Методы и приборы для исследования анализа и диагностики

Методы и приборы для исследования, анализа и диагностики наночастиц и наноматериалов Лекция СКАНИРУЮЩАЯ БЛИЖНЕПОЛЬНО-ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ (СБОМ) Нанолитография

• Сканирующая ближнепольно-оптическая микроскопия (СБОМ) это один из способов преодолеть предел дифракции. Свет не может пройти через отверстие меньше половины длины волны (около 200 нм для видимого света). Но на расстояниях, сравнимых с длиной волны свет может «заходить» за плоскоcть отверстия

Ближнепольный оптический СЗМ комплекс СБОМ Интегра Солярис

• Традиционные методы получения оптических изображений объектов имеют существенные ограничения, связанные с дифракцией света. Одним из основополагающих законов оптики является существование так называемого дифракционного предела, который устанавливает минимальный размер объекта, изображение которого может быть построено оптической системой при использовании света с длиной волны где n – показатель преломления среды. Для оптического диапазона длин волн предельный размер составляет величину порядка 200– 300 нм.

В ближнепольной оптической микроскопии используются другие принципы построения изображения объекта, которые позволяют преодолеть трудности, связанные с дифракцией света, и реализовать пространственное разрешение на уровне 10 нм и лучше. Ближнепольный оптический микроскоп (БОМ) был изобретен Дитером Полем (лаборатория фирмы IBM, г. Цюрих, Швейцария) в 1982 году сразу вслед за изобретением туннельного микроскопа. В основе работы данного прибора используется явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения).

Рис. 1 б. Линии постоянной Рис. 1 а. Прохождение света интенсивности через отверстие в экране с оптического излучения в субволновой апертурой. области субволнового отверстия.

• При прохождении света через субволновое отверстие наблюдается ряд особенностей. Электромагнитное поле в области диафрагмы имеет сложную структуру. Непосредственно за отверстием на расстояниях • располагается так называемая ближняя зона, в которой электромагнитное поле существует, в основном, в виде эванесцентных (не распространяющихся) мод, локализованных вблизи поверхности диафрагмы. В области расстояний располагается дальняя зона, в которой наблюдаются лишь излучательные моды. Мощность излучения за субволновой диафрагмой в дальней зоне может быть оценена по следующей формуле:

• где – k - волновой вектор, W 0– плотность мощности падающего излучения. • Оценки показывают, что для излучения с длиной волны порядка 500 нм и диафрагмы с отверстием ~ 5 нм мощность излучения в дальней зоне составляет по порядку величин 10– 10 от мощности падающего излучения. Поэтому, на первый взгляд, кажется, что использование малых отверстий для построения растровых оптических изображений исследуемых образцов практически невозможно.

• Однако, если поместить исследуемый объект непосредственно за отверстием 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. • Таким образом, ближнепольное изображение формируется при сканировании исследуемого образца диафрагмой с субволновым отверстием и регистрируется в виде распределения интенсивности оптического излучения в зависимости от положения диафрагмы. • Контраст на БОМ изображениях определяется процессами отражения, преломления, поглощения и рассеяния света, которые, в свою очередь, зависят от локальных оптических свойств образца.

Вывод. Ближнепольное изображение формируется при сканировании исследуемого образца диафрагмой с субволновым отверстием и регистрируется в виде распределения интенсивности оптического излучения в зависимости от положения диафрагмы.

Виды СБОМ Поперечно-силовая микроскопия Метод Пропускания Метод отражения Люминесцентный Метод

• В настоящее время наиболее используемый метод поддержания расстояния зонд-образец основан на измерении поперечно-силового взаимодействия ближнепольного зонда и образца. • Использование основанной на поперечно-силовом взаимодействии системы позволяет проводить измерение рельефа поверхности образца, или наряду с поперечно-силовой микроскопией проводить ближнепольные измерении с использованием Метода пропускания для прозрачных образцов, Метода отражения для непрозрачных образцов и Люминесцентного метода для дополнительной характеризации образцов.

• В настоящее время наиболее используемый метод поддержания расстояния зонд-образец основан на измерении поперечно-силового взаимодействия ближнепольного зонда и образца. Использование основанной на поперечно-силовом взаимодействии системы позволяет проводить измерение рельефа поверхности образца, или наряду с поперечносиловой микроскопией проводить ближнепольные измерении с использованием Метода пропускания для прозрачных образцов, Метода отражения для непрозрачных образцов и Люминесцентного метода для дополнительной характеризации образцов.

• Для удержания оптического зонда вблизи поверхности образца используется неоптическая схема с кварцевым камертонным резонатором в качестве датчика. Это позволяет повысить отношение сигналшум по сравнению с оптическими методами удержания. Это очень важно для работы с предельным разрешением. Кроме того, не появляются фотоиндуцированные носители. Это является важным обстоятельством при исследовании некоторых свойств полупроводников.

• В основе неоптического метода получения информации о рельефе поверхности лежит идея использования отклика прикрепленного к оптическому волокну кварцевого резонатора при взаимодействии с поверхностью. В системе кварцевый резонатор-волокно с помощью внешнего устройства возбуждаются поперечные колебания на резонансной частоте кварцевого резонатора. Далее используется пьезоэффект: механические колебания кварцевого резонатора приводят к электрическому отклику, который используется в качестве информационного сигнала для определения амплитуды колебаний волокна.

• Поперечно-силовая микроскопия осуществляется следующим путем. Пьезовибратор через кварцевый резонатор возбуждает колебания волоконного зонда с некоторой начальной амплитудой, при этом величина выходного сигнала резонатора составляет Ao. При приближении к поверхности образца амплитуда колебаний волоконного зонда уменьшается и достигает некоторой предустановленной (set-point) величины A. После этого производится сканирование поверхности образца с поддержанием системой обратной связи этой величины амплитуды колебаний.

Поперечно-силовая микроскопия

Метод пропускания • Метод Пропускания реализуется одновременно с Поперечносиловой микроскопией и осуществляется следующим путем. Пьезовибратор через кварцевый резонатор возбуждает колебания волоконного зонда с некоторой начальной амплитудой, при этом величина выходного сигнала резонатора составляет Ao. При приближении к поверхности образца амплитуда колебаний волоконного зонда уменьшается и достигает некоторой предустановленной (set-point) величины A. После этого производится сканирование поверхности образца с поддержанием системой обратной связи этой величины амплитуды колебаний. В процессе сканирования образец облучается волоконным зондом и проходящее сквозь образец излучение с помощью объектива направляется на фотоумножитель.

Метод пропускания

Метод отражения • В процессе сканирования образец облучается волоконным зондом и отраженное от образца излучение направляется зеркалом на объектив и далее на фотоумножитель.

Люминесцентный Метод • В процессе сканирования образец облучается волоконным зондом и проходящее сквозь образец излучение и узкополосный режекторный фильтр с помощью объектива направляется на фотоумножитель.

Отличительные особенности • Отличительной особенностью СБОМ по сравнению с СТМ и АСМ является необходимость независимой системы подвода и удержания зонда вблизи поверхности при регистрации интенсивности светового поля, поэтому, как правило, в СБОМ используется атомно-силовой принцип удержания зонда вблизи поверхности по методу сил бокового сдвига ( «shear–force» метода). Это усложняет и удорожает СБОМ, но, с другой стороны, позволяет одновременно получить СБОМ- и АСМизображения, что дает более полную информацию о по верхности образца.

• Уступая СТМ и АСМ в разрешении, СБОМ имеет свою область применения в научных исследованиях. Кроме получения оптического изображения со сверхразрешением (разрешение не зависит от длины волны), СБОМ позволяет также применять методы оптической спектроскопии для локальных исследований микробиологических и полупроводниковых объектов, модифицировать поверхности при сверхплотной записи информации и нанолитографии и избирательно воздействовать на элементы биоструктур.

Зонды для СБОМ

Зонды для СБОМ Uncoated SNOM probe tip Probe tip with Al coating. Aperture is about 70 nm.

Литографии 1) АСМ Анодно-Окислительная Литография 2) СТМ Литография 3) АСМ Литография-Гравировка 4) АСМ Динамическая Литография - Наночеканка

AFM Anodic Oxidation Lithography АСМ Анодно-Окислительная Литография • Она является вариантом АСМ Электрической Литографии. С ее помощью можно изменять не только геометрические характеристики поверхности, но и ее локальные электрофизические свойства. Например, приложение электрического смещения к проводящему кантилеверу стимулирует протекание электрохимических процессов на поверхности непосредственно под образцом, при этом может происходить окисление металлических слоев. В частности индуцированный зондом процесс окисления сверхтонкого слоя титана на поверхности кремния представлен на анимации.

Анодно-Окислительная Литография

• В условиях окружающего воздуха или другой влажной среды поверхности образца и зонда покрыты слоем адсорбированной воды. Когда зонд приближается к поверхности достаточно близко, эти слои приходят в контакт, и под действием капиллярных сил образуется водяной мостик. При приложении соответствующей разности потенциалов на границе вода-поверхность, в воде и на зонде инициируется электрохимическая реакция. Если поверхность заряжена положительно, то зонд и поверхность вступают в электрохимическое взаимодействие как катод и анод соответственно. Окисел начинает расти в точке поверхности строго под зондом.

• Для формирования сложных рисунков может быть произведена Растровая Литография с использованием pcx-файла. Разница между прикладываемыми минимальным и максимальным электрическими потенциалами пропорциональна яркости, и, соответственно, будет меняться и толщина выращиваемого анодного окисла, так что изображение рельефа поверхности будет соответствовать изображению, представленному pcx-файлом.

СТМ литография • С помощью СТМ можно производить ряд нанолитографических операций: модификацию поверхности, перенос материала зонда на образец и наоборот, перенос материала образца на зонд. Если эти операции могут производиться управляемым и предсказуемым образом, то это открывает ряд широких возможностей: создание запоминающих сред, технологию создания литографических рисунков с нанометровым разрешением, манипулирование молекулами и отдельными атомами, наносборку миниатюрных устройств.

• Наиболее простой способ модификации поверхности с помощью СТМ заключается в непосредственном контактном воздействии СТМ зонда на поверхность. Это приводит к появлению ямки на поверхности образца, но при этом может повреждаться зонд СТМ. Более щадящий способ воздействия на поверхность заключается в подаче на образец токового импульса. Поверхность образца под зондом при этом может расплавляться и даже частично испаряться. Пример СТМ Литографии представляет СТМ изображение трех монослоев проводящей ЛБ пленки после локального приложения трех электрических импульсов. Видны кратерообразные дефекты глубиной в один монослой.

СТМ литография

АСМ литография - гравировка • Процесс гравировки хорошо известен как средство формирования рисунка на поверхности предмета. Реализация такого процесса с использованием методов сканирующей зондовой микроскопии позволяет осуществлять наногравировку (нанолитографию) с нанометровым разрешением. При осуществлении наногравировки с использованием методики обычной контактной силовой микроскопии зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима, так что на подложке (или на лежащем на ней слое резиста) формируется рисунок в виде углублений (царапин).

• Такая методика использует принцип вспашки: материал извлекается из подложки вполне определенным образом, оставляя канавки с характерным сечением, определяемым формой кончика зонда. Применение наногравировки в качестве нанолитографической операции обладает определенными преимуществами: по сравнению с электронно- и ионно-лучевой литографиями не вносятся глубокие нарушения в подложку, нет необходимости применения дополнительных технологических операций, таких как травление подложки.

• В процессе сканирования с использованием контактного метода может осуществляться не только глубокая гравировка, но в зависимости от силы прижима зонда и более широкий набор режимов– от легкого скольжения без трения до остаточного истирания. Таким образом, может СЗМ может быть использован для характеризации процессов стойкости различных материалов к истиранию, например, магнитных считывающих головок, упаковочных полимеров, ЖК дисплеев и пр. ,

АСМ литография - гравировка

• Приборы производства NTMDT позволяют осуществлять нанолитографические операции двух видов – векторную и растровую. Векторная литография осуществляется по заранее заданному рисунку, ее преимущество заключается в относительно большой скорости, однако она не позволяет варьировать силу воздействия на подложку в процессе литографии. Растровая литография осуществляется более медленно, поскольку при ее проведение сканирование осуществляется по всей площади участка подложки, на которой формируется рисунок, однако она позволяет осуществлять различное (в зависимости от рисунка шаблона) по силе воздействие зонда на подложку.

АСМ Динамическая Литография - Наночеканка • СЗМ позволяет осуществлять непосредственное силовое воздействие зондом на поверхность образца. Это может производиться двумя путями – статическим воздействием (Наногравировка) и динамическим воздействием (Наночеканка). При Наногравировке используется Контактный метод сканирования для формирования рисунка на поверхности подложки или на нанесенном на нее слое, например, слое резиста, с последующим использованием его в качестве маски травления. Такая технология нанолитографии достаточно проста и дешева, однако у нее есть определенные недостатки. При формировании наноканавки статическим воздействием зонда случайные торсионные изгибы кантилевера приводят к краевым неоднородностям рисунка. Кроме того, предварительное и последующее после нанолитографической операции сканирования приводят к сдвиговым искажениями рисунка.

• С использованием АСМ Динамической Литографии (Наночеканки) модификация поверхности происходит за счет формирования углублений на поверхности образца колеблющимся зондом, при этом используется прерывисто-контактный метод сканирования. Такой метод нанолитографии свободен от сдвиговых искажающих воздействий, решает проблему торсионных искажений и позволяет производить визуализацию сформированного рисунка без серьезного воздействия на поверхность подложки или резиста.

• АСМ Динамическая Литография может производиться с использованием векторного или растрового сканирования. Векторная литография осуществляется по заранее заданному рисунку, ее преимущество заключается в относительно большой скорости, однако она не позволяет варьировать силу воздействия на подложку в процессе литографии. Растровая литография осуществляется более медленно, поскольку при ее проведение сканирование осуществляется по всей площади участка подложки, на которой формируется рисунок, однако она позволяет осуществлять различное (в зависимости от рисунка шаблона) по силе воздействие зонда на подложку.

АСМ Динамическая Литография - Наночеканка

Примеры литографии Портрет Монро. Анодно-окислительная литография была проведена на пленке Ti полуконтактным методом. Изображение предоставлено С. Леесментом, Москва, Россия.

• АСМ нанолитография проводилась методом локального анодного окисления сверхтонкой пленки титана на кремниевой подложке. • СЗМ метод: АСМ Анодно-Окислительная Литография • Размер: 1. 6 x 2. 0 мкм • Изображение получено с использованием СЗМ NTEGRA Aura с DCP 11 зондом.