УДК 621.315
О возможности создания режима ближнего поля для
наноисследований в электронике
(Представлено 10/V 2006)
Ключевые слова: нанотехнология, зондовая микроскопия, ближнее поле, наномасштабный
зазор Нанотехнологиям и нанофизическим
исследованиям сегодня уделяется большое внимание. Лидерами являются, как
правило, высокоразвитые страны, имеющие большой экономический и
научно-технический потенциал. Это связано со сложностью технологической
оснастки, наличием и востребованностью специалистов высокой квалификации,
большими инвестициями.
Нанотехнология
определяется как ''…совокупность способов и приемов создания функциональных
элементов нанометровых размеров на поверхности подложек, в том числе из
отдельных молекул и атомов, с возможностью одновременной их визуализации и
контроля'' [1]. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) [2-4] в значительной
степени удовлетворяет приведенному определению, и именно она предоставляет и
другой путь участия в наноисследованиях. Этот путь предполагает привлечение
более дешевой техники, не требующей специальных помещений для технологических
операций и многочисленного высококвалифицированного
персонала.
Принцип работы СЗМ позволяет
манипулировать нано- и субнано объектами и создавать их, локально активизировать
химические реакции, например, производить операции окисления или травления и
организовывать атомномасштабную архитектуру на поверхности материалов
твердотельной электроники [1- 3].
Физика
наномасштабных элементов диктует специфику инструментов для наноисследований.
Пример этого - СЗМ.
Принципы работы зондовой
микроскопии требуют создания наномасштабного зазора игла-поверхность, в котором
основную роль начинают играть и зависимости считываемого (конкретным видом
микроскопа) сигнала от величины этого зазора. Эту ситуацию можнo назвать режимом
ближнего поля. В технике СЗМ такой зазор достигается применением специально
сконструированных прецизионных двигателей. Кроме того, в микроскопии необходима
организация X,Y-сканирования и одновременного поддержания устойчивого сигнала
обратной связи, обеспечивающего этот ''штатный режим'' работы. Требуется и
специальное программное обеспечение как для управления работой микроскопа, так и
последующей обработки полученных данных.
В то
же время из многих научных публикаций, посвященных зондово-микроскопическим
исследованиям, следует, что научно-практический интерес могут представлять как
сам зазор зонд-поверхность, являясь наномасштабной конфигурацией, так и
отдельные узлы этих устройств [5-7].
Несмотря
на значительный прогресс в промышленном производстве СЗМ последние все еще
остаются довольно дорогими приборами и далеко не каждая исследовательская
организация имеет возможность его приобретения. Поэтому, как нам кажется, может
быть востребовано предлагаемое простое и не дорогое устройство, легко
реализующее режим ''ближнего поля''. Это позволит провести исследования как
самого зазора, зависимости его поведения от разнообразных внешних факторов, так
и предложить новые технические решения в зондовой микроскопии, адаптирующие
прибор к конкретным исследовательским задачам.
Одним из возможных принципов для реализации подобного устройства -
измерительного стенда наноразмерного зазора - является создание условия, при
котором проявляется регистрируемый туннельный ток. Опыт создания лабораторного
зондового микроскопа [8] и работы с ним подсказал, что использовать туннельный
ток в качестве информативного сигнала в ближнеполевом режиме проще (нет
необходимости в применении кантилевера и соответствующей техники измерения его
отклонения) и зачастую нужнее (из-за появления возможности исследования и
электрофизических свойств исследуемых объектов). Известно (например [2-4]), что
туннельный ток (IT) зависит от площади поперечного сечения S,
''канала'' для туннелирующих электронов, величины средней работы выхода
материалов зонда и поверхности (VT = fз + fп)/2), напряжения
зонд-поверхность Uсм и самого зазора между
зондом и поверхностью HT. Таким образом, комплекс этих измеряемых
параметров такого туннельно-токового стенда может предоставить, например,
информацию о качестве самого зонда, вольт-амперной характеристике HT
и ее отклика на процессы в нем. Сама система обратной связи, применяемая в
технике поддержания режима ближнего поля, позволяет прямо измерять и размеры
Hз [9].
Основными условиями для функционирования зондового микроскопа являются:
организация прецизионного подвода (позиционирование) зонда к исследуемой
поверхности (ИП) на столь малое расстояние, при котором начинают проявляться
ближнеполевые эффекты; обеспечение отслеживающим позиционером поддержания
ближнеполевого зазора - замыкающего звена в цепи обратной связи (ОС);
X,Y-сканирование с устойчивым отслеживающим сигналом ОС; создание
соответствующего программного обеспечения СЗМ.
Предлагаемое устройство не нуждается в сканировании, так как здесь
отсутствует задача собственно микроскопирования, что значительно упрощает его
техническое осуществление, а создание необходимого зазора достигается здесь
отводом зонда, изначально находящегося в гальваническом контакте с проводящей
поверхностью, на задаваемое расстояние (H3). Востребованность в СЗМ
технике специально разработанных микродвигателей позиционирования зонда (для
достижения аналогичного рабочего зазора) в основном диктуется необходимостью
сохранить латеральное (вдоль плоскости исследуемой поверхности) пространственное
разрешение микроскопа, которое определяется также и радиусом кривизны кончика
зонда-иглы (при соударении с исследуемым объектoм (ИО) игла ''притупляется'').
Способом отвода значительно упрощается организация ближнеполевого режима, о
создании которого информирует регистрируемое изменение природы тока контакта
поверхность/зонд с проводящего (Inp) на туннельный ток
(IT). Здесь применяется техника отслеживания постоянства заданного
порогового значения IТ, но с облегчением задачи стабилизации ОС
(сканеры в стенде отсутствуют). На рис.1 представлена принципиальная блок-схема
стенда, обеспечивающая туннельно-токовый контроль заданной величины зазора. При
отводе поверхности ИО от зонда гальванический контакт зонд/поверхность
обрывается, что приводит к крутому падению исходной величины тока, формируемого
перестраиваемым напряжением Uсм. Ток
преобразуется в предварительном усилителе (ПУ) в напряжение UT,
поступающее на устройство отслеживания (УО). Оно измеряет спадающее
UT и, сравнивая с заданным пороговым Uп, выдает разностный сигнал D,
формирующий управляющее ОС напряжение UOC для исполнительного
механизма (ИМ), корректирующего зазор HT. ИМ представляет собой
совмещение электромагнитного позиционера (ЭМП) с пьезокерамическим позиционером
(ПКП). В используемом измерительном приборе одновременно наблюдается
трансформация гальванического контакта в туннельный (поведение UT) и
формирование и изменение UOC. Помимо ручного, предусмотрено и
компьютерное управление работой стенда (помимо регистрации UT и
UOC задаются Uсм и пороговое
напряжение - UП).
|
Конструкция измерительной ячейки предполагает
вертикальное расположение системы зонд/поверхность, что открывает возможности
проведения исследований и в жидкой среде. Несущие детали конструкции изготовлены
из кварцевого стекла (для сведения к минимуму теплового нарушения величины
зазора). Корпус зондодержателя, снабженный микроразъемом на нижнем конце, может
свободно перемещаться в отверстии кварцевого держателя. Зонд, будучи защемленным
в никелевой трубочке, припаян к штырю. Штырь легко вставляется в микроразъем. В
исходном положении зонд упирается в ИП. Этим же способом фиксируется и держатель
образца. Такое простое крепление позволяет легко производить смену как зонда,
так и ИО. Габариты ячейки разрешают при необходимости использовать и вибро- и
звукоподавляющие системы.
Механизмы
позиционирования - ЭМП, потребляющие относительно большие токи, проявляют
тепловую нестабильность, но позволяют реализовать большой динамический диапазон
перемещений. Не подверженный такому тепловому дрейфу ПКП имеет, однако,
несравненно меньший диапазон перемещений и требует высоковольтное (до сотен
вольт) управление. Использование ЭМ помимо расширения динамического диапазона
H-позиционирования позволяет исследовать особенности работы и самих
исполнительных механизмов. Наличие независимого H-привода предоставляет
возможность и модуляции зазора в ближнеполевом
режиме.
Для удобства и разносторонней
проверки функционирования стенда в конструкции предусмотрен и механический
редуктор, пружинные элементы которого изготовлены из полосок бериллиевой бронзы.
Перемещающий винт редуктора вмонтирован в деталь из текстолита. Внешняя сторона
держателя образца, изготовленного из фольгированного текстолита, заземлена.
Прикладывание Uсм к ИП обеспечивается с помощью
пружинящего контактного прижима.
В качестве
ЭМП использован малогабаритный громкоговоритель. К его подвижной электрической
катушке (ЭК) приклеена кварцевая трубочка, на которой крепится держатель
образца. В конструкции держателя предусмотрена возможность погружения ИО в
жидкую среду. Заземленный фольгированный текстолит призван экранировать от
возможных помех от ЭМП чувствительный ПУ, подсоединенный к
образцу.
ПУ стенда представляет собой
стандартный преобразователь ток/напряжение, собранный на операционном усилителе
TL081 и помещенный в экранирующий корпус. Управление ЭМП осуществляется через
усилитель мощности (УМ) UOC отслеживающего сигнала. Предусмотрена
возможность суммирования с сигналом UOC независимого регулируемого
постоянного сигнала UP, разрыва цепи ОС (перекл.I) и переключения
направления действия ЭМП (перекл. II). В отдельный металлический корпус
формирователя стендовых сигналов (ФСС) помещены ПУ, УМ и переключатель
полярности с батареей (pис.3). ФСС подсоединяется к электронному блоку
СТМ.
Он использовался нами для осуществления
компьютерного управления U [10].
При
необходимости H-позиционирование может проводиться одновременно ЭМП и ПКП.
Гальванический контакт зонда с ИП контролируется по величине входного тока при
разомкнутой цепи ОС. Это положение зондодержателя в отверстии фиксируется
пицеином. В качестве испытательного применялся зонд, электролитически
сформированный из вольфрамовoй проволочки диаметром 0.8 мм.
|
На рис.4 представлена кривая зависимости от управляющего сигнала перемещения, обеспечиваемого ЭМП. Нелинейность зависимости частично подправляется коррекцией механических крепежных узлов ЭМП. Предполагается в будущем снабдить стенд соответствующей биморфной пьезокерамикой, обеспечивающей достаточно большой динамический диапазон при довольно низких значениях прилагаемого напряжения. Это поможет создать исполнительный механизм с улучшенными характеристиками.
|
Таким образом проведенные предварительные
измерения, на наш взгляд, убедительно показали правильность и практичность
выдвинутой идеи упрощенного создания режима ближнего поля для исследования его
проявлений и воплощения его в экспериментальное устройство (в виде
исследовательского стенда). Первые испытания предложенного стенда показали, что
после замыкания цепи ОС, как правило, регулировкой коэффициентами ОС и скорости
реакции следящей системы удается получить ближнеполевой режим. В случае, когда
этого не удавалось достичь только приложением сигнала ОС, зазор регулировался с
помощью механического пружинного позиционера и UP. Стенд снабжен
разнообразными возможностями изменения конфигурации подключения электронных
компонент измерительной схемы. Имеется достаточно широкое поле для дальнейших
работ, как по усовершенствованию самого стенда, так и применению его
непосредственно по назначению в исследованияx нанообъектов. Например, мы
полагаем, что стенд может предоставить и возможность экспериментирования по
контролируемому формированию в электролите (in situ) зондов
СТМ.
Работа выполнена при поддержке
Национальной программы по полупроводниковой наноэлектроникe.
Ереванский государственный университет
1. Неволин В. К. Зондовые
нанотехнологии в электронике. М. Миp. 2005. 152с.
2. Эдельман В. С. - ПТЭ. 1989. N5. C. 25-49.
3. Быков В. А. Приборы и
методы сканирующей зондовой микроскопии для исследований и модификации
поверхностей. Докт. дис. М. 2000.
4.
Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний
Новгород, 2004. 110 с.
5. Kuk Y., Sulverman
P. J. - Rev. Sci. Instrum. 1989. V. 60. N2. P. 165-180.
6. Muralidharan G., Wig1 A., Pinnaduwage L.
A., Hedden D. L., Datskos P. G.,. Thundat T., Lareau R. T. - Mat.
Res. Soc. Symp. Proc. 2002. V. 723. P. 681-685.
7. Passiana A., Muralidharan G., Kouchekian S. K, Mehta A., Cherian S.,
Ferrell T. L. and Thundat T. - Journal of Applied Puysics. 2002.
V. 91. N71. April. P. 4693-4699.
8. Azaryan
M. H. - Proc. of the third National Conf, Sevan. 2001. 10-12
September. P. 283-288.
9. Васильев С. Ю.,
Денисов А. В. - ЖТФ. 2000. T. 70. B. 1. C. 100-106.
10. Azaryan M. H., Haroutyunyan V. M. et
al. - Proc. of conf. on "Educational, Scientific &
Technological Appl. in LabVIEW Environments, and Technologies of National
Instrum." Moscow. 2004.