Атомно-сканирующая микроскопия

Введение

атомный микроскопия пленка

Атомно-силовая микроскопия (АСМ) - тип сканирующей зондовой микроскопии с высоким пространственным разрешением, основанный на взаимодействиях зонда с поверхностью образца. К основным преимуществам АСМ можно отнести: сравнительную легкость приготовления образцов, возможность анализа проводящих, непроводящих, хрупких, эластичных, легкоразрушаемых материалов, высокую разрешающую способность, возможность анализа локальных свойств поверхности.

Несмотря на широкий спектр возможностей, атомно-силовая микроскопия преимущественно используется для анализа поверхностных характеристик. Существенный интерес представляют изучение возможностей анализа шероховатости и структуры пленок.

Цель курсовой работы - изучение возможностей атомно-силовой микроскопии для анализа структуры, свойств и характеристик пленок.

1. Атомно-силовая микроскопия

.1 Метод атомно-силовой микроскопии

Атомно-силовая микроскопия - один из видов сканирующей зондовой микроскопии, основанный на взаимодействиях зонда с поверхностью образца. В основном АСМ используется для получения топографии поверхности образца.

Метод АСМ обладает рядом существенных преимуществ относительно других методов микроскопии. Атомно-силовая микроскопия позволяет исследовать поверхности любых материалов - проводящих, полупроводников и непроводящих электрический ток, не требует сложных методов приготовления образцов. Кроме того, помимо получения топографии поверхности образца, возможно исследование структурных и микромеханических свойств (твердость, адгезия и эластичность)[1].

Однако у АСМ есть и недостатки, наличие на получаемых при их помощи изображениях многочисленных «артефактов», не имеющих отношения к рельефу измеряемой поверхности. Кроме того, на качество полученных изображений существенное влияние могут оказывать шумы. Источники шумов бывают внешние и внутренние. К внешним относят механические колебания, акустические шумы. К внутренним относят шумы исходящие из самого микроскопа, контуры управления, высоковольтные усилители.

На рис. 1.1 представлено схематическое устройство атомно-силового микроскопа. Основной принцип работы АСМ заключается в воздействии сил со стороны поверхности образца на острие сканирующей иглы. Образец последовательно сканируется в двух направлениях (i j) с использованием силоизмерительного зонда (рис. 1.2), состоящего из иглы, присоединенной к кантилеверу, или являющейся его частью.

Рисунок 1.1 - Схематическое устройство атомно-силового микроскопа

Рисунок 1.2 - Схематическое изображение процесса сканирования

Важнейшей составляющей AСM являются сканирующие зонды - кантилеверы, свойства микроскопа напрямую зависят от свойств кантилевера. Кантилевер представляет собой гибкую балку с определенным коэффициентом жесткости, на конце которой находится микро игла (рис 1.3).

Рисунок 1.3 -Изображение зонда для АСМ

Это основной измерительный элемент многих типов зондовых микроскопов. Правильный выбор кантилевера является одним из важнейших условий получения отличных АСМ изображений.

В отношении контакта между острием сканирующей иглы и поверхностью исследуемого образца работа атомно-силового микроскопа обычно проходит в одном из режимов: контактный и бесконтактный режимы.

При контактном режиме острие сканирующей иглы АСМ приходит в мягкий «физический контакт» с образцом. В этом случае на кантилевер действует отталкивающая межатомная сила, которая уравновешивается за капиллярной и консольной сил.

Капиллярная сила - это воздействие на острие сканирующей иглы со стороны тонкого слоя влаги, обычно присутствующего на поверхностях, находящихся в обычной среде (рис. 1.4). Капиллярная сила возникает, когда адсорбированная на поверхности влага приподнимается вокруг острия. Оказываемое на острие сильное притягивающее воздействие (около 10-8 Н) удерживает его в контакте с поверхностью. Ввиду того, что острие находится в контакте с образцом, капиллярная сила должна быть постоянной, поскольку расстояние между острием и образцом фактически не изменяется. Другое условие, позволяющее считать капиллярную силу постоянной, это предположение о достаточной однородности слоя влаги.

Рисунок 1.4 - Схема возникновения капиллярной силы

Воздействие со стороны самой измерительной консоли подобно усилию в сжатой пружине. Величина и знак (отталкивающая или притягивающая) «консольной» силы зависит от отклонения консоли и ее константы упругости. Сила, прилагаемая измерительной консолью контактного атомно-силового микроскопа, в отличие от капиллярной является переменной.

Общее усилие, прикладываемое со стороны острия сканирующей иглы к образцу, это сумма капиллярной и консольной сил. Величина суммарной силы варьируется от 10-8 Н (когда измерительная консоль отводится от образца почти с таким же усилием, как вода притягивает острие к его поверхности) до более типичного рабочего диапазона в пределах 10-7...10-6 Н.

В бесконтактном режиме атомно-силовой микроскоп отслеживает притягивающие Ван-дер-Ваальсовы силы между острием сканирующей иглы и образцом. Зазор между острием и образцом обычно составляет 5-10 нм. На таком расстоянии электронные орбитали атомов острия сканирующей иглы начинают синхронизироваться с электронными орбиталями атомов образца. В результате возникает слабое притяжение, потому что в любой момент времени атомы острия и образца поляризованы в одном и том же направлении. В свободном пространстве эти атомы будут сближаться до тех пор, пока сильное электростатическое отталкивание не станет преобладающим.

В бесконтактном режиме работы атомно-силового микроскопа суммарная сила между острием и образцом небольшая - обычно ~10-12 Н. Эта малая сила является преимуществом при исследовании мягких и упругих образцов. Еще одно преимущество заключается в том, что такие образцы, как, например, кремниевые подложки не загрязняются при контакте с острием.

При исследовании жестких образцов, изображения, полученные в контактном и бесконтактном режимах, могут выглядеть одинаково. Однако если на поверхности жесткого образца лежат, к примеру, несколько монослоев конденсированной влаги, то эти изображения могут значительно различаться. Атомно-силовой микроскоп, работающий в контакте, будет проникать через слой жидкости, отображая нижележащую поверхность, тогда как в бесконтактный - будет давать изображение поверхности слоя влаги (рис. 1.5).

В отношении возбуждения вынужденных колебаний измерительной консоли атомно-силового микроскопа различают два режима - статический и динамический. Если в измерительной консоли атомно-силовые микроскопы модулируют колебания, то такой режим называют динамическим, в противном случае - статическим.

В статическом режиме силы взаимодействия между острием иглы и поверхностью образца вызывают отклонение измерительной консоли, изгибая ее до достижения статического равновесия. В процессе сканирования образца (при движении острия над неподвижным образцом или образца под неподвижным острием) атомно-силовой микроскоп детектирует отклонения консоли, формируя набор данных о топографии одним из двух способов. В первом, называемом режимом постоянной высоты (его другое название - режим переменного отклонения), данные об изменениях положения консоли в пространстве могут быть непосредственно использованы для формирования образа топографии. Под постоянной высотой здесь подразумевается неизменность расстояния между зондирующим узлом и образцом.

а - бесконтактный режим; б- контактный режим

Рисунок 1.5 - АСМ-профили при наличии на поверхности влаги

Режим постоянной высоты часто используется для получения изображений атомноплоских поверхностей в атомном масштабе, где отклонения консоли и, следовательно, изменения прикладываемой силы всегда будут малыми. Режим постоянной высоты также важен для визуализации в реальном масштабе времени изменяющихся поверхностей, когда нельзя пренебречь высокой скоростью сканирования.

В другом методе, который называют режимом постоянной силы, отклонение измерительной консоли используется в качестве входного параметра для системы обратной связи, которая поддерживает величину этого отклонения постоянной. В данном случае сканирующее устройство передвигается вверх и вниз по оси z в соответствии с текущими условиями микрорельефа поверхности образца, и на основании данных об этих перемещениях формируется изображение топографии. Режим постоянной силы обычно наиболее предпочтителен в большинстве приложений: хотя скорость сканирования в этом случае ограничена скоростью реакции системы обратной связи, но общее воздействие, оказываемое на образец острием сканирующей иглы, хорошо контролируется. При поддержании постоянного отклонения консоли суммарная сила, прикладываемая к образцу, остается постоянной. Изображения, полученные в режиме постоянной силы, обычно достаточно легко интерпретировать как образы топографии .

В динамическом режиме система атомно-силового микроскопа модулирует механические колебания измерительной консоли на частоте, близкой к резонансной (типичные значения находятся в пределах от 30 до 300 кГц), с амплитудой в несколько нанометров. Величина самой резонансной частоты зависит от прикладываемой внешней силы, и поэтому в процессе приближения острия сканирующей иглы к поверхности образца она изменяется, поскольку при этом изменяется и величина Ван-дер-Ваальсовой силы. Отталкивающая сила стабилизирует упругую реакцию консоли и увеличивает резонансную частоту, тогда как при воздействии притягивающей силы наблюдается обратная картина .

В процессе сканирования образца в динамическом режиме система обратной связи атомно-силового микроскопа передвигает сканирующее устройство вверх и вниз, сохраняя либо амплитуду, либо резонансную частоту измерительной консоли постоянной, что позволяет поддерживать постоянным и среднее расстояние между острием и образцом. Как и при работе в статическом режиме постоянной силы, данные о передвижениях сканирующего устройства используются для визуализации топографии. При таком методе измеряется и визуализируется поверхность постоянного градиента сил.

2. Применение атомно-силовой микроскопии для определения МОРФОЛОГИИ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Атомно-силовая микроскопия самый распространенный метод для анализа поверхностных характеристик тонких пленок. Таким методом были проведены исследования шероховатости тонких титановых пленок [2] . Исследование морфологии пленок (рис. 2.1) проводилось в контактном режиме

Рисунок 2.1 - АСМ изображение участка поверхности тонких титановых пленок: а - пленка с R_q= 14.9 нм; б - наиболее гладкая пленка с R_q= 1.2 нм; в - пленка с наибольшей шероховатостью R_q= 2.3 нм

Пленки были получены методом магнетронного осаждения титана на кремневые подложки. АСМ исследования шероховатости поверхности выявили необходимость оптимизации режима осаждения пленок по давлению распыляющего газа.

Рисунок 2.2 - Изображение поверхности пленки CdS полученное методом АСМ

С использованием атомно-силовой микроскопии исследована морфология поверхности тонких пленок Cu-Ga-Se (рис. 2.3 полученных совместным гидрохимическим осаждением селенидов меди (I) Cu₂Se и галлия Ga₂Se₃. С помощью фрактального анализа АСМ-изображений установлена зависимость между условиями осаждения тонких пленок Cu-Ga-Se и их фрактальной размерностью, рассчитанной методом подсчета кубов и методом триангуляции. Также предложен механизм формирования и роста пленок при гидрохимическом осаждении диселенида меди (I) и галлия. [4].

Рисунок 2.3 - АСМ-изображения поверхности пленок Cu-Ga-Se, синтезируемых из реакционной смеси, содержащей различные концентрации Ga(NO3)3, моль/л: а - 0,025; б - 0,05; в - 0,10; г - 0,15; д - 0,20; е - 0,25.

По данным АСМ поверхности пленок Cu-Ga-Se, установлено, что структура слоя сформирована из объемного конгломерата, состоящего как из пластинчатых, так и из глобулярных агрегатов (рис. 2.4). При меньших концентрациях соли галлия для полупроводникового слоя Cu-Ga-Se характерны агрегаты, имеющие более пластинчатую форму, увеличение концентрации Ga(NO₃)₃ приводит к уменьшению пластинчатых и возрастанию числа глобулярных формирований со средним размером частиц 135-240 нм.

В табл. 1 представлены параметры, описывающие шероховатость полученных полупроводниковых слоев Cu-Ga-Se. Для всех образцов пленок характерны достаточно резкие перепады высот рельефа, о чем свидетельствует значительная разница между максимальной высотой профиля поверхности и параметром, определяющим среднеквадратичную шероховатость (Rq)

Рисунок 2.4 - Трехмерные АСМ-изображения поверхности пленок Cu-Ga-Se, синтезируемых из реакционной смеси, содержащей следующие концентрации Ga(NO3)3, моль/л: а - 0,025; б - 0,25.

Таблица 1. Параметры, описывающие шероховатость пленок Cu-Ga-Se по результатам обработки АСМ-изображений размером 10×10 мкм

Приведены результаты АСМ поверхности тонких пленок Al₂O₃, имплантированных ионами Si⁺, в зависимости от дозы облучения (5∙10¹⁶ - 3∙10¹⁷см^-2) и температуры последующего высокотемпературного отжига. На рисунке 2.5 приведены «трехмерные» АСМ-топограммы поверхности необлученной и облученных Si⁺ пленок Al₂O₃ (не подвергнутых отжигу) в зависимости от дозы облучения [5].

Рисунок 2.5 - Трехмерные АСМ-изображения пленок Al₂O₃, облученных ионами Si⁺ с дозами, см^-2: а - 0; б - 5∙10¹⁶; в - 1∙10¹⁷; г - 3∙10¹⁷

Полученные образцы пленок кремния толщиной 90 нм исследовались методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) в работе [6]. Все полученные пленки кремния имели на поверхности характерные образования латеральными размерами от 10 до 300 нм и высотами от 5 до 70 нм (рис. 2.6). Причем количество образований явно зависит от температуры роста пленки: при 300 ⁰ С количество образований минимально, при 500 ⁰ С их количество резко возрастает, а при дальнейшем увеличении температуры подложки до 650 ⁰ С количество образований вновь уменьшается (но не меньше чем при 300⁰ С). Дальнейшее увеличение температуры подложки на 100⁰ С приводит к резкому снижению скорости роста, становится невозможным получение образца пленки кремния нужной толщины.

Рисунок 2.6 - АСМ изображение пленок кремния толщиной 90 нм: a - температура подложки 20⁰ С, b - температура подложки 300⁰ С, c - температура подложки 500⁰ С, d - температура подложки 650⁰ С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

АСМ позволяет исследовать поверхности материалов: проводящих, полупроводников, не проводящих электрический ток. Помимо получения топографии поверхности образца, возможно исследования таких свойств, как адгезия, твердость и др. К недостаткам относится наличие на полученных изображениях так называемых "артефактов", а также влияние шумов.

Метод АСМ часто используется для исследования механических свойств тонких пленок, таких как шероховатость.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Быков, В.А. Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности / В.А. Быков, М.И.Лазарев, С.А. Саунин // Электроника: наука, технология, бизнес. - 1997. - № 5. с. 7 - 14.

. Ляхов, И.Г. Исследование режимов магнетронного напыления тонких пленок титана для криогенных детекторов : / И.Г. Ляхов, А.А. Кузьмин, А.С. Ильин, М.А. Ермакова, К.В. Булах // Труды МФТИ - 2013. - Том 5, № 1.

. Трегулов, В.В. Исследование с помощью атомно-силовой микроскопии поверхности тонких пленок CdS, изготовленных методом химического осаждения / В.В. Трегулов [и др.] // Вестник Рязанского государственного университета им. С.А. Есенина. - 2012. - № 35. - c. 83-91.

. Федорова, Е.А. Фрактальный анализ АСМ-изображений химически осажденных пленок Cu-Ga-Se : заключительный отчет о НИР / Урал. федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина ; Руководитель Л. Н. Маскаева ; Исполнители Е. А. Федорова, Л. Н. Маскаева, В. Ф. Марков, В. А. Мошников, Н. В. Пермяков. - Екатеринбург, 2013. - 20 с.

5. Галлямов, М.О. Сканирующая зондовая микроскопия нуклеиновых кислот и тонких органических пленок: автореф. дис. кандидат физ.-мат. наук: 17.06.1999 / М.О. Галлямов; ГУ имени М.В. Ломоносова. 1999. - 23с.

. Рочева, В.В. Морфология тонких пленок аморфного Si, полученных при различных температурах осаждения методом CBPLD [Электронный ресурс] / В.В. Рочева, Е.В. Хайдуков, О.А. Новодворский, В.Я. Панченко // Труды X межвузовской научной школы Молодых специалистов "концентрированные потоки энергии В космической технике Электронике, экологии и медицине". 2009). - Режим доступа: http://nuclphys.sinp.msu.ru/school/s09/09_21.pdf, свободный. - Загл. с экрана.