Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние сканирующей близкопольной микроскопии 7
1.1 Историческая справка 7
1.2 Классическая оптическая микроскопия 9
1.3 Близкопольиая оптическая микроскопия 12
1.4 Оптоволоконный зонд 14
1.4.1 Коэффициент пропускания апертурного зонда 16
1.5 Обратная связь на основе Shear Force 20
1.5.1 Модель Y-образного резонатора 21
1.6 Реализация системы детектирования 22
1.6.1 Численное моделирование 23
1.6.2 Петля обратной связи 25
1.7 Режимы работы SNOM-микроскопа 26
1.8 Альтернативные оптические схемы 27
1.9 Современные приложения 27
2 Разработка технологии изготовления оптоволоконных зондов с ме таллизированным покрытием на основе Va и А1 30
2.1 Основные требования к конструктивным и физическим параметрам оптоволоконных зондов 30
2.2 Технология формирования заостренного кончика оптоволокна методом химического травления 34
2.3 Технология нанесения металлического покрытия на заостренное оптоволокно 35
2.4 Теоретическая модель распространения света в заостренном металлизированном оптоволокне 36
2.4.1 Введение 36
2.4.2 Теория 37
2.4.3 Моды диэлектрического волновода с бесконечным металлическим покрытием 40
2.4.4 Оптические моды и цилиндрический волновод 46
2.4.5 Моды диэлектрического волновода с металлическим покрытием конечной толщины 50
2.4.6 Заключение 54
2.5 Практический контроль параметров оптоволоконного зонда 55
2.6 Выводы 59
3 Разработка близкопольного сканирующего зондового микроскопа на базе инвертированного оптического микроскопа OLYMPUS 1X70 с системой плоскопараллельного сканирования 62
3.1 Основные требования к конструкции и параметрам близкопольного оптического микроскопа 62
3.2 Общая схема прибора 65
3.3 Устройство Shear Force головки 67
3.4 Устройство плоскопараллелыюго сканирования с датчиками перемещения и системой обратной связи 68
3.5 Устройство лазерного модуля 69
3.6 Устройство фотоприемного модуля 71
3.7 Устройство спектрального модуля 71
3.8 Выводы 72
4 Тестовые образцы для исследования основных характеристик близ копольного сканирующего микроскопа 73
4.1 Измерение молекул ДНК в резонансном (Shear-Force) режиме 74
4.2 Измерения оптической ромбовидной решетки в БОМ режиме для определения пространственного оптического разрешения и оптического контраста 74
4.3 Измерения люминесценции латексных шариков размером 100 шп в БОМ
и Shear-Force режиме 75
4.4 Выводы 75
5 Разработка технологии формирования наноструктур фотохимиче скими методами локального светового воздействия на образец при помощи Близкопольного сканирующего микроскопа 77
5.1 Физико-химическая модель локального светового воздействия на светочувствительные образцы 77
5.2 Исследование процесса локальной засветки близкопольным зондом позитивного фоторезиста 80
5.3 Оценка основных парметров произведенной модификации (литогра фии) поверхности 81
5.4 Выводы 84
Приложение А 86
Литература 92
Основные публикации 93
- Классическая оптическая микроскопия
- Технология нанесения металлического покрытия на заостренное оптоволокно
- Устройство плоскопараллелыюго сканирования с датчиками перемещения и системой обратной связи
- Измерения оптической ромбовидной решетки в БОМ режиме для определения пространственного оптического разрешения и оптического контраста
Введение к работе
Общая постановка и актуальность задачи
Актуальность
Наряду с совершенствованием в настоящее время микроэлектроники, исследователи стали уделять пристальное внимание новой перспективной области - наноэлектро-нике. Однако ее развитие немыслимо без разработки методов исследования и диагностики свойств поверхности твердых тел с нанометровым разрешением.
К эффективным, относятся методы исследования на основе сканирующей зондо-вой микроскопии (СЗМ) и в их числе методы, в которых применяются заостренные оптические волокна с металлическим покрытием.
Одними из первых ученых в России, туннельный микроскоп разработали и построили В.К. Неволин, В.И. Панов, А.О. Голубок, а организовали серийное производство сканирующих зондовых микроскопов В.А.Быков, И.В. Яминский. Значительный вклад в развитие методов СЗМ внесли А.А. Бухараев, Г.М.Михайлов, В.Л.Миронов, A.M. Тишин, В.Ф. Дряхлушин.
На основе БОЗМ с использованием заостренных оптических волокон с металлическим покрытием, возможно осуществление ряда методов исследования и модификации оптических свойств поверхности с высоким разрешением.
Перспективным является метод БОЗМ, с применением кварцевых резонаторов камертонного типа, к которым крепится заостренное металлизированное оптоволокно, использующий резонансный режим СЗМ и обеспечивающий одновременное исследование топографии поверхности и ее оптических свойств. Важное практическое значение имеет метод, использующий модуляцию лазерного излучения заведенного в БОЗМ зонд, позволяющий обеспечить локальную модификацию светочувствительных образцов (фоторезистов), путем локальной засветки различных участков образца через БОЗМ зонд.
Однако, широкое использование методов БОЗМ с металлизированными заостренными оптоволокнами, сдерживается рядом существующих проблем. В частности, одним из наиболее критичных элементов в данных методах являются качество опто-волокон, от характеристик которых в значительной степени зависят результаты измерений. В настоящее время, существующие конструктивно-технологические варианты создания таких БОЗМ зондов не позволяют создать образцы, в полной мере удовлетворяющие требованиям исследователей.
Актуальной, таким образом, является задача совершенствования методов БОЗМ с заостренными металлизированными оптоволокнами.
Цель работы
Основной целью было развитие Близкопольной Оптической зондовой микроскопии с заостренными металлизированными оптоволоконными зондами для создания и диагностики наноразмерных структур.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:
провести комплексное исследование конструктивно-технологических методов создания БОЗМ зондов на основе оптоволокна;
разработать критерии выбора материала покрытий и конструкций БОЗМ зондов, обеспечивающих решение большинства исследовательских задач в БОЗМ;
разработать технологии создания БОЗМ зондов и изготовить опытные образцы;
разработать методику оценки качества БОЗМ зондов;
провести комплексное исследование конструктивно-технологических особенностей для разработки и изготовления Близкополыюго Оптического Зондового Микроскопа;
провести исследование основных параметров изготовленного БОЗМ и разработать методику с набором тестовых образцов для оценки его параметров;
на основе процесса локальной зондовой засветки фоточувствителыюго образца (фоторезиста) разработать методику формирования наноразмерных структур в микро и наноэлектронике.
Научная новизна
Научная новизна работы заключается в следующих результатах:
Впервые сформулированы требования к конструктивным и физическим параметрам БОЗМ зондов, обеспечивающих решение большинства исследовательских задач на основе сканирующей зондовой микроскопии. Показано, что эффективными для БОЗМ зондов на основе оптических волокон являются двухслойные покрытия на основе ванадия и алюминия.
Разработано устройство для удержания зонда над поверхностью и получения топографии образца на основе кварцевых резонаторов, показано что вторая мода колебаний на частоте 190 кГц существенно повышает отношение сигнал/шум и стабильность системы обратной связи.
Впервые сформулированы основные требования к конструктивным и физическим параметрам Близкополыюго Оптического Микроскопа, разработан и изготовлен БОЗМ с системой плоскопараллелы-гого сканирования в соответствии с этими требованиями.
4. Предложена методика и набор тестовых образцов для определения основных параметров БОЗМ.
5. На основе процесса локальной зондовой засветки светочувствительных материалов (резистов), предложен способ формирования нано-объектов размером порядка 80 пиша пленке из положительного фоторезиста толщиной порядка 100 nm.
Практическая ценность работы
Разработанные БОЗМ зонды на основе одномодовых оптических волокон с металлизированным покрытием на основе Va-Al обладают высокой механической и термической прочностью, высоким коэффициентом пропуская лазерного излучения.
Изготовленный Близконолыгый Оптический Микроскоп "SOLVER SNOM" и зонды были реализованы в следующие исследовательские центры и фирмы в России и зарубежных странах:
институт физики микроструктур РАН, г. Казань;
институт фотохимии , г. Москва;
институт физической химии, г.Москва;
ГОИ, г. Санкт-Петербург;
Владимирский Государственный Университет;
Энергетический Университет, г. Цюрих, Швейцария;
Вратиславский Университет, Словакия;
Национальный Университет, г. Тейпей, Тайвань;
Технопарк электронной индустрии, г. Токио, Япония.
Разработана методика проведения измерений в Близкопольной Оптической Зондовой Микроскопии, увеличивающая отношение сигнал/шум в режиме резонансного СЗМа и в оптическом режиме.
Разработана методика локальной модификации свойств поверхности светочувствительных образцов БОЗМ зондами на основе процесса локальной зондовой за-стветки, которая внедрена в программное обеспечение, поставляемое со сканирующими зондовыми микроскопами, производимыми компанией "НТ-МДТ", г.Москва.
Работа полностью финансировалась фондом Бортника.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и демонстрировались на следующих конференциях: Всероссийская конференция "Зондовая микроскопия", Н.Новгород, 1998; 1999; 2000;2001;2002;2003; 11-я Международная конференция по сканирующей туннельной микроскопии "STM-02", Ванкувер, Канада, 2002.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано б работ.
Положения, выносящиеся на защиту
На защиту выносятся следующие положения:
Приборный комплекс, включающий измерительную головку с оригинальным узлом считывания на основе связки кварцевого резонатора и заостренного оптоволоконного зонда, узел ввода лазерного излучения в оптоволоконный зонд, узел фотодетектора, узел сканирования, контроллер управления и программное обеспечение.
Конструкция оптоволоконного зонда, изготовленного методом химического травления с оригинальным двухслойным покрытием на основе V и А1, обеспечивающим высокий коэффициент пропускания света при высоком пороге разрушения по световой мощности.
Резонансная методика с использованием второй моды колебаний кварцевого резонатора, позволяющая значительно улучшить качество получаемых изображений и скорость сканирования за счет уменьшения времени релаксации колебаний зонда.
Тестовый образец на основе молекул ДНК, осажденных на подложку, позволяющий непосредственно определить основные характеристики разработанного устройства: латеральное разрешение, разрешение по вертикальному направлению.
Методика БОМ литографии с in-situ контролем качества рисунка путем измерения сопутствующих изменений рельефа поверхности фоторезиста.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех основных глав с выводами, общих выводов, списка литературы из 65 наименований и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 93 страницах и содержит 65 рисунков и 5 таблицы.
Классическая оптическая микроскопия
Рассмотрим более подробно причины ограниченности разрешения классического оптического микроскопа. Будем предполагать, что наша оптическая система идеальна в смысле геометрической оптики, то есть дает строго точечные изображения каждой точки объекта. По волновой оптике это не так. Как показано, например в [8], изображение светящейся точки является дифракционная картина, состоящая из концентрических колец, окружающих центральный светлый дифракционный кружок (так называемый кружок Эйри).
Конечный объект можно рассматривать как совокупность точечных объектов, каждый из которых изображается кружком Эйри. Изображение объекта есть наложение таких кружков и колец. Простейший объект состоит всего из двух точек Si и 5г- Если расстояние между центрами кружков Эйри от этих точек мало по сравнению с размерами самих кружков (т.е. с величиной порядка 0.61А//3, где 2j3 - угол, под которым в фокусе системы сходится свет), то изображение будет мало отличаться от даваемого одной точкой. При увеличеиии расстояния между S\ и S2 будет увеличиваться и расстояние между центрами соответствующих им кружков Эйри S[ и S 2, в то время как размеры самих кружков останутся неизменными. Начиная с некоторого минимального расстояния / = Ітіп на кривой распределения интенсивности появится провал, который сможет зафиксировать глаз или иной приемник света. Тогда говорят, что точки Si и S разрешаются прибором, а величину l/imm называют разрешающей способностью прибора.
Точно указать величину lmin невозможно. Она в значительной степени зависит от индивидуальных особенностей глаза или другого приемника излучения. Согласно Рэлею, для сомесветящихся (т. е. некогерентных) точек за lmin можно взять такое расстояние между точками, при котором расстояние между центрами кружков Эй ри равно радиусу одного кружка. Рассмотрение когерентно светящихся точек дает практически такие же результаты. есть комплексная амплитуда плоской волны в граничной плоскости z — 0.
Пусть в плоскости z = 0 (см. рис. 1.3) находится синусоидальная амплитудная нусоидалы-юй решетке на произвольном расстоянии z. Из написанного выражения следует, что если период решетки меньше длины волны, то есть SI к и, следовательно, л/к2 — Q2 = гл/О2 — к2, показатели экспонент (і /к2 — Q2 z) становятся действительными, и поля экспоненциально затухают. Такое затухающее поле называют ближним или эванесцентным.
Применим полученные выводы к объяснению разрешающей способности микроскопа. Исследуемый объект можно рассматривать как решетку в плоскости z = 0 с очень сложной функцией пропускания f(x,y). Однако, это изменит количество членов в выражении (1.6), но не повлияет на качественные результаты. При освещении такого образца плоской монохроматической волной (например, лазерным светом), на выходе мы получим набор плоских волн, расходящихся под разными углами от первоначального направления. Причем, чем на более мелкой структуре нродифрагировала исходная волна, тем под большим углом будут расходиться вторичные волны. Поэтому для наблюдения мелких деталей образца необходимо собирать свет с возможно большего угла, то есть использовать объектив с максимальной числовой апертурой. Этот вывод прекрасно согласуется с результатами, полученными на основе рассмотрения дифракционных свойств микроскопа.
Если исследуемый объект имеет структуры, размеры которых меньше длины волны, то волны, продифрагировавшие на этих структурах, имеют амплитуду, затухающую с расстоянием от объекта по экспоненте. Никаким детектором, находящимся на расстоянии от объекта более нескольких длин волн, невозможно получить информацию о мельчайших деталях объекта. Таким образом, методы Фурье-оптики доказывают наличие предела разрешения обычного оптического микроскопа. Однако, в отличии от классической дифракционной теории, они указывают и путь преодоления этого предела: необходимо внести детектор излучения в ближнее поле у поверхности образца. Причем размеры этого детектора должны быть порядка размеров исследуемой мелкой структуры. Такой детектор будет фиксировать интенсивность ближнего поля, которое несет информацию о свойствах локальной точки образца. Поэтому для получения полного изображения образца необходимо получить информацию о каждой его точке, то есть произвести сканирование в плоскости XY. Используя обратимость электромагнитного поля, можно получить изображение расположив детектор в дальнем поле на значительном расстоянии от образца и проведя поточечное сканирование источником ближнего поля, имеющим размеры, сопоставимые с размером исследуемых мелких деталей.
Как было указано в предыдущем разделе, ближнепольный микроскоп может работать в режиме освещения или в режиме сбора. В обоих случаях зонд должен быть внесен в зону ближнего поля исследуемого объекта. Так как эваиесцеитгюе поле затухает экспоненциально, зонд должен поддерживаться на постоянном расстоянии от поверхности объекта для того, чтобы избежать изменений интенсивности наблюдаемого поля из-за изменений расстояния от зонда до поверхности. Большинство реально работающих ближнепольиых микроскопов используют режим освещения. Образец освещается через апертуру субволнового размера, которая поддерживается на постоянном расстоянии от поверхности объекта с помощью специального механизма контроля расстояния. Это позволяет получить дополнительную информацию о рельефе объекта. Кроме того, преимущество использования режима освещения заключается в том, что освещается только малая часть образца. Это позволяет минимизировать повреждение образца от нагревания и выгорания (деградации) под воздействием интенсивного освещения.
Типичная конструкция SNOM, реализованная в большинстве лабораторных установок и коммерчески-доступных микроскопов, приведена на рис. 1.4. Излучение лазера с нужной длиной волны заводится в оптическое волокно, имеющее на противоположном конце апертуру. Для более эффективного ввода излучения в волокно могут быть использованы поляризаторы, пространственные и спектральные фильтры и т. п. Волоконный зонд укреплен на механической конструкции, снабженной микрометрическими винтами для грубого подвода зонда к образцу. В процессе измерений нужно контролировать и поддерживать расстояние между острием зонда и образцом. Для этого нужно иметь сигнал, сильно зависящий от расстояния зонд-образец. В ранних моделях SNOM использовался электронный туннельный ток, т. е. схема, аналогичная используемой в туннельном микроскопе. В настоящее время в большинстве SNOM используется метод shear force, разработанный для атомно-силовых микроскопов. В такой схеме волоконный зонд колеблется на одной из своих механических резонансных частот параллельно поверхности образца, с амплитудой (в идеальном случае) менее 1 — 5 nm. Амплитуда и фаза этих малых колебаний контролируется с помощью подходящего сенсора. На финальной стадии точного подвода (т. е. при расстояниях между зондом и образцом около 20nm), в результате действия shear force, изменяется резонансная частота колебаний зонда, что приводит к падению амплитуды колебании и фазовому сдвигу. Истинные причины shear force до конца не поняты. Это может быть вязкое трение в тонком слое воды, покрывающей образец, непосредственный контакт с поверхностью, электростатическое изображение зонда в образце и т. п. Фазовый сигнал быстрее реагирует на изменение параметров колебаний, так как он не зависит от диссипации кинетической энергии, запасенной в колебаниях. Таким образом, использование чисто фазовой или фазовой и амплитудной обратной связи является непременным условием создания быстрого SNOM.
Технология нанесения металлического покрытия на заостренное оптоволокно
Далее на заостренное волокно методом электронно-лучевого испарения в вакууме наносится тонкая двухслойная металлическая пленка ванадий ( 20 шп)-алюминий ( 70 пт). Угол между осью волокна и направлением разлета металла составляет 20, в результате на острие конуса, находящимся в "тени", образуется малая апертура.
Выбор металлического покрытия обусловлен тем, что ванадий обладает хорошей адгезией к кварцу, а алюминий имеет малую глубину скин-слоя в оптическом диапазоне. В случае, если предполагается удержание зонда над поверхностью образца по туннельному току, дополнительно напыляется тонкая ( 20 nm) пленка золота.
Оптические волокна, покрытые металлом, нашли важное применение в сканирующей близкополы-юй оптической микроскопии (SNOM). Эта технология использует в качестве зонда, излучающего свет, волокно, порытое металлом, с отверстием на конце. Известно, что лишь малая часть входящей мощности света достигает отверстия на конце зонда. Исследование этого нежелательного эффекта и разработка оптимизированных SNOM-зондов требует понимания распространения света в оптических волноводах с металлическим покрытием.
В этой работе мы исследуем распространение оптических волн в круговых волноводах, сделанных из концентрических слоев стекла, алюминия и вакуума. Несмотря на простоту этой конструкции классификация мод и понимание наблюдавшихся эффектов далеки от тривиальности. Поэтому мы уменьшили сложность при первом шаге и обсуждаем (1) оптические волны алюминиевого цилиндра в вакууме и (2) решения диэлектрического волновода с бесконечным алюминиевым покрытием. Эти два упрощенных случая получены из нашей начальной конструкции (1) принятием радиуса стеклянного ядра равным нулю и (2) предположением того, что толщина алюминиевого покрытия бесконечна. Моды, найденные для упрощенной конструкции, используются для классификации и обсуждения мод начальной конструкции. Выделено два главных аспекта: (1) зависимость константы распространения от геометрических размеров и (2) частотная дисперсия.
Для стекла мы предполагаем действительную, зависящую от частоты, диэлектрическую постоянную. Для алюминия мы предполагаем комплексную диэлектрическую постоянную, которая удовлетворяет закону дисперсии плазмы. Для оптических длин волн действительная часть диэлектрической постоянной алюминия есть величина отрицательная и имеет поэтому активный поверхностный характер, который ведёт при определённых частотах к возбуждению плазмонов (резонансные колебания плотности электронного газа). Эти резонансы зависят от материала, частоты и геометрии. Поверхностные моды, такие как поверхностные плазмонные моды, локализованы на границе раздела сред. В поверхностной и тонкопленочной физике поверхностные плазмоны находят важное применение в качестве поверхностных зондов (оптические датчики) для исследования поверхностей.
Несколько авторов обсуждало решения волнового уравнения для бесконечного цилиндра с отрицательной диэлектрической постоянной. Их внимание было в основном приковано к цилиндрическим поверхностным поляритонам. Один из первых экспериментов по возбуждению оптических мод у алюминиевого цилиндра был поставлен Miziumski [44] с использованием рассеяния света. Pfeiffer, Economou и Ngai [45] объяснили эти результаты посредством виртуальных излучаемых мод, которые имеют комплексную частоту и, поэтому, конечное время жизни. Виртуальные излучаемые моды с частотами выше плазменных были исследованы Martinos и Economou [46]. Для случая металлического цилиндра с потерями, облученного плоской волной, падающей по нормали к поверхности, они показали, что собственные частоты соответствуют пикам в спектре поглощения. Недавно Prade и Vinet была дана систематическая классификация всех возможных мод волновода в цилиндрической гео метрии с двумя концентрическими средами, одна из которых имеет отрицательную диэлектрическую постоянную. Конструкции волноводов с потерями были описаны в основном с помощью "transmission line" -теории, которая ведет к аппроксимации решений, основанных на теории возмущений.
В этой работе коэффициент затухания ассоциируется с мнимой частью диэлектрической постоянной алюминия и константы распространения мод волновода будут поэтому комплексными величинами. Отличить распространяющиеся моды от затухающих теперь невозможно. Вместо этого есть переход от более или менее распространяющихся к более или менее затухающим модам. Связь между электромагнитной и другими формами энергии делает физическую интерпретацию значительно сложнее, т. к. анализ должен быть сделан с комплексными параметрами. Графическое представление является исчерпывающим, т. к. действительная и мнимая части должны быть показаны одновременно.
Эта работа построена следующим образом: раздел 2 рассказывает в общих чертах теорию волноводов и методы, использованные для этой работы. Для волновода с диэлектрическим ядром и бесконечным алюминиевым покрытием мы исследуем в разделе 3 зависимость постоянной распространения от радиуса ядра и частоты. Подобное изучение сделано в разделе 4 для алюминиевого цилиндра, окруженного вакуумом. В разделе 5, наконец, мы обсудим моды волновода с диэлектрическим ядром и конечным алюминиевым покрытием с использованием результатов из предыдущих разделов.
Частоту мы везде предполагаем действительной. Псевдонормальные моды, полученные другими авторами для комплексных частот, не рассматриваются. Решение уравнений Максвелла в цилиндрических координатах хорошо описано в литературе, поэтому мы выделим лишь некоторые аспекты вывода мод волновода. Поле F(E, Н) распространяется вдоль оси z. где kz - постоянная распространения, а р, ip - полярные координаты в поперечном сечении. Для комплексной постоянной распространения мы используем следующее обозначение:
В этой формуле /3 - фазовая константа, а а - константа затухания. Действительная и мнимая части диэлектрической постоянной будут обозначены: где л/є - показатель преломления. В плоскости (р, ср) мы рассматриваем два или три концентрических домена, из которых только один имеет комплексную диэлектрическую постоянную. Азимутальная зависимость полей, в которых домен описывается гармоническими функциями sin(mp), cos(mp) порядка п и радиальной зависимостью цилиндрических функций, которые удовлетворяют дифференциальному уравнению Бесселя второго порядка. Внутри домена только функция Бесселя, в первом при ближений, Іп, может быть использована для того, чтобы получить конечное решение вдоль оси волновода. С другой стороны, для крайнего домена только функция Хан келя в первом приближении, Hn , может быть применена для того, чтобы удовле творить условию излучения на бесконечности. Близкий домен, который не содержит
ось волновода, описывается двумя линейно независимыми цилиндрическими функ циями. Аргумент цилиндрической функции в домене Di - (kip), где ki - поперечное волновое число, ki связано с kz следующим образом: І - kz к0 2" где ко - волновое число свободного пространства: к0 = и/с. При взятии квадратного корня от этого выражения мы получаем две величины для к . Важно отметить, что для Н,\ в крайнем домене величина / с положительной мнимой частью должна всегда быть такой, чтобы удовлетворить условию излучения.
На каждой границе раздела двух доменов Di, Dj при р = Яу, могут быть сформулированы четыре условия непрерывности для тангенциальных компонент электрического и магнитного полей. Требуем, чтобы детерминант результирующей однородной системы уравнений был равен нулю:
Устройство плоскопараллелыюго сканирования с датчиками перемещения и системой обратной связи
Устройство сканирования состоит из сканирующей платформы (18), двух пьезодви-жителей (19), двух тензодатчиков перемещения (17) (см. рис. 3.2).
Устройство работает следующим образом: сканирующая платформа (18) представляет собой рычажную систему с двумя степенями свободы (XY) и перемещается при помощи пьезодвижителей (19), на которые падается напряжение с высоковольтных усилителей (30). Формирование сигнала сканирования задается формирователем Рис. 3.3: Разработанный БОМ-ШНД. 1 - Рис. 3.4: Внешний вид Shear-Force го кварцевый резонатор, 2 - оптоволокно. ловки. 1 - отверстие для выхода оптиче ского волокна, 2 - пинты для Горизонтального ІЮЧПШІОШфОЛЯІШЯ головки, 3 - держатель ("носик") для крепления зонда, 4 - крышка, 5 - основная платформа, на которой собраны все компоненты, 6 - пьезоскапер (27). Реальное перемещен не измеряется при помощи теюо датчиков (17), папряжепие с которого через усилитель (28) и АЦП (34) поступает на процессор (37). Процессор (37), учитывая это реальное перемещение при помощи алгоритмов нелинейной коррекции, корректирует работу формирователя (27). Таким образом образуется цепь обратной связи, позволяющая сканировать с малыми 11 ел и ценностями и малым дрейфом заданной точки образна относительно зонда. Окончательные параметры системы сканирования:
Лазерный модуль состоит и;; аргонового лазера (1) и устройства ввода лазерного излучения в оптоволокно (3). Устройство работает следующим образом: лазерный луч при помощи микрообьекпша фокусируется па торец оптоволокна (3). закрепленного в держателе, который может перемещается по трем координатам с точностью менее
Устройство работает следующим образом: оптический сигнал, собранный микрообъективом (14) через поворотную призму (12) и светоделительную призму (13), поступает на оптический порт (16), к которому присоединен модуль ФЭУ. Далее, сигнал ФЭУ (9) через усилитель (29) и АЦП (36) поступает на процессор (37) и далее в ПК (39) для формирования БОМ изображения. При получении БОМ изображения на лазерной длине волны фильтр (10) не используется. При люминесцентных измерениях фильтр (10) пропускает только вторичное излучение (люминесценцию либо рама-новское излучение), таким образом получается БОМ изображение на спектральном диапазоне, соответствующем какому-либо типу вторичного излучения.
Устройство работает следующим образом: оптический сигнал, собранный микрообъективом (14) через поворотную призму (12) и светоделительную призму (13) поступает на оптический порт (15), далее через транспортное оптоволокно (8) на входную щель спектрометра (4). Оптическая схема спектрометра состоит из сферических зеркал (5) и дифракционной решетки (6). Оптическая система формирует спектральную картину на ПЗС матрицу (7). Сигнал с ПЗС матрицы (7) через USB порт поступает в ПК (39), где при помощи программного обеспечения отображаются спектральные данные. Основные параметры спектрометра:
В процессе разработки и изготовления любого оборудования важным этапом является определение методик измерения набора основных характеристик прибора, а также набор тестовых образцов. В нашем случае основными характеристиками разработанного устройства являются: Латеральное разрешение AXsh в режиме резонансного СЗМа при измерении топографии предложенного образца; Вертикальное разрешение t\Z в режиме резонансного СЗМа при измерении топографии предложенного образца; Оптическое разрешение ДХор в БОМ режиме при измерении оптического контраста предложенного образца; Максимальный оптический контраст в БОМ режиме; Оптическое разрешение ДХор в БОМ режиме при измерении контраста вторичного излучения (в нашем случае люминесценции) предложенного образца; Коэффициент прохождения света т\ через БОМ зонд. Нами предлагается набор тестовых образцов, исследование которых позволит оценить все выше приведенные параметры: Молекулы ДНК осажденные, на подложку из слюды; Оптическая ромбовидная решетка; Люминесцирующие латексные шарики; 73 4 В обычной микроскопии стандартным тестовым образцом являются шарики малого (100 nm — 1/ші) размера, обладающие способностью люмииесцировать в видимом диапазоне при возбуждении светом из ультрафиолетовой или синей области. В данной работе были измерены лагексные шарики размером 100 nm с возбуждением в синей области спектра (488 nm) и максимумом люминесценции на 500 nm (сине-зеленая область). На рис. 4.4 представлены полученные данные: Shear-Force изображение (топография) и БОМ изображение люминесценции. Таким образом, стандартная методика с использованием люминесцентных шариков малого размера для аттестации обычных микроскопов, годится и для БОМ микроскопии.
Измерения оптической ромбовидной решетки в БОМ режиме для определения пространственного оптического разрешения и оптического контраста
Фотолитография - процесс переноса рисунка с эталонного шаблона на поверхность светочувствительного образца. Фотолитография была изобретена Фокс-Тальботом в 1852 г. Он обнаружил, что экспозиция на свету плёнок желатина, обработанных би-хроматом, приводит к таким сильным изменениям растворимости, что неосвещённые участки желатины можно избирательно отмыть водой. Эта процедура используется при фотолитографии и в настоящее время. Для таких современных сфер применения, как микролитография, необходим другой класс светочувствительных материалов - фоторезистов. Различают позитивные и негативные фоторезисты, в зависимости от того, в каком направлении изменяется их растворимость при облучении. Если растворимость повышается, то материал называют позитивным, а если растворимость уменьшается при облучении, то материал называют негативным. Для получения фоторезистов применяются практически только полимеры. Это обусловлено их прекрасной способностью образовывать плёнки, покрытия и лёгкостью, с которой можно изменять эти свойства химическими методами для удовлетворения разнообразных требований. Полимеры обычно линейны и имеют молекулярные веса в интервале от нескольких тысяч до сотен тысяч.
Процесс экспонирования вызывает химические изменения в полимерах, такие, как неупорядоченный разрыв связей, поперечное сшивание или молекулярная перегруппировка в небольших молекулах добавки, введённой в полимер. Продукты этих реакций отделяются от неэкспонированных реагентов проявлением или каким-либо другим способом (например, нагреванием).
Основным механизмом формирования трёхмерных изображений в резистах (при жидкостном проявлении) является разная степень растворимости позитивных или нерастворимости негативных резистов.
После экспонирования излучением с длиной волны 150-800 nm засвеченные области позитивных фоторезистов проявляются со скоростью R, примерно на порядок большей, чем скорость проявления иезасвечеииых участков R0. Профили резиста можно формировать путём изменения дозы облучения и соотношения скоростей проявления R/RQ.
При больших дозах ( 100mJ/cm2) форма профиля определяется поглощением излучения, отражёнными фотонами и квантовым выходом Ф фотохимических превращений в резисте. Поглощённая энергия определяет скорость растворения резиста в зависимости от глубины проникновения излучения:
При умеренных дозах вклад в формирование резистного профиля вносят как множитель, определяющий растворимость при проявлении (dR/dE), так и множитель, определяющий поглощение излучения (dE/dZ). При малых дозах множитель, ответственный за проявление, доминирует, профиль размывается, а резистная плёнка в целом становится тоньше.
Кроме жидкостного существует также сухое травление. Термин "сухое травление" относится ко всем процессам травления, которые происходят в нежидкой среде. Различают плазменное, ионно-лучевое и травление в газовой фазе.
Плазменное травление означает использование горячей плазмы (ионизированного газа) для удаления материалов. Компонентами газа являются один или несколько галоидированных атомов углеводородов, а также фтор, хлор, бром или йод. Газ вступает в реакцию с обрабатываемым материалом, в результате чего образуются летучие побочные продукты. Они поглощаются камерой, в которой происходит травление.
Сущность травления ионным пучком - направление на пластину пучка высоко-энергетических ионов. Травление осуществляется в основном за счет высокой кинетической энергии бомбардирующих поверхность частиц, а не за счет химической реакции. Однако при травлении ионами с энергией больше 50 eV органические резисты быстро разрушаются. Применение этого метода ограничено его низкой селективностью и высокой скоростью эрозии резиста.
Травление в газовой фазе осуществляется при химических реакциях образца с газами-реагентами, содержащими фтор, водород или хлор. Такое травление осуществляется при повышенных температурах ( 1000С), а поэтому не может быть применено к фоторезистам, термостойкость которых не превышает 250СС.
Основные достоинства сухого проявления перед жидкостным: отсутствие токсичных органических растворителей, повышенное разрешение, меньшее число проколов и сохранение адгезии.
Для экспонирующих установок разрешение W определяется по формуле: где к - постоянная, зависящая от конкретного резиста, Л - длина волны экспонирующего излучения, NA - числовая апертура проецирующего элемента установки. Из формулы видно, что, используя излучение с более короткой длиной волны можно получить изображения с меньшими размерами.
Действие на резист поглощённой энергии экспонирующего излучения Е определяется контрастом процесса проявления резиста. Контраст определяется как где Ei - доза начала проявления резиста, а Е0 - доза, при которой после проявления на подложке не остаётся резиста. Е\ не зависит от толщины слоя резиста, а Е0 увеличивается с толщиной приблизительно по закону 10 . Минимальная доза экспонирования Emin - это произведение интенсивности светового пучка / (J/cm2) и времени экспонирования t единичного элемента изображения: Emin = It. Время экспонирования:
Ясно, что уменьшить время экспонирования можно, увеличив интенсивность излучения. Согласно статистике Пуассона разрешение:
Чтобы достичь ианометрового разрешения для малых элементов изображения требуется большая доза и высокочувствительный к экспонирующему излучению резист. Основой получения изображений в позитивных резистах являются фотохимические превращения небольших фотоактивных добавок или полимерных материалов при поглощении излучения. Поглощение излучения высоких энергий происходит в результате взаимодействия падающих лучей с электронами в атомах резиста. Электроны выбиваются из молекул резиста с кинетической энергией Е: Е = hv — Q, где Q - энергия связи электрона на его орбитали. Эти электроны теряют свою кинетическую энергию ( 10 eV) при взаимодействии с другими молекулами резиста. На рис. 5.1 схематически показан процесс модификации фоторезиста под воздействием излучения. Из выше изложенного можно сформулировать основные параметры фотолитографии:
