды, созданные методом электрохимическим травлением. С помощью данной технологии создавались эмиттеры для автоионных микроскопов. Создание зондов для СТМ выглядит следующим образом. Вольфрамовая проволока располагается таким образом, чтобы ее конец проходил сквозь проводящую диафрагму и погружался в раствор KOH. Капля KOH, расположенная в отверстии диафрагмы осуществляет контакт с проволокой. Рисунок 1.2 – Схема создания зондов для СТМ методом электрохимического травления 12

Травление осуществляется посредством пропускания электрического тока между диафрагмой и электродом, расположенным в растворе KOH. Во время травления проволока утоняется до тех пор, пока нижняя часть проволоки не оторвется под своим весом. Из-за того, что ток пропускается через раствор KOH, при отрывании проволоки ток прекращается и травление, соответственно, тоже [2]. 1.1.2 Перерезание ножницами проволоки из PtIr Другая технология создания СТМ зондов основана на перерезании проволоки из PtIr сплава обычными ножницами. Проволока предварительно натягивается на разрыв, затем проводится перерезание под углом 45 градусов. Рисунок 1.3 – Схема технологии формирования острия СТМ зонда методом перерезания проволоки ножницами При перерезании происходит пластическая деформация проволоки в месте разреза и ее обрыв под действием растягивающего усилия. Результатом 13

является проволока с острием, представляющим собой рваный край с многочисленными выступами, один из которых является рабочим элементом СТМ зонда [2]. Основные недостатки этих методов создания являются невозможность применения таких зондов в современных СЗМ системах, включающих в себя различные методы сканирования. Это связано с тем, что в таких микроскопах обычно используются зонды на кантилеверах, а данная технология не позволяет создавать зонды такого типа. Еще один недостаток – невозможность точного контролирования формы и размеров зондового датчика, а также нецелесообразность использования такого датчика для исследований атомносиловой микроскопии (АСМ). Исследования, проведенные в этой области, позволяют увеличивать точность исследований. Например, в работе [3] острие зонда формируется с помощью графена. В этой работе на предварительно нагретую медную проволоку осаждался графен из газовой фазы. Так как в туннельной микроскопии в исследовании учувствует самый нижний атом, то при использовании графена разрешающая способность резко увеличивается. Изображения растровой электронной микроскопии (РЭМ) острия зонда из графена показано на рисунке 1.4. Рисунок 1.4 – РЭМ-изображение тела зонда из графена (слева) и острия (справа) с графеновыми выступами 14

1.2. Атомно-силовая микроскопия АСМ основана на силовом взаимодействии зонда с образцом. В таких исследованиях используются специальные датчики, представляющие собой упругие консоли с острым зондом на конце. Сила, действующая на зонд со стороны образца, изгибает балку датчика, по величине изгиба можно контролировать силу взаимодействия зонда с образцом. Рисунок 1.5 – Схема работы атомно-силового микроскопа Получение изображения при АСМ исследовании связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В АСМ для этих целей используют оптические системы. Рисунок 1.6 – Оптическая система регистрации изгибов упругой консоли 15

Оптическая система настраивается таким образом, чтобы луч лазера фокусировался на конце упругой балки, а отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве фотоприемника применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды. Рисунок 1.7 – Изменение положения пятна лазера от типа изгибных деформаций Зонды для атомно-силовой микроскопии тоже бывают различных форм. Форма зонда подбирается в соответствии с тем, какая поверхность исследуется и какие данные необходимо получить. 1.2.1. Пирамидальные зонды Одним из видов форм АСМ зонда является пирамида из нитрида кремния с квадратным основанием, со стороной 5 мкм. Такие зонды изготавливаются путем осаждения Si3N4 в ямки от дислокаций на поверхности Si (100), затем с помощью литографии стравливается подложка. Полученные зондовые 16

датчики имеют аспектное соотношение около 1:1, а радиус закругления конца зонда в пределах 20÷50 нм [4]. Рисунок 1.8 – Пример пирамидального зонда Несмотря на малый радиус закругления, разрешающая способность исследований таким зондом будет довольно низкой. Из-за пирамидальной формы зонда и аспектного соотношения 1:1, зонд будет неспособен отражать на получаемом изображении резкие перепады высот и правдоподобную форму структур, угол при вершине которых будет менее 60 градусов. Применение таких зондовых датчиков накладывает большие ограничения к исследуемым образцам, а также не позволяет получить правдоподобные изображения топологии структуры. 1.2.2. Зондовые датчики конической формы Чтобы избежать недостатков, перечисленных в предыдущем пункте, применяют зондовые датчики в форме конуса. Изготовление таких зондовых датчиков является сложным технологическим процессом, включающим в себя 17

операции фотолитографии, ионной имплантации, химического и плазменного травления. Рисунок 1.9 – Пример зондового датчика конической формы Одна из технологий изготовления зондового датчика такой формы подразумевает использование пластины кристаллического кремния ориентации (110). На эту пластину наносится фоторезист, затем фоторезист экспонируется через шаблон, и часть фоторезиста удаляется с помощью химического травлении. Далее проводится имплантация ионов бора на глубину порядка 10 мкм в местах, не защищенных резистом. На следующем этапе фоторезист смывается, а подложка подвергается отжигу, вследствие чего атомы бора встраиваются в кристаллическую решетку кремния. Область, легированная бором, выступает в роли стоп-слоя, который останавливает процесс травления для некоторых селективных травителей. Затем с обратной стороны проводится фотолитография, результатом которой является слой фоторезиста точно над областью, легированной бором. Далее пластина покрывается тонким слоем Si3N4, а потом проводится взрывная литография, в процессе которой фоторезист набухает и срывает вместе с собой расположенную непосредственно над ним тонкую пленку Si3N4. Пластина кремния протравливается насквозь до стоп-слоя, с которым не взаимодействует травитель. Потом Si3N4 смывается, а с обратной стороны 18

пластины методом фотолитографии формируются островки с фоторезистом над областью, легированной бором. Затем проводится травление кремния и под островками фоторезиста остаются столбики из кремния. Далее с помощью плазменного травления из столбиков формируются иглы. Рисунок 1.10 – Схема процесса изготовления конусообразных зондов В результате получаются зонды конической формы, с радиусом у основания 3÷6 мкм и высотой 10÷30 мкм, соотношение сторон при этом составляет 3÷5:1. Радиус закругления составляет примерно 10÷20 мкм. В результате этих технологических операций формируются сразу несколько зондовых датчиков. Для проведения электрических измерений на зонд наносится проводящая пленка из различных материалов (Au, Pt, Cr, W, Mo, Ti, W2C и др.). При измерении особо узких углублений применяются специальные высокоаспектные зонды, имеющие название вискерные или супертип. Такие 19

зонды имеют очень острый кончик и высокое аспектное соотношение, которое позволяет проникать в узкие углубления. В то время как обычные зонды не могут измерить дно и почти вертикальные боковые стенки. Типичные размеры составляют: длина 1.5÷2 мкм, отношение сторон > 10:1, и радиус кончика 10 нм [4]. Рисунок 1.11 – Пример высокоаспектного суперзонда Недостатками такого метода являются высокая сложность и стоимость изготовления одного зонда. Также, если брать обычный зонд в форме конуса, то возникает сложность сканирования дна узких щелей, а также боковых стенок с углом наклона меньше, чем самого зонда, применение для таких целей высокоаспектного зонда не всегда является рациональным вследствие очень высокой стоимости. В целом такая технология ограничивает параметры получаемых зондов, так как не позволяет варьировать их в широком диапазоне. По данной теме ведутся активные исследования, например в работе [5] сравнивались методики жидкостного, плазмохимического травления и их комбинации. При использовании только жидкостного травления высота полученных структур получилась небольшая (до 3,7 мкм), а угол при вершине зонда и 20

радиус его закругления имели значение 70˚ и 20-30 нм соответственно. Применение плазмохимического травления дало лучшее значение высоты (порядка 8 мкм), но качество поверхности ухудшилось, возникала повышенная шероховатость. Использование обоих методов позволило получить структуры с требуемыми параметрами: высота не менее 15 мкм, угол при вершине 10-15˚, радиус закругления 10-15 нм. Эти параметры соответствуют лучшим зарубежным аналогам. РЭМ-изображение таких зондов приведено на рисунке 1.12. Рисунок 1.12 – Зонды, сформированные сочетанием плазмохимического и жидкостного анизотропного травления 1.3. Ближнепольная оптическая микроскопия Метод сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (СБОМ) призван преодолеть основные ограничения оптической микроскопии, в частности, решить проблему дифракционного предела. Дифракционный 21

предел – это минимальный размер объекта, изображение которого может быть построено оптической системой при использовании света с определенной длинной волны. Согласно формуле: 𝑅≈ 𝜆 (1.1) 2𝑛 где n-показатель преломления среды, основных пути уменьшения минимального размера видимых объектов два: уменьшение длинны волны света, которым исследуется образец, либо увеличение показателя преломления среды, в которой он исследуется. Для оптического диапазона длин волн предельный размер составляет величину порядка 200÷300 нм. Однако, в СБОМ используются другие принципы построения изображения, позволяющие преодолеть основные трудности, связанные с дифракцией света и получать изображения с разрешением 10 нм и лучше. В основе работы СБОМ лежит использование эффекта прохождения света через субволновые диафрагмы (размер отверстий, в которых много меньше длинны волны падающего излучения). Рисунок 1.13 – Явление прохождения света через субволновые диафрагмы При прохождении света через субволновую диафрагму, наблюдается ряд особенностей. На расстоянии до 100 Å находится ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует, в основном, виде эванесцентных (не распространяющихся) мод, локализованных вблизи поверхности диафрагмы. На расстоянии больше 100 Å наблюдаются лишь излучательные моды. При 22

использовании диафрагмы с отверстием 5 нм, мощность излучения с длинной волны порядка 500 нм в дальней зоне составляет по порядку величин 10 -10 от мощности падающего излучения. Однако, если образец находится в ближней зоне, то вследствие взаимодействия эванесцентных мод с образцом часть энергии электромагнитного поля переходит в излучательные моды, интенсивность которых может быть зарегистрирована оптическим фотоприемником [6]. Таким образом, изображение в СБОМ формируется с помощью сканирования образца диафрагмой с субволновым отверстием. Компьютером регистрируются распределения интенсивности оптического излучения в зависимости от положения диафрагмы. Контраст на СБОМ изображениях определяется процессами отражения, преломления, поглощения и рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят от локальных оптических свойств образца. 1.3.1. СБОМ зонды на основе оптического волокна На сегодняшний день существует несколько реализаций ближнепольного оптического микроскопа. Одна из которых – использование СБОМ с зондами на основе оптического волокна, представляющего собой аксиальносимметричный оптический волновод из материалов с отличающимися показателями преломления. Рисунок 1.14 – Строение оптического волокна 23

Оптическое волокно состоит из сердцевины и оболочки, изготавливаемых из особого кварцевого стекла, сверху оно покрыто защитным слоем. Для получения нужного эффекта материал сердцевины имеет больший показатель преломления, чем оболочки, этого добиваются путем добавления легирующих добавок, поэтому на практике они отличаются на величины порядка 1%. Такая система за счет полного внутреннего отражения позволяет локализовать излучение в области сердцевины и практически без потерь транспортировать сигнал на большие расстояния. СБОМ зонды изготавливаются следующим образом. Конец оптического волокна очищается от защитной оболочки и погружается в раствор травителя кварца (смеси HF, NH4F, H2O) и жидкости с меньшей плотностью, например, толуола. Последний, за счет того, что располагается поверх травителя, служит для формирования мениска смачивания на границе толуол-травитель-волокно. В результате в процессе травления на конце волокна происходит формирование конусообразного острия с радиусом закругления менее 100 нм. Затем, методом вакуумного напыления, под углом 30 градусов к оси волокна, кончик зонда покрывается тонким слоем метала. На кончике острия остается незапыленный участок малой апертуры, который и является ближнепольным источником излучения. Оптимальный угол при вершине зондов составляет порядка 20º. Рисунок 1.15 – Схема процесса изготовления СБОМ зонда на основе оптического волокна: а) химическое травление волокна; б) вид кончика волокна после травления; в) напыление тонкой пленки металла. 24

Также СБОМ зонды из оптического волокна можно изготавливать с помощью вытяжки при его лазерном нагреве. Для того, чтобы получить зондовые датчики с заданными характеристиками и при этом сохранить высокую воспроизводимость результатов, необходимо знать физику процесса. При нагреве используется газовый лазер на CO2 с длинной волны излучения 10.6 мкм. На этой длине волны реализуется фундаментальное поглощение в кварце, из которого состоит оптоволокно. На следующем этапе оптоволокно вытягивается в нужную форму. Сложность состоит в том, что от малейшего изменения температуры во время процесса происходят изменения геометрических характеристик формируемого зонда. Также, его форма сильно зависит от симметричности источника тепла, сформированного на поверхности вследствие поглощения лазерного излучения. Поэтому для реализации такого метода и получения приемлемых результатов необходима сложная система фокусировки, способная создать равномерную кольцевую засветку локального участка волокна. Методы создания СБОМ зондов из оптоволокна имеют существенные недостатки. Во-первых, из-за малого теплоотвода, в системах, использующих такие зондовые датчики, нельзя использовать большую мощность излучения. Во-вторых, данный метод не позволяет изменять форму конца зонда в большом диапазоне, что делает невозможным достижения оптимальной формы острия. В случае с вытягиванием из оптического волокна при его нагреве имеется возможность подстройка параметров зондового датчика, однако для эффективного управления параметрами формирования зонда необходимо создание сложной системы фокусировки, что увеличивает стоимость производства. В-третьих, зонды, созданные таким методом, обладают низкой воспроизводимостью результатов [6]. Другой вариант зонда СБОМ, используемый в настоящее время, изготавливается на основе кремниевого кантилевера для АСМ. Методом анизотропного травления на поверхности кантилевера вытравливается острая 25

пирамида (с углом 56 градусов на острие), которая затем покрывается тонким слоем металла методом углового напыления, оставляя малую апертуру на острие, после чего кремний из-под металла удаляется. При работе микроскопа излучение с помощью оптической системы фокусируется на апертуру [6]. Рисунок 1.16 – Схема СБОМ зонда на основе кремниевого кантилевера Преимуществом такого зонда, по сравнению с зондами из оптоволокна, можно назвать возможность использования большей мощности излучения за счет увеличенного теплоотвода. К недостаткам можно отнести отсутствие плавной локализации излучения в нем, что приводит к уменьшению коэффициента прохождения оптического излучения. Кроме того, необходима точная фокусировка оптического излучения на апертуру, что усложняет работу с ним. В настоящее время ведутся разработки по усовершенствованию зондовых датчиков. Например, в работе [7] используют новый метод серийного изготовления массива кантилеверов с зондами для СБОМ. В данной работе используется чип с 16 балками. Сочетанием методов электронно-лучевой литографии и сухого травления формируются зондовые датчики. Процесс формирования таких зондов схематически показан на рисунке 1.17. 26

Рисунок 1.17 – Схема процесса формирования зондов для СБОМ 1.4. Заключение Применяемые на сегодняшний день методы создания зондовых датчиков для различных областей СЗМ исследований обладают рядом существенных недостатков: низкая воспроизводимость результатов, необходимость наличия дорогого и сложного специального оборудования для формирования зондовых датчиков, ограниченность параметров получаемых зондов, высокая стоимость продукции. Метод фокусированного ионного пучка призван преодолеть основные недостатки традиционных методов создания зондовых датчиков. Использование ионного луча диаметром около 7 нм и эффективных алгоритмов управления его перемещением позволяют формировать острия зондов любой формы с точностью до 10 нм. А подбирая технологические газы27

источники осаждаемого материала, режимы ионного воздействия и траектории сканирования ионного пучка можно создать эффективный инструмент, позволяющий создавать зонды с улучшенными параметрами на базе чипов стандартных зондов со сломанными или сильно изношенными остриями. Эта технология позволяет создавать зонды со строго заданной геометрией, позволяющие повысить точность исследований. Рисунок 1.18 – Возможности фокусированного ионного пучка Так как в нашей стране не производятся зондовые датчики, то покупка специального дорогого оборудования нецелесообразна, поскольку есть налаженная продажа зондов из-за рубежа. Однако, данная технология позволяет использовать оборудование, довольно распространенное в России, чтобы формировать зондовые датчики как для своих исследований, так и для продажи. 28

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА ФОКУСИРОВАННЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ При создании зондовых датчиков очень часто используется ионно- стимулированное осаждение, однако оно отличается от ионно-лучевого травления только подачей газа, содержащего осаждаемый материал. Поэтому следующие исследования также справедливы и для процессов осаждения материала из газовой фазы. В основе метода фокусированных ионных пучков (ФИП) лежат фундаментальные процессы взаимодействия потока ускоренных ионов с образцом [8-10]. На рисунке 2.1 отражены эффекты, сопровождающие бомбардировку поверхности ионами. Травление методом ФИП представляет собой распыление мишени. При бомбардировке поверхности заряженными ионами происходит серия упругих столкновений, в результате которой импульс падающего иона передается атомам подложки. При получении атомом подложки кинетической энергии, превышающей его энергию связи с подложкой, он может быть испущен поверхностью или распылен. Те эмитированные атомы, которые ионизируются, могут использоваться для формирования изображения поверхности. При неупругом взаимодействии иона и подложки образуются фононы и эмиссия вторичных электронов, вносящие основной вклад в формирование изображения поверхности. 29

Рисунок 2.1 – Взаимодействие ускоренного иона с подложкой Результатом взаимодействия иона с подложкой является передача кинетической энергии ускоренного иона образцу. Если ион не рассеивается поверхностью, то он имплантируется в нее на некоторую глубину, что приводит образованию дефектов и частичной разупорядоченности структуры образца [9]. Качество ионно-лучевого травления и ионно-стимулированного осаждения материала из газовой фазы напрямую зависит от взаимодействия внедренного атома с подложкой. Таким образом, понимание основ взаимодействия потока ионов с подложкой позволяет существенно повысить возможность получения оптимальных результатов, используя ФИП. 2.1. Торможение ионов в твердом теле Движение ионов в твердом теле сопровождается столкновениями с частицами среды, что приводит к торможению и изменению направления движения ионов, а также вызывает смещения атомов кристалла из узлов 30

решетки, распыление мишени и излучение вторичных частиц и квантов [11]. Существует несколько механизмов рассеяния ионов: -рассеяние на ядрах или упругие столкновения является основным при низких скоростях ионов. При упругих столкновениях с атомами вещества, частица передает им свою энергию, это вызывает образование атомов отдачи, т. е. смещенных из равновесного положения; -рассеивание энергии на ионизацию и возбуждение электронов тормозящей среды преобладает для быстрых ионов. Также называют электронными или неупругими потерями энергии. -генерация фотонов оказывает существенное влияние только на релятивистских скоростях. -ядерные реакции при близких ионно-атомных столкновениях возникают только при определенных комбинациях ион – атом и энергиях частиц. Так как метод ФИП использует ионы с энергией 1-30 кэВ, то учитываются только первые два механизма рассеяния. При построении математических моделей наиболее часто используется приближение, согласно которому ядерные и электронные потери энергии некоррелированы и, следовательно, могут рассматриваться отдельно и независимо. При упругих соударениях суммарная кинетическая энергия частиц не изменяется, а изменяется только направление их движения. В результате неупругого соударения определенное количество кинетической энергии тратится в процессах электронных переходов, причем таких процессов возможно несколько: возбуждение и ионизация атомов, при обмене электронами во взаимодействующих атомах. Также считается, что при неупругом столкновении направление движения иона не меняется. При описании рассеивание частиц с энергией Е используют понятия потерь энергии ∆Е на пути ∆х к мишени; ρ, N – массовая и атомная плотности тормозящего вещества (N = No·ρ/М2, где No – число Авогадро; М2 – массовый номер для атомов мишени). Потери энергии можно выразить как [10]: 31

𝑆𝑒,𝑛 = − 𝑑𝐸 1 𝑑𝑥 𝑁 ((эВ ∙ см2 )/атом, эВ ∙ см2 ) (2.1) Чаще всего используется величина тормозной способности вещества dE/dx (удельные потери энергии на единицу пути) или сечение торможения S = (1/N)·(-dE/dx), которое зависит только от ионно-атомного базиса и не зависит от плотности и других характеристик материала. Пробеги ионов в твердом теле 2.2. При выполнении технологических операций с помощью ФИП основными механизмами рассеивания являются ядерное и электронное рассеивание. Ядерное торможение происходит во время упругих столкновений, при передаче энергии от иона подложке, такие потери являются дискретными. Электронное торможение – следствие неупругих столкновений, когда ион передает энергию электронам атомов образца. При распылении методом ФИП преобладают энергии, соответствующие ядерным потерям. При описании движения иона в твердом теле используют такие понятия, как пробег (R), проективный пробег (Rp), глубина проникновения иона (Xs), поперечный проективный пробег (Rpt), боковое распределение (Rs), радиальный пробег (Rr) и отклонение проективного пробега (∆Rp). Поведение одного иона может быть приближено к ионному пучку с учетом взаимодействия ионов друг с другом. Рассмотрим механизм внедрения одного иона. Пробег (R) можно описать как интегральное расстояние, которое проходит ион при движении в твердом теле, обратно пропорциональное тормозной способности подложки [9]. Сечение торможения S(E) находится из выражения 2.1 и представляет собой величину потерь энергии на центре расстояния. 0 𝑅 = ∫𝐸 𝑑𝐸 0 𝑑𝐸/𝑑𝑥 0 = ∫𝐸 𝑑𝐸 (2.2) 0 𝑁𝑆(𝐸) Следовательно, пробег можно определить как длину пути единичного иона в подложке (рисунок 2.2). 32

Рисунок 2.2 – Схема траектории иона в твердом теле Проанализировав рисунок 2.2, можно сказать, что величина R отлична от продольного проективного пробега одного иона (Rp). Rp же представляет собой проекцию пробега на вектор траектории падающего иона. Рисунок 2.2 является общим случаем внедрения иона в поверхность под произвольным углом. При падении пучка под прямым углом к поверхности величина Rp приравнивается к глубине внедрения (Xs), измеряемой перпендикулярно плоскости поверхности. Величина Rp, являющаяся статистической, используется при описании группы ионов и довольно часто применяется при описании глубины ионной имплантации. Также эта величина, применяемая для группы ионов в материале образца, приближенно определяется как расстояние вдоль траектории падающего иона с наибольшей концентрацией имплантированных ионов. Следует отметить, что статистическая величина Xs как нельзя лучше подходит для описания процесса имплантации в боковые стенки (такое происходит при подготовке образца методом ФИП для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ)) [9]. Некоторые параметры, имеющие ценность при описании движения иона в подложке для трехмерного случая, применяя к одиночной ускоренной 33

частице, попадающей на поверхность в точке (0,0,0) и останавливающихся при (xs,ys,zs) схематически показан на рисунке 2.3: Рисунок 2.3 - Путь иона в твердотельной подложке под углом θ к нормали поверхности для трехмерного случая где R – величина пробега (аналогично двумерному случаю); Rp – проективный пробег единичного иона; Xs – проективный пробег, измеренный вдоль вектора нормали к поверхности, как показано на рисунке 2.3; Rr – радиальный пробег, который определяется как расстояние от (0,0,0) до (xs,ys,zs); Rs – боковое распределение, которое определяется как расстояние между (0,0,0) и проекцией Rr на плоскость поверхности (на рисунке 2.3 обозначен как yz); Rpt – поперечный проективный пробег, который является вектором, связывающим Rr и Rp. Определение выше представлено для единичного иона, однако для осуществления процесса ионно-лучевого травления необходимо воздействие большого количества ионов. Торможение заряженных частиц с энергиями, относящимися к операциям, осуществляемым методом ФИП, является случайным процессом, а распределение их пробегов относительно других 34

многочисленных вероятности, ионов которая имеет статистическую служит для описания природу. Функция распределения глубины имплантации в первом приближении с относительно малыми концентрациями имплантированных ионов (несколько атомных процентов и менее), представляет собой гауссовое распределение с условием отсутствия эффектов ионного каналирования. Средним значением распределения является Проективный пробег Rp представляет собой среднее значение распределения, а отклонение проективного пробега ∆Rp является среднеквадратичным отклонением. При нормальном гауссовом распределении пробегов имплантированных ионов наибольшее число ионов будет находиться в области Rp, а ∆Rp примерно Rp/2,35 [9]. Следует учитывать, что при наличии эффектов кристаллографической ориентации или высоких дозах имплантации, распределение пробегов имеет тенденцию отклоняться от гауссова профиля. Эффект ионного каналирования приводит к асимметричности распределения пробегов из-за того, что каналирующие ионы проникают на глубины, в несколько раз превышающие величину Rp [9]. 2.3. Основные подходы к описанию торможения ионов в подложке Теория Линдхарда, Шарффа и Шиотта (ЛШШ) – одна из наиболее разработанных теорий, которая описывает физические принципы торможения ускоренных ионов в твердом теле. Рассеивание ионов во время столкновений с ядрами рассмотрим, как ряд, независимых друг от друга, упругих столкновений двух частиц. Наибольшую возможную энергию, переданную при лобовом столкновении двух частиц, можно найти по формуле: 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 4 𝑀1 𝑀2 (𝑀1 +𝑀2 ) 𝐸, (2.3) где М1 и М2 –масса иона и мишени соответственно; Е – энергия налетающей частицы. 35

Удельное рассеивание иона с энергией E (тормозная способность) прямо пропорционально атомной плотности и суммарной потере энергии в отдельных столкновениях: 1 𝑇 𝑑𝐸 𝑆𝑛 (𝐸) = − ( ) = ∫0 𝑚𝑎𝑥 𝑇𝑛 𝑑𝜎, 𝑁 𝑑𝑥 (2.4) 𝑛 где dσ – дифференциальное сечение столкновения; N – атомная плотность мишени (в кремнии N = 5 x1022 см-3); Тn - переданная энергия. Переданная энергия во время столкновения твердых сфер находится по формуле: 𝑇𝑛 = 𝑇𝑚𝑎𝑥 sin2 𝜑/2, (2.5) где φ – угол рассеяния в системе центра масс, вычисляется с помощью известного межатомного потенциала. Более простым методом было бы использование аналитических приближений для межатомного потенциала, например, потенциалы Кулона, Бора или Борна-Майера. Однако для обеспечения достаточной точности описаний ионных столкновений в широком интервале прицельных параметров необходимо использовать численные методы. В теории используется приближенная аналитическая форма потенциала Томаса-Ферми. Согласно теории, электронное торможение вычисляется в приближении свободного электронного газа. В таком случае эффективность торможения пропорциональна скорости ионов, а значит квадратному корню из энергии: 1 𝑑𝐸 𝑆𝑒 (𝐸) = − ( ) = 𝑘𝐸1/2 , 𝑁 𝑑𝑥 (2.6) 𝑒 Величина k является константой и зависит от атомных номеров и масс налетающего иона и мишени. Ее значение моно найти из выражения: 𝑘 = 𝜀𝑒 𝑎3/2 𝑞𝑍1 𝑍2 𝑁2 2/3 (𝑍1 2/3 3/4 3/2 ) 𝐴1 +𝑍2 , (2.7) где a – параметр экранирования (порядка радиуса Бора); εe – безразмерная постоянная, значение которой имеет порядок Z11/6 (индекс 1 – ион пучка, индекс 2 – атомы мишени). 36

Данное уравнение справедливо для скоростей ионов, удовлетворяющим неравенству: 2/3 𝜈 ≤ 𝑍1 𝑞 2 /ℎ. (2.8) При больших энергиях увеличивается ширина максимума зависимости Se от энергии, которая затем спадает в соответствии с классическим уравнением Бете-Блоха. На ровне с теорией ЛШШ широкое распространение получила теория Бирсака. В данной теории процесс замедления имплантируемых ионов описывается диффузионной моделью, в которой вычисляется средний направляющий косинус ионной траектории во время процесса замедления. Вследствие того, что после каждого столкновения ионы изменяют свое направление, в среднем, они все больше и больше отклоняются от первоначального направления. Потери энергии ядерных столкновений, при которых импульс передается атомам мишени, связаны с углами отклонения иона. Направление движения иона описывается полярным и азимутальным углом на единичной сфере. Поскольку направление движения после каждого столкновения изменяется случайно, то стохастическое движение на единичной сфере определяется диффузионным процессом, аналогичным броуновскому движению [10]. 2.4. Распределения пробегов Самый важный параметр, который необходим при теоретическом описании процессов взаимодействия фокусированных ионных пучков с твердым телом – это распределение пробегов ионов в мишени. Большое количество технологических параметров метода ФИП непосредственно зависит от глубины проникновения ионов в подложку и бокового распределения внедренных ионов. 37

В классической теории Линдхарда, Шарффа и Шиотта [8] и диффузионном приближении для описания профилей имплантированных примесей используют гауссовские распределения. Однако многочисленные эксперименты доказывают, что реальные профили асимметричны не только в кристаллических полупроводниках. подтверждаются численными Результаты расчетами этих экспериментов методом Монте-Карло. Перечисленные выше теории можно обобщить с целью вычисления моментов распределения пробегов более высоких порядков. На практике имплантация всегда проводится в образцы, расположенные под углом к пучку, поэтому описание мишеней как аморфных тел является достаточным. Эффекты каналирования могут быть промоделированы простой подгонкой параметров распределений. 2.5. Основные физические эффекты взаимодействия ФИП с подложкой При разработке и реализации технологических процессов необходимо учитывать множество эффектов, которые возникают при взаимодействии ионного пучка с подложкой. Наиболее важными среди них являются эффект ионной имплантации, эффект распыления подложки ионным пучком и эффект аморфизации поверхности кристаллических тел под действием ФИП. Для определения оптимальных параметров технологического процесса необходима оценка и расчет этих параметров. 2.5.1. Имплантация ионов При обработке поверхности методом ФИП в обязательном порядке будет присутствовать эффект имплантации ионов. Он может использоваться при сверхпрецизионной одноионной имплантации, аморфизация поверхности для формирования различных микро- и наноструктур. Однако этот эффект также 38

вызывает генерацию дефектов в полупроводниках. В обоих случаях важно иметь представление о глубине имплантации при операциях ФИП, а значит нужен расчет профилей имплантированных ионов в образец. В рамках данной работы были использованы результаты работы, в которой профили имплантации ионов галлия в кремниевую подложку рассчитывались согласно теории Линдхарда, Шарффа и Шиотта с предположением о том, что ионы подчиняются гауссовскому распределению. На рисунке 2.4 приведен профиль распределения ионов галлия с энергиями 5, 10, 20 и 30 кэВ при имплантации в кремниевую подложку. Предполагалось, что пучок падает на подложку под углом 90 градусов. Исследования проводились при токе пучка 10 пА и времени воздействия в точке 0,1 сек. Рисунок 2.4 - Профили распределения концентрации ионов Анализ полученных данных позволяет понять, что глубина проникновения ионов в подложку растет с увеличением энергии падающих ионов. Также было обнаружено, что при имплантации иона с максимальной энергией 30 кэВ и заданными значениями ионного тока и времени 39

воздействия, он проникает на глубину порядка 45 нм. А ионы с минимальной энергией 5 кэВ проникают в кремний на глубину порядка 15 нм. Данный расчет позволяет провести оценку объема разупорядоченного слоя, изменения электрических характеристик материала после облучения и выбор необходимой энергии пучка основываясь на требованиях разработанного технологического процесса. 2.5.2. Распыление подложек фокусированным ионным пучком Такой физико-технологический параметр, как распыление материала, определяет возможность применения метода ФИП для травления различных материалов [12]. Эффективность ионно-лучевого травления определяется коэффициентом распыления (S*). Он определяется средним числом атомов, удаляемых с поверхности твердого тела одной падающей частицей. 𝑆∗ = число удаленных атомов (2.9) число падающих ионов При высоком коэффициенте распыления (S*>2) скорость травления материала тоже становится высокой. А при значении коэффициента распыления меньше единицы происходит осаждение ионов на подложку. Процессом распыления называется выход близкого к поверхности атома твердого тела в окружающую среду под действием энергии, полученной от иона. Это одна из причин образования дефектов в приповерхностном слое при ионной имплантации. Во время облучения твердого тела атом среды получает определенную энергию за счет упругих столкновений с ионом. Атом начинает сталкиваться с другими атомами, образуя каскад ядерных столкновений. Данный механизм является самым универсальным, а при соответствующих энергиях применим к изучению бомбардировки всех твердых тел ионами. Как правило, на распыление мишени идет только малая часть энергии иона, остальная же расходуется на излучение теплоты и образование объемных 40

радиационных нарушений, например разупорядочений, ионизации, а также вторичных излучений. По плотности каскада столкновений процессы распыления делятся на три типа: простое выбивание атомов; режим линейного каскада; режим пика смещений. Для первого типа характерна передача энергии бомбардирующего иона атомам мишени, которые после некоторого количества столкновений смогут выйти через поверхность. В случае, если столкновение атома и иона приводит к образованию первичного атома отдачи, энергии которого достаточно для образования атомов отдачи высших порядков, а количество атомов отдачи в каскаде так мало, что можно пренебречь столкновениями между ними, то формируется каскад, называемый линейным. Согласно теории каскадных столкновений для плоского коэффициент распыления потенциального пропорционален барьера поверхности поверхностной энергии, запасенной в упругих столкновениях: 𝑆∗ = ∆𝑥𝐹𝑑 (𝑥=0,𝐸,𝜂) 𝜋2 𝑈0 , (2.10) где ∆х – глубина, на которой переданная от иона энергия на упругие столкновения вносит вклад в S*; Fd (x, E, η) – функция пространственного распределения энергии, выделенной в упругих столкновениях: +∞ ∫−∞ 𝐹𝑑 (𝑥, 𝐸, 𝜂) = 𝜈(𝐸); (2.11) η = cosθ1; θ1 – угол наклона пучка ионов относительно нормали к поверхности; U0 – энергия связи поверхностных атомов; х = 0 определяет положение поверхности мишени. Величина ∆х означает средний пробег атома отдачи. При облучении тяжелыми ионами с высокой тормозной способностью мишени, которая состоит из атомов с большим атомным номером, вдоль трека иона образуется большое число первичных атомов отдачи. Вследствие их высокой тормозной способности энергия распределяется в небольшом слое, 41

часть атомов которого приходит в движение. Эту область принято называть пиком или пиковым каскадом. Режим простого или первичного выбивания атомов характерен для значений энергий порядка единиц и десятков электронвольт, однако очень легкие ионы могут иметь энергию порядка нескольких килоэлектронвольт. Для образования линейных каскадов необходима энергия от единиц килоэлектронвольт до мегаэлектронвольт, не считая самых тяжелых ионов, которым присуще образование пиков. На практике самыми важными характеристиками распыления являются зависимости коэффициента распыления S* от энергии бомбардирующих ионов Е и угла падения ионов θ. Выведенная в 1969 году Зигмундом формула позволяет определить S* для случая перпендикулярного облучения мишени и линейного каскада: 𝑆 ∗ = 0.042 𝛼(𝑀2 /𝑀1 )𝑆𝑛(𝐸) 𝑈0 , (2.12) где α – коэффициент, который определяется отношением масс падающего иона М1 и атома мишени M2 (рисунок 2.5); Sn(Е) –сечение упругого торможения; Uо = 7,83 эВ для кремния, 7,63 эВ для германия. Рисунок 2.5 – зависимость параметра α от отношения масс M2 и M1 Для металлов величина Uо обычно близка к Uc (энергия сублимации атомов), однако немного выше, а для полупроводников значительно выше. Для различных тяжелых ионов, бомбардирующих кремний, максимум кривой 42

S*(Е) лежит в пределах 30 – 300 кэВ (рисунок 2.6), а для легких ионов 0,2 – 10 кэВ. Рисунок 2.6 – Зависимость коэффициента распыления от энергии ионов Эта формула позволяет получить значения S*(E), которые значительно отличаются от экспериментальных с распылением легкими ионами (Z1≤2), либо с низкоэнергетическими ионными пучками. При облучении легкими ионами, образуется недостаточно крупных каскадов, и существенными становятся неупругие потери энергии. В такой ситуации используется формула Рота и других: 1 7/2 𝑆 ∗ = 6.4 ∙ 10−3 𝑀2𝛾5/3 (𝐸)1/4 (1 − ) 𝐸 , (2.13) где γ = 4М1М2/(М1+М2)2; Е' = Е/Еп, E – энергия иона; Еп – пороговая энергия распыления; Еп/Uc = 1,9 + 3,8(М2/М1)-1 + 0,134(М2/М1)1,24. Данная формула справедлива только при условии М1/М2 ≤ 0,4 и для 1< Е'<20. Для кремния Еп = 17,5 эВ. Направление пучка ионов относительно кристаллографической ориентации мишени определяет эффективность распыления монокристалла. С помочью теории каналирования можно проанализировать результаты. Как 43

правило, для монокристаллов коэффициент распыления меньше, чем для аморфных или поликристаллических мишеней. Эффекты, связанные с ориентацией, оказывают довольно сильное влияние также и на распыление поликристаллических мишеней, независимо от текстуры. Это связано с тем, что коэффициент распыления поликристалла есть ни что иное, как средняя величина коэффициентов для кристаллитов с различной ориентацией. Коэффициенты распыления аморфных мишеней могут отличаться от поликристаллических на десятки процентов. При температурах, далеких от точки плавления, ее влиянием на распыление мишени можно пренебречь. Если приблизить температуру к точке плавления, то мы будем наблюдать резкий рост коэффициента распыления. Это можно объяснить тем, что, согласно теории пика, температура мишени – это тот уровень, относительно которого определяется его температура. Полупроводники и металлы по-разному реагируют на температуру: для первых зависимость сильная, и влияние отжига дефектов является доминирующим, для металлов же зависимость слабая и при с увеличением температуры изменяется влияние кристаллической решетки на испускание атомов (возрастание амплитуде тепловых колебаний влияет на такие ориентационные эффекты, как каналирование и фокусировка атомных столкновений). Расчет зависимости коэффициента распыления от энергии ионов, при использования кремниевой подложки, ускоренных ионов галлия и условии падения пучка под углом 90 градусов к поверхности позволил построить график, который представлен на рисунке 2.7. Рассматривался диапазон энергий, сопоставимый с энергетическим диапазоном работы установок фокусированных ионных пучков, то есть от 2 до 30 кэВ. 44

Рисунок 2.7 – Рассчитанная зависимость коэффициента распыления от энергии ионов Проанализировав полученную зависимость, можно сказать, что эти данные коррелируют с теоретическими [13]. Самый резкий рост коэффициента распыления находится в пределах от 5 до 20 кэВ, затем рост уменьшается и график переходит в область, близкую к насыщению. При разработке технологических процессов травления с использованием метода ФИП, важно иметь расчеты коэффициентов распыления, они позволяют оценить скорость распыления и грамотно выбрать режимы для наиболее эффективного травления структур. 2.5.3. Аморфизация подложки под действием ФИП Процессы каскадных атомных смещений в полупроводниковых кристаллах приводят к образованию протяженных разупорядоченных областей (РО), то есть дефектов. При облучении РО электронами с большой энергией возникают высокоэнергетические атомы отдачи; в случае ионной 45

имплантации сами налетающие ионы участвуют в этих процессах. При описании технологии ФИП большое внимание привлекают аспекты, определяющие аморфизацию поверхности при облучении потоком ионов [14]. Для технологии ФИП принципиальное значение имеют эффекты аморфизации подложки в РО, созданные атомами отдачи а материале. В определенных условиях имплантированные ионы создают разветвленные каскады, аналогичное поведение имеют атомы отдачи с достаточно большой энергией. Характерна данная ситуация для средней массы ионов и атомов отдачи, которые облучаются электронами и быстрыми ионами. Вследствие этого РО формируются не только на месте центрального каскада, но и субкаскадов [10]. На практике, во время ионной имплантации с использованием ионов с энергией более 10 кэВ возникает каскадный процесс дефектообразования, в той или иной степени. С увеличением дозы эффективность создания РО в имплантированных слоях больше начинает зависеть от характера и степени разупорядочения, которое вносится одним ионом. Исследования аморфизации под действием потока ионов и полученные результаты приводят к следующим выводам. При имплантации низких доз легких ионов и ионов средних масс начинают появляться простые точечные дефекты вакансионного и междоузельного типов. Повышение дозы приводит к росту концентрации точечных дефектов, при достижении некоторого максимального значения она начинает падать. Исследования с помощью электронного микроскопа позволяют обнаружить области сильного контраста, размеры которого составляют несколько нанометров. Во время имплантации легких ионов они лучше проявляются, а поверхностная плотность их на порядки меньше дозы. Области ионов средней массы обнаруживаются труднее. Обобщая приведенные результаты, можно сделать вывод, что некоторые РО, созданные при имплантации легких и средних масс ионов, аморфными не являются. Аморфизация области происходит только, если несколько РО 46

перекрываются. Вследствие этого накопление аморфной фазы вплоть до образования сплошного аморфного слоя имеет характер, более быстрый, чем линейный. Имплантация легких ионов отличается тем, что для образования поверхностного аморфного слоя не всегда необходима доза, требуемая для создания сплошного аморфного слоя в области максимума упругих потерь энергии. Также, если подобрать условия, то можно добиться образования максимума дефектов на поверхности и с помощью имплантации ионов средних масс. Можно предположить, что в этих эффектах также играет роль неидеальность поверхности, которая обуславливается наличием пленки оксида. Явления, возникающие при имплантации тяжелых ионов имеют более простой характер. При обычных условиях, связанные с простыми точечными дефектами парамагнитные центры не обнаруживаются. После отжига, либо вследствие вторичных процессов образуются самые крупные вакансионные комплексы, так называемые пентавакансии. В ядрах РО, которые были образованы атомами отдачи и отделены от центрального каскада, где формируются аморфные области, находятся дивакансии, которые ответственны за полосу инфракрасного поглощения 1,8 мкм. Степень интегрального разупорядочения зависит от дозы согласно линейному закону до сплошной аморфизации. Модель Гиббонса является самой популярной для теоретического описания кинетики процесса аморфизации. Последовательное рассмотрение случаев аморфизации отдельными ионами и при перекрытии двух и более РО показало, что кинетика процесса аморфизации в общем случае может быть описана уравнением: 𝑗−1 (𝐴𝑖 𝐷)𝑘 ), 𝑘! 𝐴𝐴 = 𝐴0 (1 − exp(−𝐴𝑖𝐷) ∑0 (2.14) где АА – вся площадь, подвергнутая аморфизации; Aо – вся бомбардированная площадь; Ai – площадь поперечного сечения РО; D – доза 47

имплантации; j – необходимое количество взаимно перекрывающихся РО для образования аморфной области. В данной модели считается, что РО представляет из себя круговой цилиндр определенной длинны и площади. В реальности, вследствие каскадного процесса образования дефектов, РО не может быть однородной [9]. Несмотря на то, что неоднородность вдоль трека не критична для данной модели, тем более если измеряемая в эксперименте характеристика разупорядочения относится к области максимума упругих столкновений, неоднородность в поперечной плоскости все же оказывает сильное влияние на кинетику процесса. При накоплении отдельных аморфных областей фиксированного сечения, возрастание аморфизации с повышением дозы подчинялось бы экспоненциальному закону, однако это возможно только в случае, если плотность энергии в поперечном сечении была бы однородна и достаточна для аморфизации области ее выделения (Рисунок 2.8). На практике же при бомбардировке тяжелыми ионами, накопление аморфной фазы с дозой имеет практически линейный характер вплоть до насыщения. Это объясняется структурой РО, которая состоит из ядра с периферийной оболочкой, которая сохраняет кристаллическую структуру. В таком случае, при приближении к насыщению, периферийные участки РО за счет взаимного перекрытия вносят свой вклад в накопление аморфной фазы (Рисунок 2.8). На графике видно, что однократное перекрытие периферийных участков сильно влияет на увеличение протяженности линейного роста с дозой. Данный подход справедлив также для случая, при котором аморфизация в большей степени происходит за счет однократного перекрытия ядер РО. 48

Рисунок 2.8 - Зависимость доли аморфного материала от безразмерного параметра AiD; 1 – полностью аморфная РО; 2 – аморфизация за счет однократного перекрытия РО; 3 – половина РО аморфна, а периферийные участки аморфизуются за счет однократного перекрытия Важно отметить зависимость фазового перехода кристалл- аморфная область от долы ионного облучения. В изученной работе описаны сильнолегированные слои, созданные посредством имплантации ионов B+ и ионов элементов V группы в больших дозах с последующим импульсным отжигом с помощью электронного пучка. При последующей имплантации ионов Ne+ в случае легирования примесью бора или фосфора подавлялся переход между кристаллической и аморфной фазой, а в случае двойного легирования бором и фосфором, бором и мышьяком стимулировался (Рисунок 2.9). Это можно объяснить как изменение условий для аннигиляции, генерируемых облучением пар Френкеля в зависимости от типа ионов. 49

Рисунок 2.9 – Влияние дозы имплантации ионов Ne+ с Е = 80 кэВ на долю смещенных атомов кремния при 300 кэВ для слаболегированных образцов (1), и образцов сильнолегированных бором (2); бором и мышьяком (3) Необходимо учитывать, что элементы III группы, которые находятся в узлах, довольно легко могут быть замещены собственными междоузельными атомами и переходят в междоузлие. Большая концентрация вакансий может вызвать аннигиляцию собственных междоузельных атомов и вакансий посредством примесных атомов, которые совершают прыжки из узла в междоузлие, то есть междоузельная примесить может снова занять узел. Вместе с этой реакцией захват донорной примесью вакансий в системе Si (B + As) или Si (B + P) может препятствовать процессу аннигиляции пар Френкеля, что способствует накоплению дефектов и фазовому переходу кристалл – аморфное тело. 50

Существует несколько путей осуществления перехода облучаемой области кристалла в аморфное состояние: формирование аморфных областей в отдельной РО; взаимодействие (перекрытие) различных РО, которое приводит к их перестройкам, укрупнению и формированию аморфных областей; сток и накопление дефектов одного знака (вакансий или междоузельных атомов) вблизи напряженных областей в кристалле (границы раздела, генетические дефекты). Для аморфизации выбранной области кристалла по одному из вышеперечисленных механизмов необходимо пространственное разделение вакансий и междоузельных атомов в этой области. Посредством этого дефекты одного типа накапливаются до тех концентраций, которые необходимы для осуществления перехода кристалла в аморфное состояние, и предотвращается аннигиляция. Для технологии ФИП изучение аморфизации облучаемой поверхности имеет ключевое значение. При изменении физических свойств поверхности изменяется контрастность изображений структуры во вторичных электронах и ионах. При заранее заданной топологии, эффекты аморфизации поверхности фокусированным ионным пучком могут использоваться с целью профилирования поверхностей различных материалов, имеющем высокое пространственное разрешение. 2.6. Литературный обзор Метод ФИП довольно часто используется для формирования или модификации зондовых датчиков. Например, в статье [15] описывается методика модификации зонда для достижения определенной формы острия. В данной работе острие зонда подвергалось ФИП обработке, при которой формировался угол при вершине 62˚, 25˚ и 97˚ (Рисунок 2.10). Затем эти зонды использовались для наноиндентирования. Также в этой работе методом ионнолучевого травления формировались острия специфической формы для нанопечатной литографии. 51

Рисунок 2.10 – РЭМ-изображение исходного АСМ-зонда (a) и модифицированных с углом при вершине 62˚(b), 25˚(c) и 97˚(d) Очень часто при создании зондовых датчиков используется ионностимулированное осаждение. В статье [16] авторы используют ФИП для осаждения углерода в форме пружины (Рисунок 2.11). Это добавляет прочности конструкции, а также, за счет материала зонда, он является проводящим. Исследования подтвердили, что такие зонды пригодны как для визуализации поверхности, Сформированные таким так методом и для электрических многозондовые измерений. системы, за счет конструкции пружины, позволяют установить омический контакт даже на неровной поверхности. Рисунок 2.11 – РЭМ-изображение зондов в форме пружины 52

Работа [17] посвящена созданию зонда с помощью вольфрамовой проволоки, обработанной методом ФИП. Для формирования зонда используется вольфрамовая проволока, которая приклеивается к кантилеверу с помощью электропроводящего эпоксидного клея. Затем получившийся вольфрамовый зонд обрабатывается методом ионнолучевого травления, в результате чего получается зондовый датчик с заостренным концом. Процесс изготовления показан на рисунке 2.12. Рисунок 2.12 – РЭМ-изображения зонда на каждом этапе формирования 2.7. Заключение Метод ФИП широко используется во многих сферах нанотехнологий. Но для качественного его применения необходимо учитывать множество факторов, влияющих на конечный результат. Например, подбирая энергию 53

ионов очень важно знать механизмы рассеяния, чтобы уменьшить влияние негативных эффектов. Также ионы, проникающие вглубь подложки могут как принести пользу, так и испортить образец. А такие эффекты, как имплантация ионов, распыление подложек фокусированным ионным пучком и аморфизация подложки под действием ФИП присутствуют не только при травлении, но и при осаждении, поэтому необходимо их учитывать при работе с ФИП. Применение метода ФИП для модификации зондовых датчиков открывает большие возможности. Возможности этого метода позволяют не только придавать острию практически любую форму, но и модифицировать форму самой балки. Последнее осуществляется с целью изменения резонансной частоты колебаний кантилевера. Любая конструкция сканирующего зондового микроскопа представляет собой колебательную систему, имеющую целый набор собственных резонансных частот. Внешние механические воздействия на частотах, совпадающих с собственными, вызывают явления резонанса в конструкции измерительных головок, что приводит к колебаниям зонда относительно образца и воспринимается как паразитный периодический шум, искажающий и размывающий СЗМ изображения поверхности образцов. С целью уменьшения влияния внешних вибраций измерительные головки изготавливают из массивных металлических деталей, имеющих высокие (более 100 кГц) частоты. Наименьшими резонансными частотами обладают сканирующие элементы зондовых микроскопов [1]. С целью уменьшения влияния помех, а также увеличения скорости сканирования, проводятся исследования для достижения нужного значения резонансной частоты колебаний кантилевера. 54

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ БАЛКИ ЗОНДА Микромеханические структуры широко применяются при создании сенсоров различного назначения. Консольные балки, покрытые слоем чувствительного вещества, широко применяются при создании сенсоров жидкостей и газов для медицины, экологического мониторинга и систем техносферной безопасности. При этом детектируется, как правило оптическими методами, либо изгиб балки, либо изменение частоты ее колебаний. Поэтому для обеспечения максимальной эффективности детектирования необходимо обеспечить оптимальные значения резонансных частот колебаний балок, как правило около 500 кГц. Кроме этого, колеблющиеся на резонансных частотах консольные балки с остриями на конце, применяются в качестве датчиков-кантилеверов в сканирующей зондовой микроскопии. Сканирующая зондовая микроскопия является на сегодняшний день одним из наиболее распространенных и перспективных методов исследования поверхности с субнанометровым разрешением. Различные АСМ методики позволяют получить информацию о рельефе поверхности, ее механических и электрических параметрах. Данная технология не только позволяет получать изображения поверхности с атомарным разрешением, но и дает широкий спектр возможных применений при изготовлении элементов наноэлектроники. При использовании СЗМ очень важно учитывать величину резонансной частоты колебаний консольной балки чипа. Компромисс между максимальным полем обзора и резонансной частотой зондового микроскопа – вынужденная мера при использовании современных конструкций СЗМ. Применение зондов с жесткой конструкцией позволяет использовать высокую резонансную частоту, отслеживать сигналы в широкой частотной полосе с достаточной точностью, а также снизить воздействие внешних помех на результаты сканирования. Высокая резонансная частота дает возможность 55

проводить исследования на больших скоростях сканирования, что уменьшает время, затрачиваемое на получение необходимой информации о поверхности. Также уменьшение времени сканирования влечет за собой уменьшение влияния температурного дрейфа, что благоприятно сказывается на качестве полученного изображения [18]. Резонансная частота колебания кантилевера в большой степени зависит от таких слагаемых, как материал зондового датчика и геометрические параметры самой балки. Путем изменения формы балки зонда можно менять его резонансную частоту в достаточно широком диапазоне. 3.1. Теоретическое моделирование Теоретическое исследование зависимости резонансной частоты от геометрических параметров кантилевера проводилось в приближении простой прямоугольной балки, для которой связь резонансной частоты с размерами консоли и материалом балки в вакууме описывается формулой (3.1). 𝜔𝑏𝑒𝑎𝑚 = 𝑡 𝐸 2𝜋𝑙 2 √𝑝 (3.1) 𝑐 где t - толщина кантилевера, l - длина, E - модуль упругости материала кантилевера, а pc - плотность материала кантилевера. Очевидно, что при уменьшении длины балки в 2 раза резонансная частота увеличится в 4 раза, и при этом существует и прямая зависимость с толщиной балки, но её изменение влияет на резонансную частоту гораздо слабее по сравнению с длиной. Исходя из этого, в данной работе исследована именно зависимость резонансной частоты колебаний от длины консольной балки. Традиционно, при формировании чипов для СЗМ в качестве материала кантилевера используют поликремний, так как он является оптимальным, с точки зрения механических свойств. В ходе теоретических и экспериментальных исследований в работе использован поликремний, для 56

согласования с традиционными технологическими процессами производства кантилеверов и для уменьшения погрешности расчетов. В работе как теоретические, так и экспериментальные исследования проводятся для балок, у которых отсутствует зонд на конце кантилевера. Это необходимо для определения истинной зависимости резонансной частоты от длины балки без инертной массы, которая может исказить результаты моделирования и внести дополнительную погрешность. При необходимости остриё может быть выращено методом локального ионно-стимулированного осаждения ФИП. На основании выражения 3.1 была получена зависимость резонансной частоты от длины балки представленная на рисунке 3.1. Рисунок 3.1 – Теоретическая зависимость резонансной частоты от длины балки в диапазоне от 10 µm до 110 µm Полученная зависимость имеет экспоненциальный характер, что объясняется механизмом колебания балки. Применение очень коротких балок нецелесообразно, так как возрастает погрешность длинны балки, а также 57

уменьшается эффективная длинна для использования зондов. Вследствие перечисленных причин, а также для соответствия экспериментальным исследованиям диапазон длин был уменьшен. Рисунок 3.2 – Теоретическая зависимость резонансной частоты от длины балки в диапазоне от 40 µm до 110 µm На рисунке 3.2 видно, что экспоненциальный характер графика в данном диапазоне выражен не так явно, что является благоприятным фактором, так как на практике это позволит добиться примерно одинаковой резонансной частоты на нескольких зондах и уменьшить погрешность при построении экспериментальной зависимости. Таким образом, отмечается, что полученная зависимость полностью отражает физику происходящих процессов при колебании кантилевера и подтверждает справедливость и возможность использования формулы 3.1 при описании подобных систем. 3.2. Численное моделирование методом конечных элементов 58

Моделирование консольной балки методом конечных элементов позволяет получать результаты наиболее приближенные к реальности за счет возможности построения точной геометрии зондового датчика и гораздо более сложных механизмов и алгоритмов, используемых при расчёте, позволяющих получить резонансные частоты для построенной модели. Построенная модель изображена на рисунке 3.3. Рисунок 3.3 – Модель зондового датчика Параметры моделирования использовались такие же, как и на предыдущем этапе исследования. На основе результатов серии исследований был построен график, отражающий зависимость резонансной частоты от длины балки, который изображен на рисунке 3.4. 59

Рисунок 3.4 – Зависимость резонансной частоты от длины балки в диапазоне от 40 µm до 110 µm, построенная на основе моделирования Из графика видно, что кривая описывает экспоненциальную зависимость, схожую с той, что была получена в ходе аналитического моделирования. Расхождения в значениях резонансных частот объясняются тем, что при моделировании методом конечных элементов учитывается намного больше всевозможных параметров как самого зондового датчика, так и метода исследования, например, ширина балки или используемая в моделировании сетка и её качество в узких участках. Небольшой перегиб в нижней части графика объясняется тем, что на данных длинах балки имеет место колебания самого чипа, пик влияния которого приходится на 90 µm. В остальном график на рисунке 3.4 подтверждает данные, полученные при расчетах по аналитическим выражениям. 3.3. Заключение 60

Таким образом, графики, полученные при теоретических и экспериментальных исследованиях, хорошо коррелируют между собой. Зависимости, полученные при экспериментальных исследованиях, могут использоваться для получения необходимой резонансной частоты при использовании таких же зондовых датчиков. Проведенное моделирование позволяет с определенной точностью провести прогноз резонансной частоты при определенных параметрах зондового датчика. Полученные результаты могут быть использованы при прогнозировании динамических параметров микромеханических систем, в частности, при создании газовых и биологических датчиков на основе микромеханических структур [19]. Метод фокусированных ионных пучков позволяет точно настроить резонансную частоту колебаний кантилеверов путем изменения их геометрических параметров. 61

4. 4.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Исследование влияния геометрических параметров зондовых датчиков на точность и разрешающую способность Для исследования влияния геометрических параметров зондовых датчиков на точность и разрешающую способность были использованы кантилеверы без острия. С помощью метода ионно-стимулированного осаждения вольфрама из газовой фазы были сформированы три острия с радиусами закругления 60, 170 и 300 нм на трех разных балках. РЭМизображения полученных зондов приведены на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 – РЭМ-изображения полученных зондов 62

Для изучения точности и разрешающей способности этих зондов была исследована калибровочная решетка TGT1. Сформированные зонды поочередно устанавливались в зондовый микроскоп Solver P-47 PRO, а затем исследовалась заранее подготовленная калибровочная решетка. Изображения, полученные сформированными зондами приведены на рисунке 4.2. Рисунок 4.2 – Изображения, полученные сформированными зондами Как видно из приведенных выше изображений, форма зонда имеет ключевую роль в точности со сканирующей зондовой микроскопии. При 63

уменьшении радиуса закругления острия увеличивается разрешающая способность исследований. Угол при вершине зонда главным образом влияет на геометрические параметры, при его уменьшении форма структур на изображении больше соответствует реальным параметрам. На рисунке 4.2 видно, что несмотря на уменьшение разрешения изображения, угол структур остается практически без изменений. Данный эффект связан с тем, что сформированные зонды имеют практически одинаковый угол при вершине [20]. Также можно отметить, что на рисунке 4.2 видно влияние радиуса закругления на шероховатость поверхности на полученных изображениях. С уменьшением радиуса острия шероховатость повышается, что позволяет получить больше данных о поверхности образца. Это можно объяснить тем, что малый размер зонда позволяет проникать в углубления меньшего размера, а также точнее отражать пики. 4.2. Экспериментальные исследования процессов наноструктурирования поверхности с использованием фокусированного ионного пучка При наноструктурировании поверхности ключевую роль играет точность воспроизведения элементов шаблона при ионно-стимулированном осаждении углерода и вольфрама. От того, какие мы зададим параметры шаблона зависят характеристики полученной структуры, но, чтобы знать какие параметры задавать, нужно провести исследование точности воспроизведения элементов шаблона при ионно-стимулированном осаждении углерода и вольфрама. Для исследования в программе управления модулем ФИП формировался графический шаблон в виде матрицы состоящей из 16 элементов размерами 2х2 мкм, схема которого с указанием времени локального ионностимулированного осаждения (в секундах) каждого элемента представлено на 64

рисунке 4.3. Количество проходов ФИП для каждого элемента матрицы подбиралось для соблюдения требуемого времени осаждения. Рисунок 4.3 – Схема структуры шаблона После проведения локального ионно-стимулированного осаждения подложка исследовалась методом РЭМ, как показано на рисунке 4.4. а) б) Рисунок 4.4 – РЭМ-изображения сформированных матриц углерода (а) и вольфрама (б) при токе ФИП 500 пА 65

После этого подложка исследовалась методом АСМ в полуконтактном режиме, как показано на рисунке 4.5. Рисунок 4.5 – АСМ-изображения и профилограммы массивов сформированных структур углерода (а, б) и вольфрама (в, г) Отклонение латеральных размеров (∆) сформированных элементов от заданных шаблоном определялось согласно формуле (4.1). ∆= 𝑳𝒎 −𝑳𝒂 𝑳𝒂 ∙ 𝟏𝟎𝟎 (4.1) На основе анализа полученных АСМ-изображений и профилограмм (Рисунок 4.5), были построены зависимости отклонения размера сформированных элементов углерода и вольфрама от времени осаждения при различных токах ФИП, как показано на рисунке 4.6. 66

Рисунок 4.6 – Зависимость отклонения размеров сформированных элементов углерода и вольфрама от времени осаждения при различных токах ФИП Анализ полученных результатов показывает, что размер сформированных элементов больше размера заданного шаблоном, поскольку зависимость распределения интенсивности в ФИП от его радиуса описывается законом Гаусса. Увеличение тока приводит к увеличению диаметра ФИП и интенсивности осаждения в "хвостах" распределения Гаусса. Наибольшее отклонение латеральных размеров наблюдается при ионно-стимулированном осаждении углерода, что связано с более высокой скоростью разложения химически активных газов (ХАГ). Необходимо отметить, что сформированные локальным ионно- стимулированным осаждением при токе ФИП 1 пА элементы вольфрама имели латеральные размеры меньше заданного размера шаблона (1.57, 1.77, 1.83, 1.93, 1.968 нм соответственно). Данный эффект может найти свое объяснение в физико-химических свойствах ХАГ, в результате которых при малых токах ФИП (1 пА) наблюдается его низкая скорость разложения. На основе обработки и анализа полученных данных, были построены зависимости скорости ионно-стимулированного осаждения углерода и вольфрама, как показано на рисунке 4.7. 67

Углерод Рисунок 4.7 – Вольфрам Зависимости скорости ионно-стимулированного осаждения углерода и вольфрама от времени осаждения Анализ полученных изменения скорости зависимостей позволяет оценить тенденции ионно-стимулированного осаждения углерода и вольфрама от времени осаждения. С увеличением тока ФИП скорости ионностимулированного осаждения увеличивается. Равномерная скорость ионностимулированного осаждения углерода наблюдается при токах ФИП 30, 50, 100 пА, а вольфрама при 300 и 500, что связано с физико-химическими свойствами ХАГ, взаимодействующего с ФИП. 68

Полученные зависимости позволят в дальнейшем прогнозировать толщину осаждаемых материалов. 4.3. Экспериментальные исследования процессов формирования микро- и наноразмерных структур При формировании микро- и наноразмерных структур одним из ключевых параметров является воспроизводимость их геометрических параметров. Для исследования воспроизводимости геометрических параметров локально осажденных структур углерода и вольфрама, была разработана методика, согласно которой в программе управления модулем ФИП формировался растровый графический шаблон в виде матрицы, состоящей из 100 элементов размерами 2х2 мкм. На рисунке 4.8 представлены РЭМ-изображения массивов элементов углерода и вольфрама, сформированных при токе ФИП 100 пА. Рисунок 4.8 – РЭМ-изображения сформированных структур углерода (а) и вольфрама (б) методом локального ионно-стимулированного осаждения Подложка со сформированными структурами углерода и вольфрама исследовалась методом АСМ в полуконтактном режиме, с последующей 69

статистической обработкой данных при помощи пакета программного обеспечения Image Analysis 3.0. АСМ-изображения и профилограммы сформированных структур представлены на рисунке 4.9. Рисунок 4.9 – АСМ-изображения (а, в) и профилограмы вдоль линии (б, г) сформированных локальным ионно-стимулированным осаждением матриц углерода (а, б) и вольфрама (в, г) Статистическая обработка с учетом деконволюции показывает, что сформированные элементы углерода имели отклонение в вертикальном направлении 1.3%, в латеральном 1.8%, а структуры вольфрама в вертикальном направлении 1.7%, в латеральном 2.3% [21]. Таким образом, на основе анализа проведенных экспериментальных исследований сделан вывод о высокой воспроизводимости геометрических параметров структур углерода и вольфрама как в вертикальном, так и в 70

латеральном направлениях. Но с учетом всех полученных данных, для дальнейших исследований был выбран вольфрам. 4.4. Разработка конструкции зондовых датчиков для нанодиагностики поверхности твердых тел методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии На данном этапе исследований, с целью оптимизации режимов сканирования и минимизации артефактов сканирующей зондовой микроскопии, была разработана конструкция зондовых датчиков для СБОМ. В основе конструкции таких зондовых датчиков лежит эффект, при котором материал осаждается не только на поверхность, но может нависать с краю структуры. Это связано с тем, что площадь генерации вторичных электронов, вызванная бомбардировкой ионами Ga+ 30 кВ, составляет несколько десятков нанометров как по глубине, так и в поперечном направлении, поэтому площадь осаждения сильно ограничена в пределах нескольких десятков нанометров для всех направлений. Эта уникальная характеристика позволяет создавать нависающие структуры, такие как пружины и соединения в свободном пространстве (Рисунок 4.10) [16]. Рисунок 4.10 – РЭМ-изображение пружин, сформированных методом ФИП 71

Для создания зондов сканирующей ближнепольной оптической микроскопии была разработана технология, согласно которой с помощью специального программного обеспечения создавался шаблон, состоящий из уменьшающихся колец. В конце технологического процесса протравливается отверстие в вершине зонда [22]. Такая конструкция позволяет формировать зонды с нужным углом при вершине, шириной основания и высотой. РЭМизображение такой конструкции зонда представлено на рисунке 4.11. Рисунок 4.11 – РЭМ-изображение зондового датчика для СБОМ При создании такой конструкции возникали проблемы. Например, высота зонда в программном обеспечении редко соответствует с реальной получаемой высотой, отсюда возникают проблемы с фокусным расстоянием ФИП при осаждении, так как фокус подстраивается в соответствии с заданной высотой. Для получения более точной высоты зонда, а также угла при вершине необходимо правильно настроить высоту зонда. Для этого осаждалось несколько зондов с разными высотами, затем чип наклонялся на 90˚ и измерялись реальные размеры и углы при вершине зондовых датчиков 72

(Рисунок 4.12). Из используемых шаблонов выбирался тот, который позволил получить лучший результат. Рисунок 4.12 – РЭМ-изображение наклоненных зондов Следующей проблемой при создании была шероховатость внутренней стенки зонда, которая может внести серьезные искажения при исследовании такими зондами. Чтобы уменьшить этот эффект было изучено влияние значения времени воздействия пучка в каждой точке. Для этого осаждались несколько зондов с различными значениями времени воздействия, затем каждый из них растравливался наполовину методом ионно-лучевого травления. В результате были получены изображения, показанные на рисунке 4.13. Проанализировав изображения, был выбран шаблон со значением времени воздействия 400 нс. 73

Рисунок 4.13 – РЭМ-изображение внутренней поверхности зонда со значениями времени воздействия: а)100 нс, б) 200 нс, в) 300 нс, г) 400 нс Еще одной проблемой при создании является отверстие, которое возникало в конце осаждения на вершине зонда. Так как оно довольно большое по радиусу, от него необходимо было избавиться, однако толщина последнего слоя не должна быть слишком большой, так как чем меньше толщина, тем меньшее по радиусу отверстие возможно будет сформировать. С целью выяснения причины возникновения данного эффекта было проведено множество исследований. Менялся внутренний радиус последних слоев, увеличивалась толщина последнего слоя и др. В итоге было найдено решение. После удаления из шаблона последних двух колец отверстие на вершине 74

перестало возникать. Это можно объяснить тем, что время формирования последних колец было слишком мало, вследствие чего эти слои не осаждались, а травились и возникало довольно большое по радиусу отверстие. На рисунке 4.14 показан зонд до и после удаления последних двух колец из шаблона. Рисунок 4.14 – РЭМ-изображение зонда а) до удаления последних двух колец б) и после Как видно на рисунке 4.14 высота зондового датчика не изменилась, что подтверждает ранее выдвинутую теорию. После устранения этой проблемы для утонения последнего слоя достаточно было уменьшить его толщину, что позволило получить апертуру 100 нм (Рисунок 4.15). 75

Рисунок 4.15 – РЭМ- изображение СБОМ зонда с апертурой 100 нм После устранения перечисленных проблем, данная технология является достаточно простой, что позволяет существенно уменьшить время создания зондовых датчиков, при этом конструкция получается прочной и соответствующей требованиям. Также технология позволяет оптимизировать процесс и расходовать материал более эффективно. 4.5. Тестирование сформированных зондов Для тестирования полученных кантилеверов были синтезированы ферромагнитные феррит-гранатовые пленки с различным периодом доменной структуры. Методом жидкофазной эпитаксии получены пленки с периодом доменной структуры 4 мкм, 6 мкм, 9 мкм. Методом магнетронного напыления получены пленки с периодом доменной структуры 300нм, 800нм. Данные тонкопленочные структуры обладают 76 высокой магнитооптической

активностью в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн света и являются перспективным материалом для оптоэлектроники и магнитооптики. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 4.16. Рисунок 4.16 – Схема установки для проведения исследований СБОМ зондами Для фокусировки поляризованного лазерного излучения используется специальная АСМ измерительная головка со встроенным 100х, 0,7 NA объективом, которая позволяет точно сфокусировать лазерный луч на апертуру кантилевера. После установки полуволновой пластины в режим скрещенной поляризации, тонкая пленка засвечивается через апертуру кантилевера с помощью линейно поляризованного лазера 473 нм в ближнепольном режиме (расстояние от образца до апертуры кантилевера поддерживается менее 10нм). Лазер с длиной волны 1064 нм используется в этом случае в системе регистрации отклонения кантилевера для избегания интерференции с лазером засветки. Держатель образца спроектирован с отверстием внутри для пропускания к системе регистрации света, проходящего через тонкую пленку. Держатель образца устанавливается на пьезокерамический сканнер. Кантилевер подводится к образцу с помощью 77

шагового двигателя. После подвода расстояние зонд-образец контролируется системой обратной связи. Пьезокерамический сканер передвигает образец строчка за строчкой под кантилевером (область сканирования до 100мкм х 100мкм). При этом система «объектив-кантилевер-собирающая линза» находится в постоянном друг относительно друга положении независимо от движения образца сканером. Принцип исследования магнитной доменной структуры образца (получения контрастного изображения разнонаправленных доменов образца), основан на регистрации проходящего или отраженного света через образец в режиме скрещенной поляризации после засветки образца через апертуру немагнитного кремниевого зонда на расстоянии от образца значительно меньшим чем длина волны используемого для засветки лазера, около 10нм. Ниже представлены результаты измерения апертурным кантилевером ферромагнитных тонких пленок с периодом 4 мкм, 6 мкм, 9 мкм (соответственно рисунки 4.17, 4.18, 4.19), измерения проводились в полуконтактном режиме с оптической схемой на просвет. Рисунок 4.17 – Доменная структура слева и топография справа. Апертура 56,8нм, период доменной структуры 9 мкм 78

Рисунок 4.18 – Доменная структура слева и топография справа. Апертура 56,8нм, период доменной структуры 6 мкм Рисунок 4.19 – Доменная структура слева и топография справа. Апертура 56,8нм, период доменной структуры 4 мкм Для исследования предельной разрешающей способности созданного апертурного кантилевера были проведены измерения доменной структуры с малым значением периода (рисунки 4.20, 4.21). 79

Рисунок 4.20 – Доменная структура слева и топография справа. Апертура 56,8нм, период доменной структуры 800нм Рисунок 4.21 – Доменная структура слева и топография справа. Апертура 56,8нм, период доменной структуры 300нм Продемонстрирована возможность изучения доменной структуры менее 300 нм. Разрешающая способность метода составляет менее 50 нм. Проведены измерения и расчет пропускной способности стандартных кантилеверов и усовершенствованных кантилеверов. Ниже представлена соответствующая сравнительная таблица пропускной способности. № Кантилевер Диаметр апертуры 1 2 3 4 5 6 Стандартный кантилевер Стандартный кантилевер Стандартный кантилевер Стандартный кантилевер Стандартный кантилевер Усовершенствованный кантилевер Усовершенствованный кантилевер 7 Разрешение, нм 210нм 151нм 104нм 164нм 159нм 200нм Пропускание, для длины волны 473нм 1,4 х 10-3 4,6 х 10-4 2,8 х 10-5 3,6 х 10-4 8,7 х 10-5 1,5 х 10-1 56,8нм 2 х 10-4 50-70 170-200 120-130 100-115 120-130 120-140 120-140 Таблица 4.1 – Сравнительная таблица пропускной способности и разрешения стандартных и усовершенствованных апертурных кантилеверов 80

Анализ конструкции зондов для СБОМ показал высокую надежность и повторяемость параметров. Такая конструкция является оптимальной с точки зрения затраченного материала и времени. Также проведенные исследования сформированными зондами для СБОМ показали улучшение пропускной способности и увеличение пространственного разрешения магнитооптического метода в составе магнитно-силовой микроскопии при исследовании доменной структуры ферромагнитных тонкопленочных образцов. В сравнении с коммерческими аналогами можно сказать, что подобная конструкция зонда является оптимальной для создания методом ФИП по большинству параметров зонда, что обеспечивает высокую точность исследований разработанными зондовыми датчиками. 4.6. Разработка технологии При помощи экспериментальных анализа литературных исследований была источников разработана и проведения конструкция и предложен технологический маршрут изготовления зондового датчика для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Его схема показана на рисунке 4.22. Данная конструкция предполагает лучшую разрешающую способность исследований и повышенную прочность изделия. 81

Рисунок 4.22 – Схема зондового датчика для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии Конструкция зондового датчика состоит из балки зондового датчика, в котором методом ионно-лучевого травления получено отверстие, и десяти колец с уменьшающимися диаметрами, сформированных методом ионностимулированного осаждения углерода. Подробнее операции рассмотрены в лабораторно – технологической инструкции, представленной далее. 82

1. Подготовка балки зонда. Если используется отработавший зондовый датчик со сломанным острием, то необходимо удалить часть балки, на которой находится зонд. Это осуществляется методом ионно-лучевого травления шаблоном в форме прямоугольника с параметрами пучка: ток пучка – 20 нА, ускоряющее напряжение – 30 кэВ, время воздействия в точке – 1 мкс. Процесс контролируется с помощью электронного микроскопа, когда задача выполнена, процесс останавливается. Пример такой процедуры представлен на рисунке 4.23. Рисунок 4.23 – а) Зонд со сломанным острием и б) зонд с удаленной частью балки 2. Травление отверстия. По окончанию первого этапа формируется шаблон, состоящий из двух окружностей с уменьшающимися диаметрами (10 мкм внешний, 7 мкм внутренний и 7 мкм внешний, 4 мкм внутренний соответственно) и внутреннего круга диаметром 4 мкм. Этот шаблон располагается таким образом, чтобы его центр располагался на расстоянии 16 мкм от ближайших краев. Затем проводится ионно-лучевое травление таким образом, чтобы сначала травился внутренний круг, затем внутренняя окружность, а потом 83

внешняя. Параметры ионного пучка: ток пучка – 7 нА, ускоряющее напряжение – 30 кэВ, время воздействия в точке – 1 мкс. На рисунке 4.24 показана получившееся отверстие. Рисунок 4.24 – Протравленное отверстие 3. Осаждение колец На этом этапе используется шаблон, сгенерированный программой. Шаблон состоит из 10 окружностей с уменьшающимися диаметрами. Последняя окружность имеет нулевой внутренний диаметр. По этому шаблону проводится ионно-стимулированное осаждение углерода. Причем осаждение ведется последовательно с внешней окружности к внутренней. Параметры осаждения: ток пучка – 30 пА, ускоряющее напряжение – 30 кэВ, время воздействия в точке – 400 нс, направление пучка – от внешнего к внутреннему. Этапы осаждения показаны на рисунке 4.25. 84

Рисунок 4.25 – Этапы формирования колец 4. Формирования апертуры Заключительным этапом является формирования отверстия на вершине зондового датчика. Для этого используется шаблон в виде круга, диаметром около 50 нм. Шаблон размещается на вершине сформированного датчика. Ионно-лучевое травление осуществляется при следующих параметрах ионного пучка: ток пучка – 1 пА, ускоряющее напряжение – 30 кэВ, время воздействия в точке – 400 нс, направление пучка – от внутреннего к внешнему. Получившееся отверстие показано на рисунке 4.15. Предлагаемая конструкция зондов для СБОМ отличается повышенной надежностью. Такие зонды позволяют увеличить точность и разрешающую способность исследований, а за счет использования метода ФИП и более экономного расхода материала они обладают низкой себестоимостью. Простота технологии позволяет воспроизводить ее на других установках, оснащенных системой ФИП. Так как в России не производятся зондовые датчики, то применение данных импортозамещение. 85 зондов позволит осуществить

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной выпускной квалификационной работе были проведены исследования геометрических параметров зондовых датчиков, которые позволили определить наиболее оптимальную конструкцию зондовых датчиков. Также были экспериментально исследованы процессы наноструктурирования поверхности с использованием фокусированного ионного пучка, которые помогли внести соответствующие правки при создании зондов для более точного соответствия их заданным параметрам. Были экспериментально исследованы процессы формирования микро- и наноразмерных структур. Результаты использовались при формировании зондовых датчиков, с целью оптимизации материальных и временных затрат. Были разработаны нанодиагностики конструкции поверхности. зондов Данный для этап различных позволил методик разработать оптимальную конструкцию зондовых датчиков, которые обладают высокой надежностью и точностью. Были проведены теоретические исследования параметров разработанных конструкций, что позволило внести правки в конструкции для улучшения параметров получаемых зондовых датчиков. Поставленные задачи выполнены в полном объеме. Результаты научноисследовательской работы могут использоваться при создании зондов согласно разработанным конструкциям, с использование оптимальных параметров ФИП. Создание зондовых датчиков по данной технологии позволяет снизить стоимость производства, так как материал расходуется более эффективно, также при использовании в качестве основы сломанных зондов, уменьшаются затраты на изготовления каждого кантилевера. Разработанные зондовые датчики обладают улучшенными характеристиками (такими как повышенные точность и надежность; уменьшенное количество артефактов и т. д.) по сравнению с коммерчески доступными аналогами. 86

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. В.Л. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. ИФМ РАН – г. Н. Новгород, 2004 г. – 110 с. 2. https://www.ntmdtsi.ru/data/media/files/manuals/nanoeducator/laboratory_work_2014/ЛР% 20№5%20(Изг-ие%20зондов%20для%20СЗМ).pdf (Дата обращения: 21.03.2020) 3. Kevin K.W. Chu, Jeng Shiung Chen, Li-Der Chang, Jeff T.H. Tsai. Grapheneedge probes for scanning tunneling microscopy // Optik, Volume 130, February 2017, Pages 976-980 4. https://studfile.net/preview/5992711/ (Дата обращения: 21.03.2020) 5. Н.Г. Циркунова, Я.А. Соловьев, О.В. Сергеев, В.Е. Борисенко. Формирование острия кремниевых зондов для сканирующих зондовых микроскопов // Доклады БГУИР июль–сентябрь 2005, № 3 (11), стр. 5964. 6. В.П. Вейко, Н.Б. Вознесенский, Ю.М. Воронин, В.Ф. Дряхлушин. Ближнепольные оптические зонды: методы изготовления, основные характеристики и контроль аппаратуры. Ближнепольные оптические устройства. с.31-57 7. Y. Zhang , K.E. Docherty, J.M.R. Weaver. Batch fabrication of cantilever array aperture probes for scanning near-field optical microscopy // Microelectronic Engineering, Volume 87, Issues 5–8, May–August 2010, Pages 1229-1232 8. МОП СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов под ред. П. Антонетти: пер. с англ. // Москва: Радио и связь, 1988. – 496 стр. 87

9. Giannuzzi L.A., Stevie F.A. Introdution to focused ion beams: instrumentation, theory, techniques and practice // New York: Springer, 2004 – 357 pp. 10.Комаров Ф.Ф., Новиков А.П., Ширяев С.Ю. Дефекты структуры в ионно-имплантированном кремнии // Минск: Университетское, 1990. – 320 стр. 11.Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии // Москва: Высшая школа, 1984. – 320 стр. 12.Giannuzzi L.A., et al., Evidence for a critical amorphization thickness limit of Ga+ ion bombardment in Si // Microscopy and microanalysis, 2005, 11, (suppl 2), pp 822 – 828. 13.Никоненко В.А. Математическое моделирование технологических процессов // Москва: МИСиС, 2001 – 48 стр. 14.Овидько И.А., Рейзис А.Б. Кинетика точечных дефектов и процессы аморфизации в тонких пленках при облучении // Физика твердого тела, 2003,Т. 45, вып. 2, стр.1600-1602. 15.C. Menozzi, L. Calabri, P. Facci, P. Pingue, F. Dinelli and P. Baschieri. Focused Ion Beam as tool for atomic force microscope (AFM) probes sculpturing // EMAG 2007, Journal of Physics: Conference Series 126 (2008) 012070 16.Masao Nagase, Kenichiro Nakamatsu, Shinji Matsui And Hideo Namatsu. Carbon Multiprobes with Nanosprings Integrated on Si Cantilever Using Focused-Ion-Beam Technology // Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 7B, 2005, pp. 5409–5412 17.Kotone Akiyama, T. Eguchi, T. An, Y. Fujikawa, Y. Yamada-Takamura, T. Sakurai, Y. Hasegawa. Development of a metal–tip cantilever for noncontact atomic force microscopy // Review of scientific instruments 76, 033705 (2005) 18.Ageev O A, Konoplev B G 2019 Nanotechnology in Microelectronics p 511 88

19.I V Panchenko, A S Kolomiytsev, N A Shandyba, S A Lisitsyn 2018 IOP Conf.Series: Materials Science and Engineering 443 012015 20.Novel technology for fabrication of probe tips for SPM using focused ion beam induced deposition method/ N.A. Shandyba, I.V. Panchenko, A.S. Kolomiytsev, S.A. Lisitsyn. – М.: International Conference “Scanning Probe Microscopy”, 2019. – P. 254-255p. 21.Исследование процессов локального ионно-стимулированного осаждения углерода для формирования зондов для нанодиагностики/ Коломийцев А. С., Панченко И.В., Шандыба Н.А., Лисицын С. А.. – М.: ФизикА.СПб, 2018. – С. 88-89p. 22.Fabrication of probes for scanning near-field optical microscopy using focused ion beam/ A.S. Kolomiytsev, N.A. Shandyba, I.V. Panchenko, S.A. Lisitsyn. – М.: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018. – Vol. 443 (2018) 012015. 89

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

Рецензия от Иван Панченко

Отзыв рецензента на данную ВКР

почти 4 года назад

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв