2. Атомно-силовой микроскоп (acm)

Для решения многих задач физики поверхности и микро­электроники требуется производить детальный анализ ло­кальных микроскопических характеристик, включая рас­пределение микронеоднородностей заряженных, нейтраль­ных и других дефектов на непроводящих поверхностях. Для этих целей можно использовать силы межатомного (межмолекулярного) взаимодействия, возникающие между иссле­дуемой поверхностью и подносимым к ней на расстояние (0,1 ... 10) нм диэлектрическим острием, т. е. методом атом­но-силовой микроскопии, позволяющей исследовать струк­туры как проводящих, так и непроводящих поверхностей с атомным разрешением в диапазоне сил ( ... ) Н.

2.1. Схематическое изображение зондового датчика acm

Атомно-силовой микроскоп (ACM) был изобретен в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофе­ром Гербером. В основе работы ACM, как уже ясно, лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую микроразмерную консоль, называемую кантилевером (≈ 200 мкм длиной и ≈ 30 мкм шириной), с малым коэффициентом жесткости

(≈ 1 Н/м) с острым зондом на конце (рис. 2.1). Сила, дейст­вующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролиро­вать силу взаимодействия зонда с поверхностью. Вертикальное перемещение зонда в процессе сканирова­ния может контролироваться по отражению лазерного луча. ACM чувствителен к вертикальной компоненте поверхност­ных сил. Близкая к описанным, но более гибкая мода ACM называется латерально-силовой микроскопией (JICM) и реа­гирует на боковые трения между зондом и сканируемой по­верхностью. При этом одновременно может быть измерена и нормальная, и касательная составляющая силы воздействия поверхности на зонд. При изучении рельефа поверхности используется один из двух режимов взаимодействия острия и поверхности: пер­вый режим реализуется при расстояниях между острием и поверхностью S > 0,4 нм, при которых проявляются силы

/»

притяжения (потенциал ≈ ), и второй — при расстояниях S < 0,2 ... 0,3 нм в области проявления сил отталкивания (потенциал ≈ ). Таким образом, физический принцип ра­боты микроскопа атомных сил основан на использовании сил притяжения и сил отталкивания, которые возникают при приближении острия к поверхности исследуемого образца на межатомные расстояния и являются результатом взаимодей­ствия электронных орбиталей атомов острия и образца. Качественно работу ACM можно пояснить на примере дей­ствия сил Ван-дер-Ваальса. Наиболее часто энергию ван- дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии г друг от друга, аппроксимируют степенной функцией — потенциалом Леннарда-Джонса:

Первое слагаемое в данном выражении описывает даль- нодействующее притяжение, обусловленное, в основном, диполь-дипольным взаимодействием атомов. Второе слага­емое учитывает отталкивание атомов на малых расстояни­ях. Параметр r₀ — равновесное расстояние между атомами, U₀ — значение энергии взаимодействия в минимуме.

Потенциал Леннардат-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом. Общую энергию систе­мы W_ps можно получить, суммируя элементарные взаимо­действия для каждого из атомов зонда и образца. Соответ­ственно сила, действующая на зонд со стороны поверхности, может быть вычислена следующим образом:

В общем случае данная сила имеет как нормальную к по­верхности, так и латеральную (горизонтальную, лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие. Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный ха­рактер, однако основные черты данного взаимодействия со­храняются — зонд ACM испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивается на малых.

Получение ACM-изображений рельефа поверхности свя­зано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В первых экспериментах в ACM в качестве острия была использована алмазная пирамидка, а в качестве прибора, регистрирующего отклонения кантилевера — тун­нельный микроскоп (рис. 2.2). С помощью ACM такой кон­струкции была получена структура поверхности кварцевой подложки (рис. 2.3). Сила, отталкивающая кантилевер, представлявшего собой золотую фольгу, составляла Н. Несмотря на малость этих сил, на ряд объектов они оказы­вали разрушающее действие, например, на биологические объекты из-за того, что отталкивающие силы, «читающие» изображение объекта, активно перемещали его части в про­цессе сканирования. В наиболее распространенной конструкции ACM измере­ние отклонения консоли от заданного положения произво­дится с помощью оптического луча полупроводникового ла­зера. Оптическая система юстируется таким образом, чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а отраженный луч попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. Для улучшения отражательных свойств кантилевер с об­ратной стороны (по отношению к острию) покрывают тон­ким слоем металла (Al, Аu) методом вакуумного напыления.

Рис. 2.2. Схема атомно-силового микроскопа: 1 — зондирующее диэлектрическое острие, 2 — трехкоординатный пьезоманипулятор, 3 — исследуемый образец, 4 — кантилевер, 5 — проводящее острие туннельного микроскопа

Рис. 2.3. Поверхность кварцевой подложки

В качестве позиционно чувствительного фотоприемника применяют четырехсекционный полупроводниковый фото­диод (выводы с 1 по 4 на рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика ACM

Использование лазера для регистрации отклонения кантилевера резко увеличило чувствительность прибора и позволило измерять силы взаимодействия вплоть до Н. Это дает возможность поддер­живать сканирующее острие на расстоянии 3 ... 20 нм от по­верхности и не нарушать ее структуры. С помощью лазерно­го считывания можно зарегистрировать неровности порядка 5 нм и сделать это с расстояния >20 нм.

Основные регистрируемые оптической системой парамет­ры — это деформации изгиба консоли под действием Z-компоненты сил притяжения или отталкивания (F_z) и деформа­ции кручения консоли под действием латеральных сил (F_L) взаимодействия зонда с поверхностью, а регистрируемые электрической системой параметры, соответствующие этим деформациям — разностные токи с различных секций фото­диода соответственно ∆I_Z и ∆I_L, которые будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика ACM. Величина ∆I_z используется в каче­стве входного параметра в петле ООС атомно-силового мик­роскопа. истема ООС обеспечивает ∆I_Z = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного элемента, который поддерживает изгиб консоли ∆Z равным величине ∆Z₀, зада­ваемой оператором.При сканировании образца в режиме ∆Z = const зонд пере­мещается по поверхности, при этом напряжение на ∆Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z = f(x, у). Пространственное разреше­ние ACM определяется радиусом закругления зонда и чувст­вительностью системы, регистрирующей отклонения консо­ли. В настоящее время реализованы конструкции ACM, по­зволяющие получать атомное разрешение при исследовании поверхности образцов.

Зондовые датчики атомно-силовых микроскопов. Зон­дирование поверхности в атомно-силовом микроскопе произ­водится, как уже говорилось, с помощью упругой консоли — кантилевера с острым зондом на конце. Зондирующее острие в ACM может быть изготовлено из алмаза, кварца, сапфира (А1₂0₃) и других диэлектрических материалов методами фо­толитографии и травления. Упругие консоли формируются, в основном, из тонких слоев легированного кремния, Si0₂ или Si₃N₄.

Один конец кантилевера жестко закреплен на кремние­вом основании — держателе. На другом конце консоли располагается собственно зонд в виде острой иглы. Радиус за­кругления современных АСМ-зондов составляет 1 ... 50 нм в зависимости от типа зондов и технологии их изготовления. Угол при вершине зонда — 10 ... 20°.

Силу взаимодействия F зонда с поверхностью можно оце­нить по формуле:

F = k · ∆Z,

где k — жесткость кантилевера; ∆Z — величина, характери­зующая его изгиб. Коэффициенты жесткости кантилеверов варьируются в диапазоне 10 ... 10 Н/м в зависимости от ис­пользуемых при их изготовлении материалов и геометриче­ских размеров.

Резонансная частота кантилевера определяется его гео­метрическими размерами и свойствами материала. Частоты основных мод лежат в диапазоне 10 ... 1000 кГц. Доброт­ность кантилеверов, в основном, зависит от той среды, в ко­торой они работают. Типичные значения добротности при ра­боте в вакууме составляют 10³... 10⁴. При работе на воздухе добротность снижается до 300 ... 500, а в жидкости падает до 10 ... 100.

Методики измерения. Информацию о рельефе и свойст­вах поверхности с помощью ACM можно получить двумя ме­тодами. Один из них — контактный квазистатический ме­тод, другой — бесконтактный колебательный. В контактном квазистатическом режиме сканирования острие зонда находится в непосредственном соприкоснове­нии с поверхностью, при этом силы притяжения и отталки­вания, действующие со стороны образца, уравновешиваются силой упругости консоли. При работе ACM в таком режиме используются кантилеверы с относительно малыми коэффи­циентами жесткости, что позволяет обеспечить высокую чув­ствительность и избежать нежелательного чрезмерного воз­действия зонда на образец.

В контактном квазистатическом режиме АСМ-изображение рельефа исследуемой поверхности формируется либо при постоянной силе взаимодействия зонда с поверхностью (F_z = const — сила притяжения или отталкивания), либо при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью образца (Z = const). При ска­нировании образца в режиме F_z = const система обратной связи приближает или отодвигает зонд от поверхности, со­храняя постоянной величину изгиба кантилевера, а следова­тельно, и силу взаимодействия зонда с образцом (рис. 2.5). При этом управляющее напряжение в петле обратной связи, подающееся на Z-электрод сканера, будет характеризовать рельеф поверхности образца. При исследовании образцов с малыми (порядка десятых долей нанометра) перепадами высот рельефа часто применя­ется режим сканирования при постоянном среднем расстоя­нии между основанием зондового датчика и поверхностью (Z = const). В этом случае зондовый датчик движется на не­которой средней высоте Z_cp над образцом (рис. 2. 6), при этом в каждой точке регистрируется изгиб консоли ∆Z, про­порциональный силе, действующей на зонд со стороны по­верхности. АСМ-изображение в этом случае характеризует пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью. Недостаток контактных АСМ-методик — непосредствен­ное механическое взаимодействие зонда с поверхностью. В процессе сканирования это часто приводит к поломке зон­дов и разрушению поверхности образцов, обладающих малой механической жесткостью, таких как структуры на основе органических материалов и биологические объекты. Для исследования образцов, обладающих малой механи­ческой жесткостью, широкое распространение получили полуконтактный и бесконтактный режимы сканирования, основанные на регистрации параметров взаимодействия кан­тилевера, колеблющегося вблизи своей резонансной частоты (50 ... 500 кГц), с поверхностью образца.

В бесконтактном режиме зонд не касается поверхности, взаимодействуя с ней посредством дальнодействующих сил. Эти силы могут быть зарегистрированы по сдвигу частоты и фазы колебаний «мягкого» кантилевера, характеризуемого низким коэффициентом жесткости. При работе в этом режи­ме кантилевер совершает вынужденные колебания с малой амплитудой порядка 1 нм. При приближении зонда к повер­хности на кантилевер начинает действовать дополнительная сила со стороны образца F_ps. При ван-дер-ваальсовом взаимо­действии это соответствует области расстояний между зон­дом и образцом, где действует сила притяжения. Наличие градиента силы взаимодействия зонда с поверхностью образ­ца приводит к сдвигу амплитуды (АЧХ) и фазы (ФЧХ) коле­баний кантилевера (рис. 2.7), что и используется для по­лучения фазового контраста в АСМ-исследованиях поверх­ности. Однако регистрация изменения амплитуды и фазы колебаний кантилевера в бесконтактном режиме требует высокой чувствительности и устойчивости работы обратной

Рис. 2. 5. Формирование АСМ-изображения при постоянной силе взаимодействия зонда с образцом

Рис. 2.6. Формирование АСМ-изображения при постоянном расстоянии между зондовым датчиком и образцом

Рис. 2.7. Изменение амплитуды и фазы колебаний при изменении

градиента силы

связи. Этот режим преимущественно используется в сверх­высоковакуумных условиях, когда на поверхности исследуе­мого образца отсутствует адсорбированная вода, которая приводит к взаимодействию иглы с водой за счет сил смачи­вания (менисковых сил).

В полу контактном режиме сканирования относительно «жесткий» (≈15 Н/м) кантилевер совершает вблизи своего резонанса вынужденные колебания с амплитудой порядка 10 ... 100 нм. Колеблющийся кантилевер приближается к поверхности на такое расстояние, чтобы его зонд касался ее в каждом цикле своих колебаний (в нижнем полупериоде ко­лебаний).

Таким образом, в полуконтактном режиме колеблющийся зонд как бы «обстукивает» исследуемую поверхность с часто­той своих колебаний. При касании образца регистрируется изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера. Взаи­модействие кантилевера с поверхностью в «полуконтакт­ном» режиме состоит из ван-дер-ваальсового взаимодейст­вия, к которому в момент касания добавляется упругая сила отталкивания, действующая на кантилевер со стороны по­верхности. При этом в режиме измерения давление со сторо­ны зонда на исследуемую поверхность в процессе измерения на три порядка меньше, чем в контактном режиме. Умень­шение силы воздействия на поверхность образца до ≈ Н в полуконтактном режиме позволяет значительно увели­чить срок службы зондов, а также проводить исследования мягких образцов, таких как полимеры или биологические объекты. Формирование АСМ-изображения поверхности в режи­ме колебаний кантилевера происходит следующим образом. С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания канти­левера на частоте со (близкой к резонансной частоте кантиле­вера) с амплитудой А_а. При сканировании система обратной связи ACM поддерживает постоянной амплитуду колебаний кантилевера на уровне А₀, задаваемом оператором (А₀ < ). Напряжение в петле обратной связи (на 2-электроде сканера) записывается в память компьютера в качестве АСМ-изобра­жения рельефа поверхности. Одновременно при сканирова­нии образца в каждой точке регистрируется изменение фазы колебаний кантилевера, которое записывается в виде распре­деления фазового контраста. Метод атомно-силовой микроскопии позволяет также изу­чать силовые характеристики поверхности, регистрируя за­висимость силы взаимодействия между атомами острия и поверхности. Современные атомно-силовые микроскопы имеют разре­шение ~ 0,02 нм по вертикали и ~ 0,02 нм в плоскости по­верхности. Достоинством оптических методов измерения отклонения кантилевера по сравнению с другими методами (туннель­ным, емкостным, индуктивным) является высокая чувстви­тельность и большая мощность сигналов, что позволяет по­высить жесткость системы и тем самым ее виброустойчи­вость, а также повысить скорость измерения.