WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
на правах рукописи Поляков Вячеслав Викторович СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП СОВМЕСТИМЫЙ С БАЗОВЫМИ МЕТОДАМИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Специальность: 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва-2009 Работа выполнена на кафедре микроэлектроники Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)» и в ЗАО «Нанотехнология МДТ» Научный руководитель доктор технических наук Быков Виктор Александрович Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Агеев Олег Алексеевич кандидат физико-математических наук Анкудинов Александр Витальевич Ведущая организация Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» Защита состоится 27 ноября 2009 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д 002.034.01 при Учреждении Российской академии наук Институте аналитического приборостроения РАН (ИАП РАН) по адресу 190103, Санкт-Петербург, Рижский пр., 26 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАП РАН Автореферат разослан 23 октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Щербаков А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Развитие нанотехнологий невозможно без развития методов создания, модификации и диагностики нанообъектов. Широкое распространение получили методы электронной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии, вторично-ионной масс-спектроскопии, оже-спектроскопии, а также методы, основанные на использовании фокусированных ионных пучков.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) представляет собой мощный метод комплексного исследования свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За прошедшие с момента появления первых приборов годы применение зондовых микроскопов позволило достичь уникальных научных результатов в различных областях физики, химии и биологии; развитие методов СЗМ послужило во многом движущей силой нанотехнологий. Современный сканирующий зондовый микроскоп – это прибор, интегрирующий в себе до пятидесяти различных методик исследования. Постоянно создаются новые конструкции приборов, специализированные для различных приложений.

Аппаратурное объединение методов сканирующей зондовой микроскопии с другими базовыми методами нанотехнологий дает уникальные возможности, связанные с созданием и отработкой процессов изготовления, исследованием свойств нано- и микроэлектромеханических систем, наноэлектронных элементов, других нанообъектов. При этом развитие специализированных методик зондовой микроскопии позволяет расширить спектр исследуемых характеристик наноструктур.

Цель и задачи работы Целью работы является создание сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа, совместимого с базовыми методами нанотехнологий.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. Разработка и апробация методики сканирующей емкостной микроскопии.

2. Разработка конструктивных решений сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа, способного исследовать свойства и осуществлять модификацию поверхности в любой области подложки диаметром вплоть до 100 мм.

3. Разработка оптического датчика изгибов кантилевера для сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа, а также анализ зависимости чувствительности и шумовых характеристик датчика от величины угловой апертуры лазерной системы датчика.

4. Разработка сверхвысоковакуумного XYZ координатного стола, обеспечивающего субмикронную точность позиционирования, а также апробация совместимости разработанного зондового микроскопа с базовыми методами нанотехнологий.

Научная новизна работы 1. Впервые предложен зондовый датчик со встроенным конденсатором для сканирующей емкостной микроскопии.

2. Предложен оригинальный метод компенсации паразитной емкости для реализации методики сканирующей емкостной микроскопии, позволяющий обеспечить применимость методики на большеразмерных образцах с развитым рельефом.

3. Впервые проанализировано влияние угловой апертуры лазерной системы датчика изгибов кантилевера атомно-силового микроскопа на чувствительность и уровень шумов датчика, а также предложен метод оптимизации угловой апертуры.

4. Впервые разработан сканирующий зондовый микроскоп, совместимый с базовыми методами нанотехнологий, позволяющий исследовать свойства и осуществлять модификацию поверхности 100-мм подложки в любой ее точке в условиях сверхвысокого вакуума (при давлениях ~ 10-10 Торр).

Практическая значимость работы 1. Результаты, полученные в работе, явились научно-технической основой для производства ЗАО «Нанотехнология МДТ» модулей сканирующей зондовой микроскопии для нанотехнологических комплексов Нанофаб 100.

2. На основе результатов, полученных при разработке методики сканирующей емкостной микроскопии, создано и поставлено в серийное производство ЗАО «Нанотехнология МДТ» изделие AU030, реализующее методику на сканирующих зондовых микроскопах «Интегра» и «Солвер».

3. Разработанный сверхвысоковакуумный XYZ координатный стол поставлен в серийное производство ЗАО «Нанотехнология МДТ» и применяется в составе различных модулей нанотехнологических комплексов Нанофаб 100, а также может быть применен как отдельное устройство при решени задач, требующих прецизионного перемещения образцов линейным размером до 100 мм в условиях вплоть до сверхвысоковакуумных.

Положения, выносимые на защиту 1. Применение зондового датчика со встроенным конденсатором при измерениях с использованием методики сканирующей емкостной микроскопии позволяет значительно уменьшить влияние изменений паразитной емкости в процессе сканирования на получаемые результаты.

2. Применение метода компенсации паразитной емкости для реализации методики сканирующей емкостной микроскопии позволяет исследовать пространственные распределения концентраций носителей в полупроводниках в диапазоне от 1015 см-3 до 1020 см-3 в том числе на большеразмерных образцах с развитым рельефом с существенно меньшим уровнем шумов по емкости, чем при использовании известных подходов.

3. Оптимизация угловой апертуры лазерной системы датчика изгибов кантилевера атомно-силового микроскопа позволяет при прочих равных условиях понизить шумы датчика с 0.04-0.05 нм до 0.02 нм в полосе 10-1000 Гц.

4. Предложенные конструктивные решения сканирующего зондового микроскопа позволяют исследовать и модифицировать поверхность подложки диаметром вплоть до 100 мм в любой ее точке в условиях сверхвысокого вакуума (при давлениях ~ 10-10 Торр).

5. Конструктивные решения сверхвысоковакуумного XYZ координатного стола позволяют прецизионно перемещать подложку диаметром вплоть до 100 мм с точностью позиционирования 0.3 мкм, обеспечивая совместимость разработанного зондового микроскопа с другими локальными методами модификации и исследования поверхности.

Апробация работы Результаты работы докладывались на IX Международном симпозиуме «International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments» (Россия, Санкт-Петербург, 2009); XI Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Россия, Нижний Новгород, 2007); Международной конференции «Micro- and nanoelectronics 2005» (Россия, Москва, Звенигород, 2005).

Публикации По материалам диссертации опубликованы 7 печатных работ, в том числе 3 статьи и 1 патент РФ, а также подана 1 заявка на патент.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет 110 страниц, работа содержит 65 рисунков, 3 таблицы, список цитируемых источников из 90 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, а также положения, выносимые на защиту. Излагается краткое содержание работы.

В первой главе работы проведен обзор методов сканирующей зондовой микроскопии, возможностей их применения для характеризации свойств полупроводниковых структур, а также возможностей совместного применения СЗМ-методов с другими методами нанотехнологий.

Методы сканирующей зондовой микроскопии сами по себе весьма привлекательны, равно как и их совместное применение с д ругими методами нанотехнологий. Современные нанотехнологии имеют дело с объектами с характерными размерами на уровне 1-100 нм, поэтому желательно обеспечивать применение СЗМ-методов в условиях, дающих максимальный уровень чистоты и сохранности поверхности, то есть в условиях сверхвысокого вакуума. В большинстве случаев оборудование, реализующее такие современные методы нанотехнологий, как молекулярно-лучевая эпитаксия, импульсное лазерное осаждение и т.д., предназначено для работы с пластинами диаметром от 50 до 300 мм. Кроме того, современные возможности локальных методов нанотехнологий (в частности, методов фокусированных ионных пучков) уже достигли того уровня, когда они могут быть применены в мелкосерийных либо серийных процессах изготовления нано- и микроэлектромеханических устройств, наноэлектронных элементов, изделий на их основе. Эти соображения существенны для выбора размера образца, с которым должен работать зондовый микроскоп, совместимый с базовыми методами нанотехнологий. В данной работе в качестве используемого образца выбрана пластина диаметром до 100 мм.

Для эффективного использования зондового микроскопа требуется максимально полно оснастить его набором современных методик СЗМ.

Поскольку значительную часть наноструктур составляют полупроводниковые структуры, принципиальную роль в арсенале СЗМ-методик играют методы исследования свойств полупроводников, в частности, методы исследования пространственного распределения концентраций носителей. Для характеризации с высоким пространственным разрешением пространственного распределения концентраций носителей в полупроводниковых структурах применяется с разным успехом большое количество зондовых методов, таких как метод зонда Кельвина, метод определения контраста сопротивления растекания, сканирующая емкостная микроскопия. В зондовых микроскопах отечественного производства до недавнего времени были реализованы все перечисленные методы, за исключением сканирующей емкостной микроскопии (СЕМ). В тоже время, СЕМ является, пожалуй, наиболее перспективной среди перечисленных, так как обеспечивает высокое пространственное разрешение (на уровне 10 нм) и является неразрушающей методикой.

Приведенные соображения обосновывают постановку задач диссертационного исследования, которой завершается первая глава работы.

Вторая глава работы посвящена разработке и апробации методики сканирующей емкостной микроскопии.

В методике СЕМ измеряются вариации емкости МДП-структуры, образованной проводящим зондом СЗМ, прижатым к тонкому слою диэлектрика на поверхности исследуемого полупроводникового образца (рис. 1), что позволяет судить о рапределении концентраций носителей в пределах области сканирования микроскопа. На практике обычно измеряют распределение по области сканирования микроскопа контраста производной dC/dV емкости системы при некотором фиксированном постоянном смещении между зондом и образцом. Среди известных способов реализации СЕМ наиболее широко применяется метод модуляции паразитной емкости, который используется, например, в выпускаемом серийно приборе компании Veeco (California, USA). Данный метод основан на использовании резонансного емкостного СВЧ-датчика для измерения малых изменений емкости в системе.

Уровень шумов устройства Veeco составляет 4-11 аФ/Гц1/2 (1 аФ = 10-18 Ф) [Lee D.T., Pelz J.P., Brushan B. Rev. Sci. Instrum. 2002. V. 73, N 10. P. 3525-3533].

Поскольку в системе «зондовый датчик-образец» изменение е мкости в зависимости от приложенного напряжения является полевым э ффектом, а электрическое поле локализовано в районе острия зондового датчика, то следует ожидать высокого (порядка радиуса закругления острия) пространственного Рис. 1. Проводящий зонд СЗМ, разрешения методики. Однако, на пути прижатый к слою диэлектрика на практической реализации методики СЕМ поверхности полупроводниковой имеется ряд трудностей.

структуры, а также электрические Характерные величины емкости в такой системе.

электрической емкости, образованной острием зондового датчика и образцом (рис. 1), составляют по порядку величины 10-17 - 10-18 Ф (1-10 аФ). При этом паразитные емкости C1 и С2, образованные соответственно кантилевером и образцом, а также чипом зондового датчика и образцом, составляют в сумме около 0.5 пФ, т.е.

паразитная емкость на пять порядков превышает величину измеряемой емкости. Более того, известно, что присутствующая в системе паразитная емкость изменяется в процессе сканирования; такие изменения могут достигать 100 аФ/мкм при перемещении зонда в латеральном направлении и 4 фФ/мкм при перемещении зонда по вертикали. Эти обстоятельства затрудняют применение известных способов реализации СЕМ, в особенности на большеразмерных образцах с развитым рельефом, при исследовании которых вклад изменений паразитной емкости в процессе сканирования становится весьма существенным.

В работе предложены оригинальный метод компенсации паразитной емкости с использованием зондового датчика специальной конструкции, а также устройство, реализующее СЕМ на выпускаемых серийно зондовых микроскопах. Разработанный метод состоит в следующем. Паразитная емкость в системе образована преимущественно чипом зондового датчика и образцом.

Несложные оценки позволяют утверждать, что и изменения паразитной емкости при сканировании в основном обусловлены изменениями взаимной емкости чипа и образца. Обойти эти трудности позволяет использование зондового датчика специальной конструкции. На чип датчика со стороны иглы наносится проводящий экран, отделенный от собственно чипа слоем диэлектрика толщиной около 50 мкм (рис. 2). Таким образом, вместо изменяющейся паразитной емкости, образованной чипом и образцом, при сканировании действует постоянная емкость, образованная чипом и проводящим экраном.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»