Введение к работе
з
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Современный облик цивилизации во многом сформировался благодаря созданию и совершенствованию миниатюрных твердотельных электронных приборов и интегральных микросхем. В частности, прогресс в миниатюризации электронных компонентов привел в настоящее время к возникновению и интенсивному развитию принципиально новой области науки и техники- наноэлектроники. Дальнейшее развитие твердотельной микро-и наноэлектроники во многом определяется возможностями создания и исследования структур с определенными параметрами и свойствами.
Принципиально новые возможности в этом отношении открылись благодаря созданию в начале 1980-х годов сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) (G.Binnig, H.Rohrer, D.Pohl). СЗМ является уникальным наноэлектронным прибором, сочетающим в себе свойства микроскопа атомарного разрешения и технологического устройствам помощью которого могут создаваться наноразмерные элементы с программируемыми свойствами. С помощью СЗМ были получены изображения поверхностей проводников и диэлектриков с атомарным разрешением (Binnig.Quate, 1982,1986), создан наноразмерный транзистор (Quate, 1994), получено устройство триггерного типа, работающее на одном атоме Хе (Eigler, 1991) и др.
Создание наноструктур и исследование физических явлений на квантовом уровне требует использования в качестве СЗМ многофункциональных измерительных комплексов позволяющих эдновременно регистрировать целый ряд представляющих интерес іараметров (рельеф поверхности, силу трения, проводимость и др.) и ювмещающих в себе несколько типов микроскопов (в частности, гуннельной, атомно-силовой, световой и др.). Основу подобных сомплексных приборов может составить микроскоп атомных сил, что хелает возможным проведение исследования широкого класса )бъектов, как проводящих, так и диэлектрических. -Іесмотря на большое количество конструкций ("NanoScope" Digital nstruments, "Universal System" Park Scientific Instruments, "CMM-2000" $еленоград и др.), до сих пор не разработана схема многофункционального комплекса СЗМ удовлетворяющая требованиям различных типов микроскопии и сочетающая легкость и простоту :мены измерительных узлов микроскопов, с высокой іибростабильностью обеспечивающей возможность эксплуатации в
обычных лабораторных условиях. Для обеспечения гибкости, многофукциональности и точности работы комплекса СЗМ важной задачей представляется также разработка системы управления на основе цифровых методов и создание программ обработки экспериментальных данных для получения трехмерных изображений исследуемых поверхностей.
В . 1980-е годы было обнаружено явление переключения проводимости в диэлектрических пленках оксидов и фторидов редкоземельных элементов (В.А.Рожков, А.И.Петров, A.Goodman). Данное явление имеет не только фундаментальное научное, но и важное прикладное значение, связанное с созданием устройств памяти сверхвысокой емкости. Исследование этого эффекта до сих пор проводилось под электродами значительной площади, что не позволяло получить экспериментальные данные о механизмах ответственных за переключение и провести проверку и дискриминацию гипотез о данном явлении. Принципиально новый подход к исследованию явления переключения открывает создание комплексных многофункциональных СЗМ, позволяющих одновременно измерять проводимость и рельеф поверхности с высоким пространственным разрешением.
Исследование с помощью сканирующей туннельной микроскопии диэлектрических объектов требует обязательного покрытия исследуемой поверхности проводящей пленкой. Это ставит ряд задач по подбору материала пленки, обладающей наименьшим размером кластеров, высокой стойкостью к окислению и адгезией. До сих пор систематическое исследование указанных свойств различных материалов с учетом взаимодействия острия с проводящей пленкой не проводилось, что существенно для ряда приложений, в том числе биологических.
Таким образом актуальной задачей современной твердотельной микро-и наноэлектроники является создание виброустойчивых многофункциональных комплексов СЗМ и исследование на их основе новых физических эффектов и структур.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является: создание вибростабильного
многофункционального комплекса СЗМ, и исследование на его основе фундаментальных свойств объектов полупроводниковой микро и наноэлектроники, в том числе, эффекта переключения проводимости с памятью в диэлектрических структурах, явления пробоя диэлектрических пленок, физических свойств тонких проводящих пленок, выбор оптимального материала покрытия диэлектриков и др.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:
- впервые предложена и опробована схема многофункционального
универсального СЗМ, позволяющего проводить комплексное
исследование свойств поверхности различных объектов, с помощью
сменных измерительных узлов (туннельного, силового, оптического
ближнего поля). Определены пути снижения вибрационной
чувствительности СЗМ и разработаны оригинальные способы создания
вибростабильных микроскопов. Предложены и обоснованы новые
концепции сканеров СЗМ и устройств грубого перемещения объекта
- впервые проведено исследование явления переключения проводимости
с памятью диэлектрических пленок в наномасштабах и установлено
существование проводящих микроканалов, измерены диаметр и
сопротивление отдельного проводящего микроканала, а также связь
топографии поверхности с изменением ее электрических свойств
впервые проведено сравнительное исследование изменения рельефа поверхности при переключении и электрическом пробое методами СЗМ -впервые получены новые экспериментальные данные обосновывающие гипотезу о формировании проводящего микрокапала при переключении путем фазового перехода материала диэлектрика
проведено исследование влияния напыляемого материала на размер кластеров и учетено взаимодействие острия микроскопа с проводящей пленкой
-впервые получены изображения поверхностей ряда биологических
микрообъектов с высоким разрешением.
1. Микроканал проводимости при переключении в проводящее
состояние в тонких диэлектрических пленках МДП структур на основе
оксида иттербия возникает путем фазового перехода материала
диэлектрика.
-
Время существования микроканалов проводимости образовавшихся при переключении в проводящее состояние диэлектрической пленки оксида иттербия в МДП структурах примерно на порядок меньше времени существования проводящих областей возникших при пробое гого же диэлектрика в аналогичных условиях.
-
Pt/Ir проводящее покрытие, обладающее оптимальным сочетанием адгезии, высокой проводимости, стойкости к окислению и малым эазмером кластера позволяет получить изображения поверхности іегкодеформируемьіх диэлектрических объектов (в частности, Зиологических) с разрешением лучше 10 нм.
4. Стабильность туннельного тока в сканирующем туннельном
микроскопе и стабильность силы межмолекулярного взаимодействия
острие-объект в микроскопе атомных сил достигается путем введения
трения между подвижным объектодежателем и корпусом микроскопа,
при условии, что сила трения превышает силу, развиваемую
вибрациями.
-
Методы и принципы повышения вибростабильности, позволяющие создать многофункциональный комплекс СЗМ с разрешением 0,02 нм и миниатюрный, предназначенный для встраивания зондовый микроскоп с разрешением 0,01 нм в направлении,перпендикулярном исследуемой поверхности в лабораторных условиях без использования систем виброизоляции (массивные столы, пружинные подвесы и др.). Придание поверхности сканера полусферической формы повышает собственную резонансную частоту до 100 кГц при сохранении размеров участка сканирования 1x1 мкм.
-
Разработанная электронная схема цифрового блока управления и программное обеспечение многофункционального комплекса СЗМ, включающее программу управления комплексом и графический редактор трехмерных изображений поверхностей исследуемых объектов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Результаты работы могут быть использованы при разработке и изготовлении современных СЗМ различных типов, а также универсальных комплексов СЗМ. Разработанная вибростабильная конструкция базового блока СТМ (Пат. RU №2054740 от 28/08/92.) может быть использована для создания на ее основе микроскопа, встраиваемого в различное физическое оборудование (вакуумные и низкотемпературные камеры и др.). Созданный сканер новой геометрии (А.с. №1588197 А1, 1990 ) позволяет построить на его основе высокочастотный СЗМ, работающий в реальном режиме времени. Способ исследования диэлектрических объектов (Пол. реш. №94-025086/07(024446) от 04/07/94), а также результаты проведенного исследования свойств различных проводящих пленок, напыляемых на диэлектрик, перспективны для использования при исследовании биологических и физических объектов методами туннельной микроскопии. Исследование диэлектрических пленок, обладающих эффектом переключения проводимости с памятью, позволит не только получить информацию,необходимую для проверки и дискриминации гипотез о механизмах данного процесса, а также может найти применение при использовании данного явления в
устройствах памяти высокой емкости. Полученные изображения ряда биологических объектов (возбудителя чумы, фагов и макромолекул микроба чумы) с разрешением, превосходящим разрешение сканирующего электронного микроскопа, дают биологически значимую информацию о свойствах данных биообъектов.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Conf. SPIE (Hungary, 1993), Topical Meetings "Laser Applications to Chemical and Environmental Analysis" (1996 Orlando), Conf. of Fiber Optics and Laser Sensors XIV (Denver, 1996), конференции. "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96, (Саратов, 1996), XVI Российской конференции по электронной микроскопии ЭМ'96 (Черноголовка, 1996), VII съезде Всероссийского общества эпидемиологов, микробиологов и паразитологов, (Москва, 1997), BiOS Europe 97 (San Remo, 1997), BiOS '98 (San Jose, 1998), международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов, 1997), Всероссийской конференции по сканирующей электронной микроскопии, (Черноголовка, 1997), Всероссийской конференции,посвященной 100-летию противочумной службы России, (Саратов, 1997), Научной молодежной школе по оптике, лазерной физике и оптоэлектронике (Саратов, 1997).
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 29 печатных работ, в том числе 6 статей в центральных журналах, 1 патент, 1 авторское свидетельство и 1 пол. решение на выдачу патента, 5 статей в сборниках докладов международных конференций и 15 тезисов докладов на научно- технических конференциях.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы из 207 наименований, содержит 48 рисунков и микрофотографий. Общий объем диссертации составляет 191 стр.
