Введение к работе
з
Актуальность темы.
Анализ достижений в области сканирующей туннельной микроскопии показывает, что за свою недолгую историю (в 1986 году Г.Биннинг и Г.Рорер получили Нобелевскую премию за разработку первого сканирующего туннельного микроскопа) сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) стал мощным инструментом для исследования наноструктур в различных областях науки и техники.
Но особенно ощутимые результаты от применения СТМ могут быть получены в области электронного приборостроения, где СТМ, позволяющий видеть отдельные атомы, может с успехом применяться как для неразрушающего исследования и контроля субмикронных полупроводниковых структур, так и для создания операционных элементов с нанометровыми размерами (вплоть до размера атома), т.е. в так называемой напотехнологии квантовых интегральных схем. Практическое внедрение напотехнологии обеспечит возможность создания диодов, транзисторов, логических элементов, имеющих сверхвысокое быстро действ ней исключительно низкое потребление энергии, а также реализации сложнейших вычислительных систем на одном кристалле. Таким образом, новые возможности, открываемые нанотехнологией, могут существенно преобразовать существующие подходы к созданию электронных элементов и построению вычислительных систем.
Однако, для того, чтобы СТМ стал надежным инструментом в напотехнологии, он должен соответствовать ряду жестких критериев, в частности, позволять с высокой скоростью исследовать атомарную топографию участков поверхности размером от десятков ангстрем до десятков микрон и обеспечивать получение качественных и достоверных изображений атомарной топографии поверхности (АТП).
Современные же СТМ еще далеки от подобного идеала, а процедура получения качественных изображений атомарной топографии поверхности все еще не стала рутинной. Это противоречие определяет необходимость совершенствования СТМ и повышения его эффективности при исследовании атомарной топографии поверхности, а именно: улучшения качества получаемых изображений; повышения скорости измерения, в особенности при проведешш экспресс-анализа больших участков поверхности (размером десятки микрон). Основными современными направленнями в совершенствовании СТМ являются разработка новых и совершенствование существующих методов, алгоритмов и устройств управленім съемом и предварительной обработки информации.
Целью исследований, результаты которых представлены в настоящей работе, била именно разработка методов и средств совершенствования существующих СТМ.
Проведенные в рамках диссертационной работы исследования являются продолжением научно-исследовательской работы, выполненной в 1986-199 J гг. на Факультете технической кибернетики С-Петербургского Технического Университета по разработке и созданию первого серийного отечественного СТМ-СТМ "Пирамидка".
Тема диссертационной работы связана с планом госбюджетной научно-исследовательской работы "Исследование и разработка систем управления, контроля и диагностики" № 0890301 и согласуется с межвузовской научно-исследовательской программой "Приборы и устройства интегральной электроники", утвержденной комитетом РФ по высшей школе ( указание № 45-10).
Цель работы.
Цель диссертационной работы - повьшіеіше эффективности СТМ при измерении АТП, а именно: улучшение качества получаемых изображений ЛТП, повышение скорости измерения АТП.
Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:
-
Разработка математических моделей полезною сигнала, получаемого в СТМ при измерении АТП, базирующихся на современном физическом представлении о кристаллической структуре поверхности, и проведение их исследования.
-
Разработка методов, алгоритмов и структур съема и обработки информации, обеспечивающих улучшение качества получаемых изображений ЛТП и повышение скорости измерения АТП.
-
Создание на этой теоретической базе инженерных инструментов, обеспечивающих возможность построения высокоэффективных устройств измерения ЛТП, и апробация их на практической задаче, связанной с совершенствованием серийного СТМ "Пирамидка".
Методы исследования.
Методы исследования базируются на использовании элементов теории вероятностей, цифровой обработки сипіалов, математической статистики, методов математического анализа и булевой алгебры.
5 Научная новизна работы.
-
Разработаны математические модели полезных сигналов, получаемых в СТМ при измерении атомарно-чистых поверхностей кристаллов с гранецентрированной кубической решеткой типа (П1)(1х1), базирующиеся на современных физических представлениях о кристаллической структуре поверхностей;
-
Показана необходимость предварительной медианной фильтрации получаемых в СТМ сигналов и разработана методика определения оптимального размера апертуры устройства медианной фильтрации, учитывающая особенности получаемого полезного сигнала, характерных для СТМ шумовых составляющих, а также нелинейный характер медианной фильтрации;
-
Разработаны прямой, конвейерный и рекурсивный алгоритмы медианной фильтрации, основанные на использовании предложенной матрицы сравнений и ориентированные на асинхронный, параллельный процесс вычисления медианы;
-
Разработаны структуры прямого, конвейерного и рекурсивного медианных фильтров, реализующие разработанные алгоритмы;
-
Разработаны алгоритм и структура устройства управления съемом информации в СТМ, учитывающие особенности получаемого в СТМ полезного сигнала, и ориентированные на экспресс-анализ макроучастков ЛТП.
Практическая ценность.
На основе полученных з диссертационной работе теоретических результатов:
-
Разработан инженерный инструмент для определения оптимального размера апертуры устройства предварительной медианной фильтрации СТМ, включающий методику определения оптимального размера апертуры и пакет программ;
-
Создан инженерный инструмент для разработки СБИС медианного фильтра заданного типа, имеющего задаваемые размер апертуры и разрядность входных отсчетов;
-
На базе разработанного инженерного инструмента для серийпого СТМ "Пирамидка" определен оптимальный размер апертуры устройства предварительной медианной фильтрации;
4. На базе созданного инженерного инструмента для серийного СТМ "Пирамидка"
разработана СБИС предваріггельноіі медианной фильтрации, имеющая апертуру
оптимального размера и позволяющая в реальном масштабе времени обрабатывать
получаемые отсчеты сигнала.
Оформлена заявка (№ 94-026546/281026614, приоритет от 18.07.94) и получено положительное решение о выдаче патента на изобретение: "Устройство измерения атомарной топографии поверхности'1,
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре "Нанотехнология квантовых интегральных схем" (Москва 1989); Всероссийской научно-практической конференциии "Инновационные наукоемкие технологии для России" (С-Петербург 1995), а также на семинарах кафедры АиВТ СПбГГУ.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.
Достоверность результатов.
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается:
1. Экспериментальными исследованиями;
2. Результатом экспертизы Всероссийского научно-исследовательского института
патентной экспертизы;
-
Корректным использованием математического аппарата;
-
Апробацией работы в виде докладов на Всесоюзной и Всероссийской конференциях и публикаціш в научных изданиях;
Структура и объем работы.
