Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 . Современное состояние зондовых методов исследования и контроля поверхностей материалов и изделий 10
1.1 Актуальность методов зондовой микроскопии 10
1.2 Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) .13
1.2.1 Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) 14
1.2.2 Сканирующая атомно-силовая микроскопия (АСМ) 20
1.2.3 Сканирующая близкопольная оптическая микроскопия (БОМ) 34
1.2.4 Микроскопия боковых сил (МБС) 35
1.3 Классификация методов СЗМ 36
1.3.1 Режим контактного сканирования 36
1.3.2 Режим полуконтактного сканирования 38
1.3.3 Режим бесконтактного сканирования 41
1.3.4 Режим туннельного сканирования 45
1.4 Основные достижения зондовой микроскопии в исследовании природной среды, контроле материалов и изделий 48
Выводы к главе 1 59
ГЛАВА 2 . Методы исследования материалов и изделий в химически активных средах при помощи СЗМ линии «SOLVER» 61
2.1 Исследование материалов и изделий в электрохимических средах при помощи СЗМ 62
2.1.1 Конструкция электрохимической ячейки 63
2.1.2 Особенности СТМ в электролите 70
2.2 Управление электрохимическими процессами 72
Выводы к главе 2
ГЛАВА 3. Методы тестирования поверхностей изделий микроэлектроники на приборах линии «SOLVER» 76
3.1 Разработка СЗМ для исследования топологии поверхности лазерных компакт-дисков 77
3.1.1 Режимы работы и технические характеристики СЗМ Solver-P7LS 78
3.1.2 Экспериментальные результаты по исследованию поверхностей материалов и изделий в производстве лазерных дисков 82
3.1.3 Применение Solver-P7LS в микроэлектронике 86
3.2 Метод группового статистического анализа объектов на поверхности 90
3.2.1 Экспериментальные результаты по исследованию матриц CD-дисков 94
Выводы к главе 3 102
ГЛАВА 4. Разработка емкостных методов для исследования приповерхностных свойств изделий микроэлектроники на СЗМ линии «SOLVER» 104
4.1 Бесконтактная емкостная методика 105
4.2 Разработка метода измерения емкости на основе контактного взаимодействия в системе зонд-поверхность 115
4.3 Промышленные применения емкостных методик 123
Выводы к главе 4 131
ГЛАВА 5. Методы и инструменты для исследования свойств поверхностей магнитных материалов на приборах линии «SOLVER» 133
5.1 Развитие метода магнитно-силовой микроскопии для исследования поверхностей носителей информации 133
5.2 Развитие микромеханических инструментов для прецизионных магнитных исследований
с помощью СЗМ 139
Выводы к главе 5 144
Основные результаты и выводы 146
Литература 149
Приложение 167
- Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)
- Режим контактного сканирования
- Конструкция электрохимической ячейки
- Экспериментальные результаты по исследованию поверхностей материалов и изделий в производстве лазерных дисков
Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Современная электронная промышленность вплотную подошла к рубежу 100 нм, что требует, в дополнение к традиционным, создания новых приборов и методов тестирования, адекватных уровню развития технологии. Нанотехно-логия, областью которой становится микроэлектроника, требует комбинации методов традиционных для микроэлектроники и сравнительно новых методов анализа, позволяющих определять свойства, корректировать элементы нано-метровых размеров. До сих пор для этих целей применяются растровые электронные и оптические микроскопы.
С переходом в нанометровую область размеров для двух этих методов возникают сложности, требующие применение новых методов. Для оптической микроскопии - это дифракционное ограничение, которое ограничивает разрешение даже с применением ультрафиолетовой оптики уровнем 0.1 мкм (значительное поглощение ультрафиолетового света на воздухе начинается с длины волны 0.19 мкм). Для электронной микроскопии обостряется известная проблема определения «края». Кроме того, в обоих этих случаях видимый контраст не позволяет определить топологические размеры по вертикали.
В качестве дополнения, позволяющего в настоящее время решить массу проблем, могут выступить методы сканирующей зондовой микроскопии, позволяющие определять не только рельеф, но и ряд физических свойств поверхности.
Развитие субмикронной технологии и нанотехнологии требует создания прецизионных контрольно-измерительных инструментов и методов, которые могли бы исследовать поверхность всесторонне, как с метрологической точки зрения, так и с точки зрения идентификации физической и химической природы поверхности. Поэтому необходимость усовершенствования методов зондовой микроскопии, повышение точности и эффективности измерений, расшире- ние возможностей их использования для более широкого круга задач и объектов исследования определяет актуальность данной диссертационной работы.
Цель работы и задачи
Целью работы является разработка приборов и методов исследования и анализа свойств поверхностей материалов и изделий для использования в микроэлектронике. Для достижения данной цели необходимо:
Провести анализ существующих методов СЗМ и выявить их недостатки с учетом современного использования в микроэлектронике.
Разработать методы исследования полупроводниковых материалов и процессов травления в жидкостной ячейке с возможностью изменения состава жидкой субфазы.
Усовершенствовать зондовые приборы для неразрушающего контроля изделий микроэлектроники с субмикронными элементами на поверхности.
Разработать метод группового статистического анализа объектов поверхности.
Усовершенствовать емкостные методы исследования физико-механических свойств поверхностей материалов и изделий.
Изучить электростатическое взаимодействие между зондом и поверхностью на основе предложенной в работе физической модели.
Разработать тестовые элементы для проведения прецизионных измерений, обеспечивающие возможность проведения комплексных исследований в области сканирующей зондовой микроскопии.
Разработать методы визуализации поверхностной намагниченности при помощи СЗМ.
Разработать микромеханические инструменты (кантилеверы) для прецизионных магнитных измерений.
Научная новизна работы
Впервые предложены способы усовершенствования сканирующих зондо-вых микроскопов (СЗМ) для использования в микроэлектронике и для работы в контролируемой химической среде.
Разработаны конструкции электрохимических ячеек для использования в зондовом микроскопе линии «SOLVER». Исследованы процессы модификации поверхности в химически-активных средах при помощи СЗМ.
Предложены и реализованы емкостные методы измерения физических свойств поверхности при помощи СЗМ. Впервые разработаны конструкции тестовых структур для калибровки емкостных методов.
Емкостными методами СЗМ изучены электрофизические свойства поверхностей и обнаружена четкая взаимосвязь между электрической неоднородностью и геометрическим рельефом поверхности.
Предложены способы улучшения технических характеристик чувствительных элементов СЗМ - кантилеверов, путем применения технологии элек-трон-стимулированного роста материалов. Усовершенствованы методы исследования поверхностной намагниченности материалов.
Получены новые практические и теоретические результаты, исследованы новые объекты.
Личный вклад автора диссертации
Предложены принципы конструирования электрохимических ячеек для исследований в области физической химии и зондовой микроскопии.
Реализована оригинальная схема потенциостата для управления электродами в электрохимической ячейке. Исследованы процессы модификации поверхностей в химически-активных средах при помощи СЗМ.
Сформулированы требования к СЗМ для использования в микроэлектронике. Разработано автоматическое устройство позиционирования, позволяющее проводить неразрушающий контроль изделий микроэлектроники.
Предложены емкостные методы сканирующей зондовой микроскопии, применение которых позволяет проводить корректную регистрацию электродинамических сил взаимодействия между зондом и поверхностью. Обнаружена четкая взаимосвязь между электрической неоднородностью и геометрическим рельефом поверхности. Изучено электростатическое взаимодействие между образцом и зондом на основе предложенной модели.
Предложены способы улучшения технических характеристик чувствительных элементов СЗМ - кантилеверов (зондов), путем применения технологии электрон-стимулированного роста материалов. Использование новых кантилеверов снизило на порядок погрешность при измерении тех или иных свойства поверхности.
Практическое применение результатов диссертационной работы
В компании «НТ-МДТ» организовано производство СЗМ линии «SOLVER» для использования в микроэлектронике.
Организовано производство кантилеверов для проведения прецизионных и точных неразрушающих измерений.
Организовано производство тестовых структур для калибровки емкостных методов СЗМ.
По результатам диссертационной работы написан ряд руководств по тестированию и эксплуатации СЗМ линии «SOLVER».
На защиту выносится следующее:
Конструктивные особенности и методики СЗМ для исследования и модификации поверхностей в химически активных средах.
Методики СЗМ для исследования субмикронных объектов на поверхностях изделий микроэлектроники.
Методики для исследования физических свойств поверхностей изделий микроэлектроники, основанные на емкостном принципе.
Методики для исследования магнитных свойств поверхностей.
Апробация работы
Материалы диссертации доложены на следующих конференциях и научных совещаниях:
Третья международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика». Москва-Зеленоград. 1998;
Всероссийское совещание «Зондовая микроскопия - 98». 1998. Нижний Новгород. 2-5 марта. ИФН РАН;
Общероссийская конференция с международным участием: «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». ПЭМ- 98. Геленджик. Россия. 6-11 сентября 1998;
Всероссийское совещание «Зондовая микроскопия - 99», Нижний Новгород, 10-13 марта 1999 г.;
Международная научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика", 11-12 ноября 1999г., Москва-Зеленоград, Россия;
Всероссийское совещание «Зондовая микроскопия - 2000», Нижний Новгород, 28 февраля - 3 марта 2000 г.;
Общероссийская конференция с международным участием: «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники». ПЭМ- 2000. Геленджик. Россия. 17-22 сентября 2000;
Международное совещание «SPM - 2001», Нижний Новгород, 26 февраля - 1 марта 2001 г.; STM'01. 11th International Conference on Scanning Tunneling Microscopy / Spectroscopy and Related Proximal Probe Microscopy, 15-20 July, 2001, Vancouver, Canada;
Всероссийская научно-техническая конференция с участием зарубежных ученых, "Микро- и нано-электроника - 2001" 1-5 октября 2001г., Москва-Звенигород, Россия;
Международное совещание «SPM-2002», Нижний Новгород, март 2002 г.;
Публикации
Основные результаты исследования, проведенного соискателем, изложены в 15 источниках, из которых 14 научных работ опубликованны в отечественной и зарубежной литературе.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, где изложена сущность данной работы в целом, 5 глав, выводов и приложения.
Содержание глав:
Современное состояние зондовых методов исследования (Глава 1).
СЗМ для работы в химически-активных растворах и результаты экспериментов (Глава 2).
СЗМ для микроэлектроники, метод группового статистического анализа. Результаты экспериментов (Глава 3).
Емкостные методы СЗМ, их использование в области тестирования промышленной продукции микроэлектроники и экспериментальные результаты, полученные данными методами (Глава 4);
Методы и инструменты прецизионного исследования поверхностей магнитных материалов. Результаты экспериментов (Глава 5).
В выводах резюмируются результаты работы.
Приложение содержит акты о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.
Диссертация изложена на 166 страницах, из которых 148 составляет основной текст работы, включая 84 рисунка и 6 таблиц.
Список литературы содержит 169 источников, включая 15 работ с участием автора. Из них 13 работ по теме диссертации.
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)
СТМ стал первым прибором, при помощи которого стало возможно получение изображений поверхностей с атомным разрешением в реальном масштабе [8]. Принцип работы СТМ заключается в следующем: имеется закрепленная перпендикулярно к поверхности исследуемого образца заостренная игла (хорошо заостренная игла имеет несколько атомов на конце!). Прикла дывается разность потенциалов (обычно до 5 В) между иглой и поверхностью, затем при помощи движителя системы прецизионного подвода осуществляется сближение образца и иглы до расстояния порядка единиц ангстрем. При этом возникает электрический ток в системе зонд - образец, который регистрируется и может поддерживаться постоянным во время сканирования, иными словами, при встрече бугорка или впадины сканер должен подниматься или опускаться, сохраняя туннельный ток. Движения сканера при помощи преобразователя отображаются на мониторе в виде линии, а набор линий с заданным шагом по полю сканирования дает нам изображение поверхности.
Зависимость туннельного тока I, при фиксированном напряжении U, от промежутка между иглой и поверхностью в вакууме носит экспоненциальный характер [2, 5, 10]. Схема, иллюстрирующая процесс туннелирования в вакууме изображена на рисунке 1-1. В вакууме характерная величина туннельного тока при U 0.1 В и расстоянии Z 1.5 А составляет около 1 нА, а кроме того известно [10, 103], что при изменении расстояния туннелирования на 1 А величина тока изменяется почти на порядок. Отсюда следует (рис. 1-2), что вклад в туннельный ток каждого последующего слоя на конце пирамидки кластера значительно меньше, чем вклад предыдущего, несмотря на то, что количество атомов, способных принимать участие в процессе токопереноса увеличивается.
Однако на воздухе картина туннелирования весьма сложна и неоднозначна и во многом зависит как от свойств и формы электродов (зонда и поверхности), так и от химического состава поверхностного адсорбционного слоя. Величина тока на воздухе зависит от радиуса кривизны и фобности иглы, т.к. именно этим определяются характеристики зонда. 7373244
В этом случае разрешение при изучении плоских поверхностей определяется не радиусом кривизны, а формой атомного кластера на кончике иглы. Если этот кластер пирамидоидальный или конический на атомарном уровне, то существует возможность получения атомарного разрешения.
В ходе исследований удалось разработать методы создания игл с единичными атомами на концах [97], найти материалы, на которых кластеры устойчиво существуют даже в сильных электрических полях. К таким материалам, например, относятся платина, сплавы металлов платиновой группы, вольфрам. Расчетные значения относительных вкладов в туннельный ток локальных токов от отдельных атомных групп [103].
Если измерять ток в процессе перемещения иглы с коническим или пи-рамидоидальным кластером на конце вдоль поверхности образца, то ток будет флуктуировать в соответствии с изменением электронной плотности. Если же ток поддерживать постоянным изменением расстояния между иг лой и образцом с регистрацией изменения этого расстояния, то можно будет получить СТМ изображение, которое в условиях высокого вакуума определяется геометрическим рельефом поверхности, плотностью состояний, формой и параметрами потенциального барьера и параметрами зонда. Оказалось [98-102], что если игла достаточно острая, а поверхность чистая, то при подходящих условиях сканирования СТМ изображение коррелирует с пространственным распределением атомов на поверхности (рис. 1-3).
СТМ изображения атомарной структуры поверхности платины Pt(100) (А) и поверхности поликристаллического золота Аи(111) (Б). Изображения получены в высоком вакууме, на сверхвысовакуумном СЗМ компании OMICRON [http J/www. omicron. dej. Существует ряд критериев получения при помощи СТМ рельефа на атомарном уровне: Точность поддержания расстояния игла - поверхность, как в нормальном, так и латеральном направлениях, будет составлять десятые доли ангстрема; Незначительность механических и температурных дрейфов во время сканирования; Незначительность асинхронных вибраций иглы относительно образца; Физическая адсорбция - десорбция сторонних атомов и молекул не должна изменять электронные состояния подложки во время измерений. Из общих соображений ясно, что перечисленные условия легче всего реализовать в условиях сверхвысокого вакуума (отсутствие адсорбата), при криогенных температурах (температурные коэффициенты расширения материалов, гистерезис и дрейф керамики пренебрежимо малы). Для понимания физической сущности СТМ измерений разберем более подробно физические процессы, происходящие при взаимодействии зонда с поверхностью. Регистрируемый при малой разности потенциалов между образцом и иглой ток, имеет в условиях высокого вакуума туннельную природу и зависит от расстояния, разности потенциалов с учетом работ выхода, плотностей пустых и заполненных состояний, конкретной геометрии системы игла-поверхность, условий растекания заряда. Поэтому топографическое СТМ изображение представляет собой геометрический профиль поверхности лишь в случае, если исследуемая поверхность однородна в смысле остальных параметров. Такая ситуация может быть реализована, если измерения проводятся с разрешением много хуже атомного, исследуемая поверхность однородна и «гладкая», такая, что иглу можно считать объектом одноцен-трового туннелирования в процессе получения всего скана. В остальных случаях интерпретация СТМ изображения неоднозначна. Тем не менее, сильная зависимость тока от расстояния сводит ошибку по высоте к достаточно малой величине, определяемой шириной зависимости туннельного тока от расстояния в случае, если мы имеем дело с проводящей электрический ток поверхностью.
На рисунке 1-4А приведен вид зависимости туннельного тока от расстояния игла - подложка, измеренной в условиях сверхвысокого вакуума. Образец в данном случае - высоко ориентированный пиролитический графит (HOPG), а игла - прокаленная в вакууме вольфрамовая игла, заостренная электрохимическим травлением. Отклонение от экспоненциальной за висимости на начальном участке обусловлено гистерезисом керамики. Расстояние здесь - это пересчет прилагаемого к сканеру Z напряжения без коррекции нелинейности керамики. Реальная зависимость несколько круче. Из рисунка видно, что полуширина (на уровне 0.7 нА) кривой составляет приблизительно два ангстрема, чем и будет определяться предельное разрешение в плоскости при использовании данной иглы. Очевидно, что ошибки в измерениях высоты ступеней, связанные с неоднородностью материала в смысле работы выхода и плотности состояний для проводящих поверхностей, могут быть того же порядка, если измерения топографии проводятся в режиме с поддержанием туннельного тока постоянным в процессе сканирования. Ограничение по разрешению по нормали к поверхности, обусловленное шумами по току, зависит от параметров входных цепей усилителя и, в худшем случае, для приборов линии СОЛВЕР компании NT-MDT составляет несколько единиц пикоампер. Общие шумы в системе позволяют получать разрешение по нормали к поверхности на уровне 0,1 - 0,2 ангстрема [103].
Режим контактного сканирования
К режимам контактного сканирования относят режимы АСМ, в которых поверхностные атомы зонда постоянно находятся в поле сил отталкивания, обусловленного перекрытием электронных оболочек поверхностных атомов образца и зонда. Контактный режим сканирования может быть реализован как при обычных условиях, так и в жидкой фазе и в электрохимической среде. При этом можно регистрировать следующие свойства поверхности: 1) Топографическое изображение поверхности. Этот режим подразумевает поддержание обратной связью постоянного значения силы взаимодействия между зондом и поверхностью в процессе сканирования. 2) Изображение распределения нормальных сил взаимодействия зонда с поверхностью. В этом режиме регистрируется сигнал ошибки обратной связи, который измеряется по изменению угла отклонения кан-тилевера в процессе сканирования при конечно-большом времени отработки обратной связи. 3) Изображение распределения латеральных сил (сил трения). Силы трения регистрируются по степени бокового отклонения (крутильной деформации) балки кантилевера в процессе сканирования при нормальной постоянной силе. 4) Распределение величины производной силы по расстоянию. Величина 8F/8Z измеряется при поддержании постоянной средней силы прижатия кантилевера к поверхности. При этом происходят колебания образца, вызванные вынужденным возбуждением Z-трубки сканера на низкой частоте ( 1-10 кГц). Кантилевер, прижатый к поверхности, соответственно испытывает отклик этих колебаний и колеблется с некоторой амплитудой. В процессе сканирования амплитуда кантилевера непостоянна и зависит от силы взаимодействия с поверхностью. В качестве переменного сигнала регистрируется как амплитуда, так и фаза колебания зонда относительно амплитуды и фазы возбуждающего колебания в процессе сканирования. 5) Распределение сил адгезии. Силы адгезии регистрируются по изменению угла изгиба балки кантилевера в момент отрыва зонда от поверхности. Измерения проводятся поточечно, поднимая и опуская до касания кантилевер в процессе сканирования с постоянным временем контакта в каждой точке измеряется зависимость F(z). 6) Спектроскопия F(z). Измерения проводятся в выбранной на изображении точке (или массиве точек). При этом кантилевер взаимодействует с поверхностью, сначала в режиме приближения до касания, а затем в режиме удаления и с определенным временем контакта в точке измеряется зависимость F(z). Время взаимодействия может варьироваться программно. 7) Токи растекания. Токи растекания регистрируются при нормальной постоянной силе прижима зонда к поверхности в процессе сканирования. При этом измеряется значение постоянного тока через контакт зонд-поверхность в каждой точке в процессе сканирования. Напряжение смещения прикладывается к образцу. 8) Распределение электрической емкости. Измерение емкости можно производить в процессе сканирования при помощи емкостного датчика как внешнего устройства. 9) Распределение теплопередачи в системе зонд - поверхность. Регистрацию теплопередачи в системе зонд-поверхность можно производить в процессе сканирования с использованием специального кантилевера с термопарой на конце. 1.3.2 Режим полуконтактного сканирования К режимам полуконтактного сканирования относят режимы АСМ, в которых кантилевер колеблется на частоте в полосе резонансных колеба ний. При колебаниях кантилевер в контакте с поверхностью находится периодически, поэтому часто режим полуконтактного сканирования называют режимом прерывистого контакта. В процессе сканирования обратная связь поддерживает постоянными один из следующих параметров: амплитуду, амплитудно-фазовые характеристики, RMS (отношение сигнал-шум) колебательного сигнала и частоту колебаний кантилевера. Чаще всего постоянной поддерживается амплитуда колебаний кантилевера. Полуконтактный режим сканирования может быть реализован как при обычных условиях, так и в жидкой фазе, в электрохимической среде. При этом можно измерять следующие свойства поверхности и кантилевера: 1) Топографическое изображение поверхности. Этот режим подразумевает поддержание обратной связью постоянного значения амплитуды (амплитудно-фазовых характеристик, RMS) колебаний кантилевера в процессе сканирования. Также возможно поддерживать постоянной фазу колебаний. 2) Амплитудно-фазовые характеристики взаимодействия зонда и поверхности. Измерение амплитудно-фазовых характеристик происходит в процессе сканирования параллельно с регистрацией топографии при поддержании амплитуды колебаний зонда постоянной. Под амплитудно-фазовыми характеристиками понимаются сигналы Ах sirup и ,4xcos p, которые регистрируются на выходе синхронного детектора. В общем случае амплитуда и фаза сигнала являются функциями времени и перемещения кантилевера по нормали к поверхности, а также иных свойств поверхности. 3) Фаза колебаний кантилевера. Изменение фазы колебаний кантилевера происходит относительно фазы возбуждающего колебания сигнала. Такое изменение обычно вызвано какими-либо поверхностными свойствами образца (приповерхностными физическими полями, неравномерным распределением слоя адсорбата, резким изменением топологии поверхности). 4) Сигнал ошибки обратной связи. Регистрируется изменение амплитуды или фазы колебаний в процессе сканирования при медленной скорости отработки обратной связи. 5) Ангармонизм колебаний кантилевера. Измерение ангармонизма колебаний кантилевера осуществляется по регистрации сигналов на кратных гармониках (2«,..,10 y) в процессе полуконтактного сканирования [103]. 6) Топографическое изображение поверхности в режиме регистрации боковых сил зондом, колеблющимся в плоскости образца (МБС-топография). Регистрируется топография поверхности в режиме, когда поддерживается постоянной амплитуда (как правило), фаза или амплитудно-фазовые характеристики колебаний зонда в плоскости образца. В настоящее время для регистрации этих колебаний используются кварцевые резонансные датчики. Возбуждаются колебания зонда на резонансной частоте прикрепленного к нему кварцевого датчика в виде камертона. Из амплитудно-частотного анализа электрического сигнала с этого датчика регистрируют и цепью обратной связи сканер-образец-зонд поддерживают постоянной одну из характеристик колебаний в процессе сканирования. Величину сигнала для поддержания обратной связи устанавливают в соответствии с условиями режима полуконтактного сканирования. При контакте с адсорбционным слоем наблюдается изменение условий колебания, проявляющееся в смещении резонансной частоты колебаний датчика, а в случае возбуждения колебаний на постоянной частоте наблюдается уменьшение амплитуды и фазы колебаний, которые регистрируются электронной системой микроскопа.
Конструкция электрохимической ячейки
Корпус ячейки (Рис.2-2) выполнен из фторопласта (тефлона) и вмонтирован в титановое основание. Держатель образца (рабочего электрода) может перемещаться внутри ячейки, благодаря подвижной мембране, с помощью которой образец герметично связан с внутренним объёмом ячейки. Ячейка содержит фиксатор, блокирующий аварийное перемещение держателя с образцом при подготовке измерений. Держатель кантилевера крепится на стеклянной пластине, которая герметично вмонтирована в титановую крышку ячейки.
Герметичность ячейки обусловлена наличием резиновой прокладки между крышкой и корпусом ячейки, а также наличием мембраны, которая обеспечивает свободное перемещение держателя с образцом внутри ячейки. Кроме этого, электрохимическая ячейка содержит три тефлоновые трубочки, которые вставлены в тефлоновый корпус ячейки и непосредственно со единены с её внутренним объёмом. Тонкая трубочка, находящаяся справа от фиксатора (Рис.2-2), предназначена для подачи электролита в объём ячейки. Рис. 2-2 Конструкция электрохимической ячейки Тонкая трубочка, которая расположена слева от фиксатора, соединена с буферным объемом, где расположен электрод сравнения (AgCl). Конец этой трубочки, находящийся внутри ячейки, находится в непосредственной близости от поверхности исследуемого образца - рабочего электрода. Толстая трубочка справа от фиксатора предназначена для удаления воздуха из рабочего объёма ячейки. Также в ячейку герметично вставлен вспомогательный платиновый электрод. Фторопластовый крепеж этого электрода может выкручиваться из корпуса ячейки для замены, чистки, промывки и т.д. Контакт S, соединенный с исследуемым образцом, расположен в нижней части основания ячейки (Рис.2-2). Технические характеристики разработанной ячейки следующие: о материал корпуса: фторопласт (тефлон); о допустимая кислотность электролитов по шкале рН: 3-J-10; о объём ячейки: 1,5 - 2мл; о глубина ячейки: 15мм; о размер образца: 16-20мм в диаметре; о толщина образца: 0,5-Змм; о максимальное выходное напряжение: ±10В; о максимальный выходной ток: ±20мА; о диапазон регулировки напряжения в потенциостате: ±5В (погрешность регулировки составляет 0,3В); о диапазон регулировки выходного тока: ±20мА (погрешность регулировки составляет 0,3 мкА). Благодаря разработке и созданию схемы управления электродами, электрохимическая ячейка может работать в режиме гальваностата, в режиме потенциостата и в режиме бипотенциостата (для СТМ режима). При электрохимических исследованиях представляет интерес потенциал одного из электродов, в то время как напряжение на ячейке имеет второстепенное значение. Для этой цели разработана и реализована в приборе схема, изображённая на рисунке 2-3.
Электрод сравнения (RE) соединяется с электрохимической ячейкой при помощи трубочки-капилляра, заполненной буферным солевым раствором. Кончик этого капилляра приближен практически вплотную к поверх ности рабочего электрода S, потенциал которого предстоит измерить, что имеет особый интерес практически во всех электрохимических исследованиях.
Главным признаком при исследовании электродной кинетики является природа той электрической величины, которая задана, так сказать навязана, системе (внешнее воздействие). Этими величинами могут быть ток или напряжение. Значение другой электрической величины, потенциала или тока, регистрируемое обычно как функция времени, определяется электродным процессом (отклик на внешнее воздействие). При стационарных электрохимических измерениях электрические величины однозначно связаны друг с другом, и поэтому безразлично, какая из электрических величин играет роль независимой переменной.
Измерение при заданном потенциале требует применение потенцио-статов, которые позволяют существенно понизить влияние омических потерь. Напряжение (Us) в потенциостате, равное задаваемой разности потенциалов рабочего электрода (S) и электрода сравнения (RE), генерируется специальным источником (на выходе внешнего разъема) и подаётся на вход потенциостата. Выходной ток потенциостата, протекающий между рабочим (S) и вспомогательным электродами (СЕ), регулируется цепью обратной связи.
В электрохимической ячейке в качестве электрода сравнения использовался хлорсеребряный электрод, который обладает постоянным хорошо воспроизводимым потенциалом. При нормальных условиях (15-25 С) потенциал хлорсеребряного электрода составляет 0.23 - 0.22 В, соответственно.
Хлорсеребряный электрод приготовлялся в обычных лабораторных условиях. Для этого прокаленная, очищенная серебряная проволока анодно поляризовалась при плотности тока 10-20 мА/см2 в 0.1 М растворе химиче ски чистой соляной кислоты (НС1) в течение 1-2 часов, затем промывалась и герметично вставлялась в ёмкость, содержащую буферный раствор. Кроме всего прочего, при работе электрохимической ячейки в режиме гальваностата существует возможность регистрации зависимости потенциала от времени. В этом режиме происходит электролиз при постоянном токе. Таким образом, работа электрохимической ячейки в режиме гальвано-стата/потенциостата позволила реализовать: 1) электроосаждение металла из раствора электролита на электроде из того же самого металла; 2) электроосаждение металла из раствора электролита на электроде из другого металла или иного проводящего материала (например, на графите); 3) анодное окисление металла до ионов, образующих нерастворимое соединение с компонентами раствора, в результате чего поверхность электрода покрывается плёнкой; 4) анодное окисление металла с образованием растворимых ионов; 5) анодное окисление металлов с непосредственным образованием поверхностной плёнки (компоненты раствора участвуют в стадии переноса заряда).
Экспериментальные результаты по исследованию поверхностей материалов и изделий в производстве лазерных дисков
Как было сказано выше, основным режимом работы СЗМ Solver-P7LS является полуконтактный резонансный режим. Эта методика имеет сущест венные преимущества по сравнению с контактной. Во-первых, кремниевое острие зонда имеет меньший угол схождения (22) для более точного измерения глубины (высоты) и боковой стенки «пита». Во-вторых, боковые силы трения в резонансном режиме сведены к минимуму; в контактном режиме эти силы могут вызывать повреждение образца или изменение поверхности в процессе сканирования, и наконец, отсутствует проблема электростатического притяжения зонда к образцу, которое в контактной моде может привести к неоднозначности полученных результатов. На рисунке 3-5 приведены изображения поверхностей никелевых матриц, полученные в полу контактном режиме сканирования на СЗМ Solver-P7LS. Рис.3-5 СЗМ изображения поверхностей различных никелевых матриц. Изображения получены в режиме полуконтактного сканирования на СЗМ SOLVER-P7LS.
Далее описаны случаи выявления дефектов на поверхности диска с помощью СЗМ Solver-P7LS. Глубины «питов», несущих информацию о записи, влияют на амплитуду выходного сигнала при воспроизведении диска. Если глубина «пита» мала, то сигнал значительно ослабляется, а если глубина велика, то проблема воспроизведения может возникнуть в зависимости от выбора воспроизводящего устройства. С помощью разработанного СЗМ легко осуществимо измерение глубины «пита» с субнанометровым разрешением по Z направлению, при этом накапливаются очень точные и воспроизводимые результаты измерения. На рисунке 3-6 показана искажен ная (волнистая) поверхность матрицы, использование которой при изготовлении диска может привести к описанной выше аномалии. Поле сканирования: 11.27 х 14.29 мкм2 Средняя высота питое: 0.13±0.01 мкм Шаг треков: 2.78±0.01 мкм Средняя ширина питое: 0.9±0.1 мкм I Шероховатость на вершине питое: 3.0±0.1 нм Шероховатость поверхности матрицы: 7±0.1нм Наклон боковой стенки пита к вертикали: 35 ±0.5 Рис. 3-6 СЗМ изображение искаженной поверхности CD-матрицы. Различия в шаге треков на поверхности диска или матрицы вызывает перекрестные искажения выходного сигнала и в конечном итоге - некачественное воспроизведение записи. Большое перекрестное искажение сигнала возникает при малом расстоянии между дорожками записанной информации. Большое расстояние между дорожками (треками) записи может вызывать сбой на треке при воспроизведении. На рисунке 3-7 показан дефект «пита» никелевой матрицы, наличие которого может привести к уменьшению расстояния между соседним треком. Поле сканирования: 4.49 ж 4.32 мкм Средняя высота питое: 0.16±0.01 мкм Шаг треков: 1.59±0.01мкм Средняя ширина питое: 0.8±0.05мкм Шероховатость на вершине питое: 2±0.5нм Шероховатость поверхности матрицы: ""З 153±2 нм Наклон боковой стенки пита к Ж вертикали: 36 ±0.У Рис.3-7 СЗМ изображение дефекта «пита» никелевой CD- матрицы. Различия в расстоянии между соседними дорожками главным образом появляются в процессе записи информации на фотошаблон, из которого затем изготавливают матрицу. В течение производственного цикла все дефек ты фотошаблона переносятся на матрицу, а затем и на сам диск. Благодаря своему разрешению и программной коррекции нелинейности (менее 1%), Solver-P7LS может оперативно и просто регистрировать малейшие отклонения шага дорожки, также как и другие дефекты от микронных до субна-нометровых размеров. На рисунке 3-8 показана поверхность поликарбонатного диска, на которой отчетливо видны две протяженные царапины и дефект в виде бугорка. Подобные дефекты могут влиять на повышение коэффициента ошибки воспроизведения цифровой информации.
Особенно важным явилось использование сканирующего микроскопа Solver-P7LS для контроля процесса изготовления изделий микроэлектроники. Как известно, в настоящее время большое распространение имеет использование голографических изображений для идентификации и защиты подлинности различной продукции. Качество голографических изображений напрямую зависит от качества дифракционно-оптических структур, из которых состоит их поверхность. На рисунке 3-9 изображены части поверхностей голографической картинки, полученные на СЗМ Solver-P7LS в полуконтактном резонансном режиме. Рис. 3-9 СЗМ изображения частей поверхности голографической картинки.
Одним из других и не менее важных применений Solver-P7LS является контроль качества поверхностей интегральных микросхем. По-сравнению с зондовои микроскопией, электронная микроскопия не позволяет проводить выборочный контроль пластин на различных стадиях их производства. В этом случае СЗМ Solver-P7LS хорошо подходит для решений задач контроля поверхности. Рисунок 3-10 хорошо иллюстрирует возможности СЗМ Solver-P7LS. На получение каждого из сканов потребовалось около 2-5 минут. 18 15 28 Рис. 3-10 АСМ изображения поверхностей интегральных микросхем. Характеристики СЗМ Solver-P7LS и его вертикальное разрешение позволяют наблюдать атомарные ступени на поверхности кремния и пироли-тического графита (Рис.3-11А, Б).
