на правах рукописи

Поляков Вячеслав Викторович

СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ

МИКРОСКОП СОВМЕСТИМЫЙ С БАЗОВЫМИ МЕТОДАМИ

НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Специальность: 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» и в ЗАО «Нанотехнология МДТ»

Научный руководитель доктор технических наук Быков Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Агеев Олег Алексеевич кандидат физико-математических наук Анкудинов Александр Витальевич

Ведущая организация Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Защита состоится 27 ноября 2009 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 002.034.01 при Учреждении Российской академии наук Институте аналитического приборостроения РАН (ИАП РАН) по адресу 190103, Санкт-Петербург, Рижский пр.,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАП РАН

Автореферат разослан 23 октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Щербаков А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Развитие нанотехнологий невозможно без развития методов создания, модификации и диагностики нанообъектов. Широкое распространение получили методы электронной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии, вторично-ионной масс-спектроскопии, оже-спектроскопии, а также методы, основанные на использовании фокусированных ионных пучков.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) представляет собой мощный метод комплексного исследования свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За прошедшие с момента появления первых приборов годы применение зондовых микроскопов позволило достичь уникальных научных результатов в различных областях физики, химии и биологии; развитие методов СЗМ послужило во многом движущей силой нанотехнологий. Современный сканирующий зондовый микроскоп – это прибор, интегрирующий в себе до пятидесяти различных методик исследования. Постоянно создаются новые конструкции приборов, специализированные для различных приложений.

Аппаратурное объединение методов сканирующей зондовой микроскопии с другими базовыми методами нанотехнологий дает уникальные возможности, связанные с созданием и отработкой процессов изготовления, исследованием свойств нано- и микроэлектромеханических систем, наноэлектронных элементов, других нанообъектов. При этом развитие специализированных методик зондовой микроскопии позволяет расширить спектр исследуемых характеристик наноструктур.

Цель и задачи работы Целью работы является создание сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа, совместимого с базовыми методами нанотехнологий.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Разработка и апробация методики сканирующей емкостной микроскопии.

2. Разработка конструктивных решений сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа, способного исследовать свойства и осуществлять модификацию поверхности в любой области подложки диаметром вплоть до 100 мм.

3. Разработка оптического датчика изгибов кантилевера для сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа, а также анализ зависимости чувствительности и шумовых характеристик датчика от величины угловой апертуры лазерной системы датчика.

4. Разработка сверхвысоковакуумного XYZ координатного стола, обеспечивающего субмикронную точность позиционирования, а также апробация совместимости разработанного зондового микроскопа с базовыми методами нанотехнологий.

Научная новизна работы 1. Впервые предложен зондовый датчик со встроенным конденсатором для сканирующей емкостной микроскопии.

2. Предложен оригинальный метод компенсации паразитной емкости для реализации методики сканирующей емкостной микроскопии, большеразмерных образцах с развитым рельефом.

3. Впервые проанализировано влияние угловой апертуры лазерной системы датчика изгибов кантилевера атомно-силового микроскопа на чувствительность и уровень шумов датчика, а также предложен метод оптимизации угловой апертуры.

4. Впервые разработан сканирующий зондовый микроскоп, совместимый с базовыми методами нанотехнологий, позволяющий исследовать свойства и осуществлять модификацию поверхности 100-мм подложки в любой ее точке в условиях сверхвысокого вакуума (при давлениях Практическая значимость работы 1. Результаты, полученные в работе, явились научно-технической основой для производства ЗАО «Нанотехнология МДТ» модулей сканирующей зондовой микроскопии для нанотехнологических комплексов Нанофаб 100.

2. На основе результатов, полученных при разработке методики сканирующей емкостной микроскопии, создано и поставлено в серийное производство ЗАО «Нанотехнология МДТ» изделие AU030, реализующее методику на сканирующих зондовых микроскопах «Интегра» и «Солвер».

3. Разработанный сверхвысоковакуумный XYZ координатный стол поставлен в серийное производство ЗАО «Нанотехнология МДТ» и применяется в составе различных модулей нанотехнологических комплексов Нанофаб 100, а также может быть применен как отдельное устройство при решени задач, требующих прецизионного перемещения образцов линейным размером до 100 мм в условиях вплоть до сверхвысоковакуумных.

Положения, выносимые на защиту 1. Применение зондового датчика со встроенным конденсатором при измерениях с использованием методики сканирующей емкостной микроскопии позволяет значительно уменьшить влияние изменений паразитной емкости в процессе сканирования на получаемые 2. Применение метода компенсации паразитной емкости для реализации исследовать пространственные распределения концентраций носителей в полупроводниках в диапазоне от 1015 см-3 до 1020 см-3 в том числе на большеразмерных образцах с развитым рельефом с существенно меньшим уровнем шумов по емкости, чем при использовании известных подходов.

3. Оптимизация угловой апертуры лазерной системы датчика изгибов кантилевера атомно-силового микроскопа позволяет при прочих равных условиях понизить шумы датчика с 0.04-0.05 нм до 0.02 нм в 4. Предложенные конструктивные решения сканирующего зондового микроскопа позволяют исследовать и модифицировать поверхность подложки диаметром вплоть до 100 мм в любой ее точке в условиях сверхвысокого вакуума (при давлениях ~ 10-10 Торр).

5. Конструктивные решения сверхвысоковакуумного XYZ координатного стола позволяют прецизионно перемещать подложку диаметром вплоть до 100 мм с точностью позиционирования 0.3 мкм, обеспечивая совместимость разработанного зондового микроскопа с другими локальными методами модификации и исследования поверхности.

Апробация работы Результаты работы докладывались на IX Международном симпозиуме «International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments»

(Россия, Санкт-Петербург, 2009); XI Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Россия, Нижний Новгород, 2007); Международной конференции «Micro- and nanoelectronics 2005» (Россия, Москва, Звенигород, 2005).

Публикации По материалам диссертации опубликованы 7 печатных работ, в том числе 3 статьи и 1 патент РФ, а также подана 1 заявка на патент.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет 110 страниц, работа содержит 65 рисунков, 3 таблицы, список цитируемых источников из 90 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, а также положения, выносимые на защиту. Излагается краткое содержание работы.

В первой главе работы проведен обзор методов сканирующей зондовой микроскопии, возможностей их применения для характеризации свойств полупроводниковых структур, а также возможностей совместного применения СЗМ-методов с другими методами нанотехнологий.

Методы сканирующей зондовой микроскопии сами по себе весьма привлекательны, равно как и их совместное применение с д ругими методами нанотехнологий. Современные нанотехнологии имеют дело с объектами с характерными размерами на уровне 1-100 нм, поэтому желательно обеспечивать применение СЗМ-методов в условиях, дающих максимальный уровень чистоты и сохранности поверхности, то есть в условиях сверхвысокого вакуума. В большинстве случаев оборудование, реализующее такие современные методы нанотехнологий, как молекулярно-лучевая эпитаксия, импульсное лазерное осаждение и т.д., предназначено для работы с пластинами диаметром от 50 до 300 мм. Кроме того, современные возможности локальных методов нанотехнологий (в частности, методов фокусированных ионных пучков) уже достигли того уровня, когда они могут быть применены в мелкосерийных либо серийных процессах изготовления нано- и микроэлектромеханических устройств, наноэлектронных элементов, изделий на их основе. Эти соображения существенны для выбора размера образца, с которым должен работать зондовый микроскоп, совместимый с базовыми методами нанотехнологий. В данной работе в качестве используемого образца выбрана пластина диаметром до 100 мм.

Для эффективного использования зондового микроскопа требуется максимально полно оснастить его набором современных методик СЗМ.

Поскольку значительную часть наноструктур составляют полупроводниковые структуры, принципиальную роль в арсенале СЗМ-методик играют методы исследования свойств полупроводников, в частности, методы исследования пространственного распределения концентраций носителей. Для характеризации с высоким пространственным разрешением пространственного распределения концентраций носителей в полупроводниковых структурах применяется с разным успехом большое количество зондовых методов, таких как метод зонда Кельвина, метод определения контраста сопротивления растекания, сканирующая емкостная микроскопия. В зондовых микроскопах отечественного производства до недавнего времени были реализованы все перечисленные методы, за исключением сканирующей емкостной микроскопии (СЕМ). В тоже время, СЕМ является, пожалуй, наиболее перспективной среди перечисленных, так как обеспечивает высокое пространственное разрешение (на уровне 10 нм) и является неразрушающей методикой.

Приведенные соображения обосновывают постановку задач диссертационного исследования, которой завершается первая глава работы.

Вторая глава работы посвящена разработке и апробации методики сканирующей емкостной микроскопии.

В методике СЕМ измеряются вариации емкости МДП-структуры, образованной проводящим зондом СЗМ, прижатым к тонкому слою диэлектрика на поверхности исследуемого полупроводникового образца (рис. 1), что позволяет судить о рапределении концентраций носителей в пределах области сканирования микроскопа. На практике обычно измеряют распределение по области сканирования микроскопа контраста производной dC/dV емкости системы при некотором фиксированном постоянном смещении между зондом и образцом. Среди известных способов реализации СЕМ наиболее широко применяется метод модуляции паразитной емкости, который используется, например, в выпускаемом серийно приборе компании Veeco (California, USA). Данный метод основан на использовании резонансного емкостного СВЧ-датчика для измерения малых изменений емкости в системе.

Уровень шумов устройства Veeco составляет 4-11 аФ/Гц1/2 (1 аФ = 10-18 Ф) [Lee D.T., Pelz J.P., Brushan B. Rev. Sci. Instrum. 2002. V. 73, N 10. P. 3525-3533].

Рис. 1. Проводящий зонд СЗМ, разрешения методики. Однако, на пути прижатый к слою диэлектрика на практической реализации методики СЕМ поверхности полупроводниковой имеется ряд трудностей.

емкости в такой системе.

острием зондового датчика и образцом (рис. 1), составляют по порядку величины 1017 1018 Ф (1-10 аФ). При этом паразитные емкости C1 и С2, образованные соответственно кантилевером и образцом, а также чипом зондового датчика и образцом, составляют в сумме около 0.5 пФ, т.е.

паразитная емкость на пять порядков превышает величину измеряемой емкости. Более того, известно, что присутствующая в системе паразитная емкость изменяется в процессе сканирования; такие изменения могут достигать 100 аФ/мкм при перемещении зонда в латеральном направлении и 4 фФ/мкм при перемещении зонда по вертикали. Эти обстоятельства затрудняют применение известных способов реализации СЕМ, в особенности на большеразмерных образцах с развитым рельефом, при исследовании которых вклад изменений паразитной емкости в процессе сканирования становится весьма существенным.

В работе предложены оригинальный метод компенсации паразитной емкости с использованием зондового датчика специальной конструкции, а также устройство, реализующее СЕМ на выпускаемых серийно зондовых микроскопах. Разработанный метод состоит в следующем. Паразитная емкость в системе образована преимущественно чипом зондового датчика и образцом.

Несложные оценки позволяют утверждать, что и изменения паразитной емкости при сканировании в основном обусловлены изменениями взаимной емкости чипа и образца. Обойти эти трудности позволяет использование зондового датчика специальной конструкции. На чип датчика со стороны иглы наносится проводящий экран, отделенный от собственно чипа слоем диэлектрика толщиной около 50 мкм (рис. 2). Таким образом, вместо изменяющейся паразитной емкости, образованной чипом и образцом, при сканировании действует постоянная емкость, образованная чипом и проводящим экраном.

Оставшуюся паразитную емкость между зондовым датчиком и образцом, образованную кантилевером и неэкранированной частью чипа, предложено компенсировать в два этапа. Первый этап представляет собой электромеханическую компенсацию – над кантилевером и чипом зондового датчика располагается компенсационный электрод, выполненный в форме полукольца (рис. 2). Электрод и зонд соединяются со входами балансного усилителя измерительной головки. Таким образом обеспечивается симметризация паразитных емкостей относительно образца. Второй этап компенсации паразитной емкости представляет собой электрическую компенсацию – один из входов усилителя соединяется через варикап с общей шиной прибора, обеспечивая тем самым симметризацию входной измерительной цепи относительно земли. В результате удается добиться симметрии входов балансного усилителя на уровне ~ 100 аФ.

Рис. 2. Компенсация паразитной емкости с использованием зондового датчика специальной конструкции: работоспособности предложенных 3 – диэлектрический слой, 4 – экран, эффективности предложенного подхода 5 – компенсационный электрод, для устранения эффекта изменения 6 – варикап, 7 – балансный усилитель.

сканирования, а также оценка шумовых характеристик устройства.

На рис. 3 представлены сканированные изображения емкостного контраста dC/dV и рельефа поверхности интегральной схемы. Подложка имеет p-тип проводимости, выполненные в ней карманы – n-тип. Исследованный образец представляет собой большеразмерную планарную структуру с развитым рельефом. Тем не менее, на представленых изображениях четко видны границы р- и n-областей и отсутствуют нелинейные искажения, вызываемые эффектом изменения паразитной емкости в процессе сканирования при использовании традиционных подходов.

Эффективность применения зондового датчика специальной конструкции подтверждается также сравнением величины изменения выходного сигнала устройства при перемещении зонда по поверхности однородно легированного образца в случаях зондовых датчиков с разным размером неэкранированой части чипа. Так, при уменьшении размера неэкранированной части чипа от 3001600 мкм до 101600 мкм паразитный фон в выходном сигнале уменьшается примерно вдвое, а величина паразитного изменения выходного сигнала при движении зонда по площади сканирования – приблизительно на порядок.

Рис. 3. Сканированные изображения интергальной схемы:

а) емкостной контраст dC/dV; б) рельеф.

Область сканирования 4040 мкм, высоты рельефа ~350 нм.

На рис. 4 представлены результаты измерений другого образца (предоставлен National Nano Device Laboratories, Taiwan, Mao-Nan Chang, Ph. D). Образец представляет собой два соединенных вместе скола дифракционной решетки периодом 2.8 мкм, выполненной на кремниевой подложке n-типа с ориентацией (100) и легированной ионами BF2 c энергией 20 кэВ. Доза при имплантации такова, что концентрация примеси в легированных областях решетки составляет порядка 1020 см-3.

Риc. 4. а) Структура образца; б) сканированное изображение емкостного контраста dC/dV; в) рельеф образца. Область сканирования 3.55 мкм.

Для оценки шумовых характеристик был измерен уровень шума выходного сигнала разработанного устройства (среднеквадратичное отклонение от среднего) в полосе 10-1000 Гц, который составил 2 мВ. Экспериментальная оценка крутизны преобразования разработанного датчика дала величину 2-8 фФ/В, откуда может быть получена оценка для спектральной плотности шумов датчика на уровне 0.2-0.5 аФ/Гц1/2. Отметим, что аналогичное значение для системы Veeco составляет 4-11 аФ/Гц1/2. При этом динамический диапазон концентраций носителей в образце, детектируемый обоими устройствами, одинаков.

Третья глава работы посвящена разработке конструктивных решений сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа, совместимого с базовыми методами нанотехнологий. В настоящее время выпускается большое количество зондовых микроскопов. Тем не менее, среди всего многообразия имеющихся на рынке приборов, нет таких, которые бы удовлетворяли условиям поставленной задачи, ключевым среди которых является требование реализации возможности применения СЗМ-методов в любой области 100-мм пластины в условиях сверхвысокого вакуума. Наиболее близкими по э тому параметру системами являются приборы Large Sample SPM и Large Sample Beam Deflection AFM компании Omicron Vakuumphysik GMBH (Germany).

Однако, эти приборы позволяют исследовать лишь центральную (размером 1010 мм) область 100-мм пластины.

Разработанный сверхвысоковакуумный СЗМ содержит две вакуумные камеры – собственно камеру СЗМ и камеру сменных зондовых головок (камера зондов). Камера СЗМ является сверхвысоковакуумной и не вскрывается в рабочем состоянии на атмосферу. Сканирование производится зондом, максимальный размер поля сканирования составляет 808010 мкм.

Позиционирование образца под зондом микроскопа осуществляется с помощью XYZ координатного стола с диапазонами перемещения 100 мм по XY и 15 мм по Z координатам, соответственно. Общий вид си стемы и основные узлы камеры СЗМ показаны на рис. 5 и рис. 6 соответственно.

Среди задач, возникающих при разработке сверхвысоковакуумного СЗМ, совместимого с базовыми методами нанотехнологий, наиболее существенны следующие:

1. Требуется организовать систему, которая позволяла бы помещать в вакуум сразу несколько зондовых датчиков, выбирать из них рабочий зонд и затем заменять его на другой без вскрытия сверхвысоковакуумного объема на атмосферу. Действительно, зонды являются расходным материалом при работе СЗМ, смена зондов требуется также для перехода от одних методик зондовой микроскопии к другим. Разгерметизация сверхвысоковакуумного объема для каждой операции замены зонда является недопустимой.

2. Для работы в методиках атомно-силовой микроскопии (АСМ) следует организовать систему регистрации (датчик) изгибов кантилевера, обеспечив возможно низкие шумовые характеристики.

3. На работу любого зондового микроскопа существенно влияют внешние акустические и механические помехи, поэтому следует обеспечить возможно низкую чувствительность конструкции к ним и надежную изоляцию СЗМ от этих помех.

Рис. 6. Основные узлы камеры СЗМ: 1 – корпус камеры, 2 – верхний фланец камеры, 3 – фотодиод системы регистрации изгибов кантилевера с системой юстировки, 4 – лазер системы регистрации изгибов кантилевера с системой юстировки, 5 – вспомогательный оптический микроскоп, 6 – манипулятор установки зондовых головок, 7 – сканер, 8 и 9 – кронштейны оптических элементов системы регистрации изгибов кантилевера, 10 – XYZ координатный стол.

Решение первой из поставленных задач изложено в разделе 3.1 третьей главы работы. Для реализации методик атомно-силовой, туннельной микроскопии, а также для реализации методики сканирующей емкостной микроскопии, предложено использовать сменные зондовые головки трех типов (рис. 7). В рабочем положении головка устанавливается на сканер и удерживается на нем за счет взаимного притяжения магнита головки и магнита, расположенного на манипуляторе установки зондовых головок. Головки загружаются через камеру сменных зондовых головок, которая является шлюзовой, то есть при необходимости вскрывается на атмосферу для загрузкивыгрузки головок. Одновременно возможно загрузить до двенадцати зондовых головок. Система смены головок полностью автоматизирована.

Рис. 7. Сменные зондовые головки: а) АСМ (слева) и СТМ (справа):

1 – магнит, 2 – пружинные контакты, 3 – держатель зонда;

б) СЕМ-головка: 1 – зондовый датчик, 2 – компенсационный электрод.

Ключевой задачей при создании любого атомно-силового микроскопа является разработка системы регистрации (датчика) изгибов кантилевера.

Решению этой задачи посвящен раздел 3.2 работы. Для рассматриваемого сверхвысоковакуумного СЗМ, как и во всех выпускаемых серийно АСМ, используется оптический датчик изгибов кантилевера по отклонению отраженного луча, в котором сфокусированный луч лазера падает на кантилевер и, отразившись от него, попадает на секционированный фотодиод, разностные сигналы с секций которого позволяют детектировать как изгибы кантилевера, так и его кручение (рис. 8).

Шумы оптического датчика изгибов кантилевера обычно рассматривают в низкочастотном диапазоне (в полосе 10-1000 Гц), важном для контактного метода АСМ. Для выпускаемых серийно АСМ величина шумов системы регистрации в указанной полосе составляет 0.04-0.05 нм. В качестве основных источников шума обычно рассматривают шум лазера, тепловые колебания кантилевера, дробовой шум фотодиода и тепловой шум нагрузочного резистора в предусилителе. Последние три источника шума дают в указанной полосе вклад на уровне не более нескольких пикометров. Значительный вклад в общий уровень шума дают шумы лазера, связанные преимущественно с поперечными угловыми блужданиями падающего на кантилевер пучка. Для снижения вклада шумов лазера используются различные приемы, такие как диафрагмирование лазерного пучка, термостабилизация и высокочастотная модуляция лазера. Тем не менее, в литературе обходят вниманием вопрос о влиянии угловой апертуры лазерной системы на чувствительность и уровень шумов датчика изгибов. В нашем случае, когда по причинам конструктивного характера приходится значительно (до 200 мм) по сравнению с традиционными системами увеличивать расстояние между лазерной системой и кантилевером, изменяя тем самым угловую апертуру лазерной системы, рассмотрение этого вопроса становится необходимым.

Рис. 8. Оптический датчик изгибов кантилевера. выходе лазерной системы, ЛС – лазерная система, ФД – фотодиод.

пропускания оптической системы, то есть отношение мощности лазерного излучения, попавшего на фотодиод, к мощности выходящего из лазерной системы света. Коэффициент пропорциональности, опущенный в (1), определяется с точностью до числового множителя величиной сопротивления нагрузочного резистора в предусилителе и чувствительностью фотодиода.

Отметим, что чувствительность оптического датчика не зависит от расстояния между кантилевером и фотодиодом, а произведение kP в числителе правой части (1) представляет собой мощность излучения, попавшую на фотодиод. Из (1) видно, что при уменьшении угловой апертуры лазерной системы, чувствительность д атчика возрастает. Одновременно, возрастает и вклад в шумы системы регистрации, обусловленный паразитными блужданиями пучка, делая тем самым соотношение сигнала к шуму неизменным. В тоже время, с уменьшением угловой апертуры, увеличивается размер лазерного пятна на кантилевере. Так, например, в случае гауссова пучка для его полуширины a можно записать:

где - длина волны лазера.

Для упрощения дальнейшего анализа будем считать пятно равномерно засвеченным квадратом со стороной 2а, центр которого совпадает с центром кантилевера. Когда размер пятна превосходит ширину кантилевера, часть мощности падающего пучка теряется. Если w < 2a < l, где w и l – ширина и длина кантилевера соответственно, то при увеличении a величина мощности отраженного от кантилевера пучка падает линейно, и из (1) и (2) видно, что чувствительность системы остается постоянной. Обратим внимание, что в этом случае кантилевер начинает играть роль диафрагмы, вырезая из всего распределения интенсивности в пучке наиболее пологую часть, уменьшая тем самым влияние паразитных блужданий и уровень вызванных ими шумов. При дальнейшем уменьшении угловой апертуры л азерной системы (то есть при увеличении размера пятна на кантилевере), когда становится 2a > l, мощность излучения, попавшего на фотодиод, уменьшается квадратично, и чувствительность системы линейно падает.

Расчет показывает, что оптимальные расстояния от лазерной системы до кантилевера в нашем случае лежат в пределах от 140 мм до 420 мм. Таким образом, вызванное конструктивными особенностями увеличение расстояния между лазерной системой датчика изгибов и кантилевером, в действительности позволяет оптимальным образом выбрать угловую апертуру лазерной системы.

Экспериментально оптимум наблюдается при расстояниях около 200-250 мм.

Эффективность использованного подхода подтверждается сравнением при прочих равных условиях полученного уровня шума с уровнем шумов выпускаемых серийно систем, использующих аналогичную лазерную систему.

Измеренное значение шума разработанной оптической системы р егистрации составило 0.02 нм в полосе 10-1000 Гц.

Задача минимизации влияний внешних акустических и механических помех на работу СЗМ решается в разделе 3.3 третьей главы работы. Разработанный нами сверхвысоковакуумный зондовый микроскоп является фланцевым – сканер, на котором зафиксирован зонд и координатный стол, на котором располагается образец, закреплены на противоположных сторонах вакуумной камеры (рис. 6). Поэтому ясно, что резонансные характеристики камеры существенно влияют на устойчивость микроскопа к внешним механическим и акустическим помехам. Для повышения жесткости предложено использовать камеру с формой, близкой к сферической, с толщиной стенки 25 мм (рис. 6).

Моделирование резонансных характеристик камеры проводилось с помощью программного пакета Cosmos Work. Согласно результатам моделирования, наиболее низкая резонансная частота разработанной к амеры составляет около 1100 Гц. Виброизоляция камеры СЗМ обеспечивается системой активной виброзащиты. На элементах виброзащиты закреплена столешница, к которой жестко фиксирована камера СЗМ с системой сверхвысоковакуумной откачки.

Развязка камеры СЗМ обеспечивается двумя сильфонами (рис. 5). Акустическая изоляция камеры обеспечивается звукозащитным кожухом.

Результаты экспериментального исследования характеристик сверхвысоковакуумного СЗМ приводятся в разделе 3.4 третьей главы диссертации. Для исследования шумовых характеристик разработанного СЗМ измерялся шум сигнала HEIGHT (рельеф образца) в полосе 10-1000 Гц.

Измеренное значение шума в полосе 10-1000 Гц СЗМ составило 0.035 нм (при отключенной системе поддержания XY-положения зонда по датчикам сканера).

Четвертая глава работы посвящена разработке сверхвысоковакуумного XYZ координатного стола, а также апробации возможности совместного использования разработанного СЗМ с системами, реализующими другие методы нанотехнологий.

Устройство, обеспечивающее прецизионное взаимное позиционирование образца и зонда, является одним из ключевых элементов любого зондового микроскопа. Известные координатные столы, которые могут быть использованы в сверхвысоковакуумных условиях, используют в качестве привода шаговые двигатели либо ультразвуковые пьезодвигатели. В работе обосновано, что ни то, ни другое решение не является в нашем случае оптимальным. Для разработанного координатного стола используются инерциальные пьезоэлектрические двигатели. Обеспечение субмикронной точности позиционирования координатного стола требует применения датчиков положения. Стол оснащен оптическими муаровыми датчиками производства Renishaw, которые позволяют измерять изменение взаимного положения каретки и основания с дискретностью 10 нм в диапазоне перемещений до 1 м.

Дрейфовые характеристики стола, их зависимость от пройденного при выполнении операции позиционирования расстояния подробно исследованы в работе. Установлено, что характер дрейфовых смещений по направлениям XY и Z аналогичен; величина установившихся дрейфов стола не превосходит 1 нм/мин для направлений XY и 0.5 нм/мин для направления Z. Максимальная скорость перемещения стола по XY составляет 5 мм/с, по Z – 1 мм/с. Точность позиционирования стола составляет 0.3 мкм (по X, Y и Z).

Примером использования разработанного сверхвысоковакуумного СЗМ совместно с базовыми методами нанотехнологий является его применение в составе нанотехнологических комплексов (НТК), в частности, в качестве модуля сканирующей зондовой микроскопии кластеров нанолокальных технологий НТК Нанофаб 100 (рис. 9).

Особенностью кластера является проведение процессов с применением фокусированных ионных пучков (ФИП) и методов зондовой микроскопии в условиях сверхвысокого вакуума (~ 1010 Торр), что обеспечивает предельную чистоту поверхности формируемых и исследуемых структур. Существенной отличительной чертой таких нанотехнологических комплексов является возможность совмещения рабочих областей при осуществлении различных локальных операций, то есть возможность последовательного применения различных локальных операций к каждому конкретному нанообъекту, имеющемуся на пластине.

Поиск результатов операций, проведенных в одном из модулей НТК производится по знакам совмещения. Если на исследуемом образце нет знаков совмещения или объектов, которые могут быть использованы в их качестве, знаки совмещения могут быть выполнены с помощью фокусированного ионного пучка.

ФИП-изображение такого знака совмещения приведено на рис. 10. На рис. 11 представлено СЗМ-изображение знака совмещения. На рис. представлено ФИП-изображение другой вытравленной структуры. На рис. приведено соответствующее СЗМ-изображение.

Рис. 10. ФИП-изображение Рис. 11. СЗМ-изображение знака совмещения.

вытравленного знака совмещения. Область сканирования 8080 мкм.

Рис. 12. ФИП-изображение Рис. 13. СЗМ-изображение вытравленной вытравленной структуры. структуры. Область сканирования 55 мкм,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Впервые предложен зондовый датчик со встроенным конденсатором для сканирующей емкостной микроскопии.

2. Предложен м етод компенсации паразитной емкости для реализации методики сканирующей емкостной микроскопии, применение которого позволяет исследовать пространственные распределения концентраций носителей в полупроводниках в диапазоне от 1015 до 1020 см-3 в том числе на большеразмерных образцах с развитым рельефом. Уровень шумов по емкости при этом существенно меньше, чем при использовании известных подходов. Создано и поставлено в серийное производство ЗАО «Нанотехнология МДТ» устройство AU030, реализующее данную методику на сканирующих зондовых микроскопах «Интегра» и «Солвер».

3. Предложен метод оптимизации угловой апертуры лазерной системы датчика изгибов атомно-силового микроскопа. Показано, что применение метода позволяет при прочих равных условиях п онизить шумы датчика с 0.04-0.05 нм до 0.02 нм в полосе 10-1000 Гц.

4. Впервые разработан свервысоковакуумный сканирующий зондовый микроскоп, позволяющий исследовать свойства и осуществлять модификацию поверхности пластины диаметром до 100 мм в любой ее области в условиях сверхвысокого вакуума (при давлениях ~ 1010 Торр). Разработанный микроскоп используется в составе нанотехнологических комплексов Нанофаб 100.

5. Разработан сверхвысоковакуумный XYZ координатный стол, позволяющий осуществлять позиционирование пластин диаметром вплоть до 100 мм с абсолютной точностью позиционирования 0.3 мкм.

координатного стола исследовать с помощью сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа структуры, полученные с применением методов фокусированных ионных пучков.

В целом, разработан сверхвысоковакуумный сканирующий зондовый микроскоп, совместимый с базовыми методами нанотехнологий.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Поляков В.В. Контактная сканирующая емкостная микроскопия большеразмерных образцов // Научное приборостроение – 2009 – 3(19) – 2. Поляков В.В. Метод компенсации паразитной емкости в сканирующей емкостной микроскопии // Нано- и микросистемная техника – 2009 – 9 – 3. Поляков В.В. Оптимизация угловой апертуры лазерной системы датчика изгибов кантилевера атомно-силового микроскопа // Известия высших учебных заведений. Электроника – 2009 – 4(78) – с. 87-89.

4. Быков В.А., Быков А.В., Мягков И.В., Трегубов Г.А., Поляков В.В. Зонд для сканирующей емкостной микроскопии // Патент РФ № 2289862 – приоритет от 23.12.2004 – Опубл. 20.12.2006 Бюл. № 35.

5. Bykov V., Polyakov V., Kotov V., Bykov A., Shubin A. NT-MDT for innovations instruments engineering // Proceedings of ISMTII-2009, СанктПетербург – 2009 – Т. 1 – с. 1-077 – 1-081.

6. Атепалихин В.В., Быков В.А., Быков А.В., Поляков В.В.

Нанотехнологические комплексы и их применение в наноэлектронике // наноэлектроника», Нижний Новгород – 2007 – Т. 2 – с. 505-506.

7. Polyakov V.V., Myagkov I.V., Tregubov G.A., Bykov An.V. Compensation Technique in Scanning Capacitance Microscopy // Тезисы докладов международной конференции «Микро- и наноэлектроника», Звенигород, Кроме того, подана заявка на патент:

Быков А.В., Поляков В.В., Атепалихин В.В. Однокоординатный блок вертикального перемещения // Заявка на патент РФ № 2009124110.