WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Оставшуюся паразитную емкость между зондовым датчиком и образцом, образованную кантилевером и неэкранированной частью чипа, предложено компенсировать в два этапа. Первый этап представляет собой электромеханическую компенсацию – над кантилевером и чипом зондового датчика располагается компенсационный электрод, выполненный в форме полукольца (рис. 2). Электрод и зонд соединяются со входами балансного усилителя измерительной головки. Таким образом обеспечивается симметризация паразитных емкостей относительно образца. Второй этап компенсации паразитной емкости представляет собой электрическую компенсацию – один из входов усилителя соединяется через варикап с общей шиной прибора, обеспечивая тем самым симметризацию входной измерительной цепи относительно земли. В результате удается добиться симметрии входов балансного усилителя на уровне ~ 100 аФ.

В качестве зондирующего используется сигнал на частоте 10 МГц амплитудой 0.1-1 В. Отметим, что выбор для компенсационного электрода формы полукольца обеспечивает симметрию входов усилителя измерительной головки для образцов различной геометрии.

Выходной сигнал измерительной головки детектируется синхронным детектором.

Для апробации предложенных метода и устройства были проведены Рис. 2. Компенсация паразитной экспериментальные исследования. Целью емкости с использованием зондового эксперимента являлась проверка датчика специальной конструкции:

работоспособности предложенных 1 – острие, 2 – чип, метода и устройства, демонстрация 3 – диэлектрический слой, 4 – экран, эффективности предложенного подхода 5 – компенсационный электрод, для устранения эффекта изменения 6 – варикап, 7 – балансный усилитель.

паразитной емкости в процессе сканирования, а также оценка шумовых характеристик устройства.

На рис. 3 представлены сканированные изображения емкостного контраста dC/dV и рельефа поверхности интегральной схемы. Подложка имеет p-тип проводимости, выполненные в ней карманы – n-тип. Исследованный образец представляет собой большеразмерную планарную структуру с развитым рельефом. Тем не менее, на представленых изображениях четко видны границы р- и n-областей и отсутствуют нелинейные искажения, вызываемые эффектом изменения паразитной емкости в процессе сканирования при использовании традиционных подходов.

Эффективность применения зондового датчика специальной конструкции подтверждается также сравнением величины изменения выходного сигнала устройства при перемещении зонда по поверхности однородно легированного образца в случаях зондовых датчиков с разным размером неэкранированой части чипа. Так, при уменьшении размера неэкранированной части чипа от 3001600 мкм до 101600 мкм паразитный фон в выходном сигнале уменьшается примерно вдвое, а величина паразитного изменения выходного сигнала при движении зонда по площади сканирования – приблизительно на порядок.

Рис. 3. Сканированные изображения интергальной схемы:

а) емкостной контраст dC/dV; б) рельеф.

Область сканирования 4040 мкм, высоты рельефа ~350 нм.

На рис. 4 представлены результаты измерений другого образца (предоставлен National Nano Device Laboratories, Taiwan, Mao-Nan Chang, Ph. D). Образец представляет собой два соединенных вместе скола дифракционной решетки периодом 2.8 мкм, выполненной на кремниевой подложке n-типа с ориентацией (100) и легированной ионами BF2 c энергией 20 кэВ. Доза при имплантации такова, что концентрация примеси в легированных областях решетки составляет порядка 1020 см-3.

Риc. 4. а) Структура образца; б) сканированное изображение емкостного контраста dC/dV; в) рельеф образца. Область сканирования 3.55 мкм.

Для оценки шумовых характеристик был измерен уровень шума выходного сигнала разработанного устройства (среднеквадратичное отклонение от среднего) в полосе 10-1000 Гц, который составил 2 мВ. Экспериментальная оценка крутизны преобразования разработанного датчика дала величину 2-8 фФ/В, откуда может быть получена оценка для спектральной плотности шумов датчика на уровне 0.2-0.5 аФ/Гц1/2. Отметим, что аналогичное значение для системы Veeco составляет 4-11 аФ/Гц1/2. При этом динамический диапазон концентраций носителей в образце, детектируемый обоими устройствами, одинаков.

Третья глава работы посвящена разработке конструктивных решений сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа, совместимого с базовыми методами нанотехнологий. В настоящее время выпускается большое количество зондовых микроскопов. Тем не менее, среди всего многообразия имеющихся на рынке приборов, нет таких, которые бы удовлетворяли условиям поставленной задачи, ключевым среди которых является требование реализации возможности применения СЗМ-методов в любой области 100-мм пластины в условиях сверхвысокого вакуума. Наиболее близкими по э тому параметру системами являются приборы Large Sample SPM и Large Sample Beam Deflection AFM компании Omicron Vakuumphysik GMBH (Germany).

Однако, эти приборы позволяют исследовать лишь центральную (размером 1010 мм) область 100-мм пластины.

Разработанный сверхвысоковакуумный СЗМ содержит две вакуумные камеры – собственно камеру СЗМ и камеру сменных зондовых головок (камера зондов). Камера СЗМ является сверхвысоковакуумной и не вскрывается в рабочем состоянии на атмосферу. Сканирование производится зондом, максимальный размер поля сканирования составляет 808010 мкм.

Позиционирование образца под зондом микроскопа осуществляется с помощью XYZ координатного стола с диапазонами перемещения 100 мм по XY и 15 мм по Z координатам, соответственно. Общий вид си стемы и основные узлы камеры СЗМ показаны на рис. 5 и рис. 6 соответственно.

Среди задач, возникающих при разработке сверхвысоковакуумного СЗМ, совместимого с базовыми методами нанотехнологий, наиболее существенны следующие:

1. Требуется организовать систему, которая позволяла бы помещать в вакуум сразу несколько зондовых датчиков, выбирать из них рабочий зонд и затем заменять его на другой без вскрытия сверхвысоковакуумного объема на атмосферу. Действительно, зонды являются расходным материалом при работе СЗМ, смена зондов требуется также для перехода от одних методик зондовой микроскопии к другим. Разгерметизация сверхвысоковакуумного объема для каждой операции замены зонда является недопустимой.

2. Для работы в методиках атомно-силовой микроскопии (АСМ) следует организовать систему регистрации (датчик) изгибов кантилевера, обеспечив возможно низкие шумовые характеристики.

3. На работу любого зондового микроскопа существенно влияют внешние акустические и механические помехи, поэтому следует обеспечить возможно низкую чувствительность конструкции к ним и надежную изоляцию СЗМ от этих помех.

Рис. 5. Сверхвысоковакуумный СЗМ:

1 – камера СЗМ, 2 – камера зондовых головок, 3 – манипулятор замены зондовых головок, 4 – шиберный затвор, 5 – сильфоны, 6 – элементы активной виброизоляции, 7 – комбинированный насос камеры СЗМ, 8 – триодный насос камеры зондовых головок, 9 – станция предварительной откачки модуля, 10 – несущий каркас (система акустической изоляции не показана).

Рис. 6. Основные узлы камеры СЗМ: 1 – корпус камеры, 2 – верхний фланец камеры, 3 – фотодиод системы регистрации изгибов кантилевера с системой юстировки, 4 – лазер системы регистрации изгибов кантилевера с системой юстировки, 5 – вспомогательный оптический микроскоп, 6 – манипулятор установки зондовых головок, 7 – сканер, 8 и 9 – кронштейны оптических элементов системы регистрации изгибов кантилевера, 10 – XYZ координатный стол.

Решение первой из поставленных задач изложено в разделе 3.1 третьей главы работы. Для реализации методик атомно-силовой, туннельной микроскопии, а также для реализации методики сканирующей емкостной микроскопии, предложено использовать сменные зондовые головки трех типов (рис. 7). В рабочем положении головка устанавливается на сканер и удерживается на нем за счет взаимного притяжения магнита головки и магнита, расположенного на манипуляторе установки зондовых головок. Головки загружаются через камеру сменных зондовых головок, которая является шлюзовой, то есть при необходимости вскрывается на атмосферу для загрузкивыгрузки головок. Одновременно возможно загрузить до двенадцати зондовых головок. Система смены головок полностью автоматизирована.

(а) (б) Рис. 7. Сменные зондовые головки: а) АСМ (слева) и СТМ (справа):

1 – магнит, 2 – пружинные контакты, 3 – держатель зонда;

б) СЕМ-головка: 1 – зондовый датчик, 2 – компенсационный электрод.

Ключевой задачей при создании любого атомно-силового микроскопа является разработка системы регистрации (датчика) изгибов кантилевера.

Решению этой задачи посвящен раздел 3.2 работы. Для рассматриваемого сверхвысоковакуумного СЗМ, как и во всех выпускаемых серийно АСМ, используется оптический датчик изгибов кантилевера по отклонению отраженного луча, в котором сфокусированный луч лазера падает на кантилевер и, отразившись от него, попадает на секционированный фотодиод, разностные сигналы с секций которого позволяют детектировать как изгибы кантилевера, так и его кручение (рис. 8).

Шумы оптического датчика изгибов кантилевера обычно рассматривают в низкочастотном диапазоне (в полосе 10-1000 Гц), важном для контактного метода АСМ. Для выпускаемых серийно АСМ величина шумов системы регистрации в указанной полосе составляет 0.04-0.05 нм. В качестве основных источников шума обычно рассматривают шум лазера, тепловые колебания кантилевера, дробовой шум фотодиода и тепловой шум нагрузочного резистора в предусилителе. Последние три источника шума дают в указанной полосе вклад на уровне не более нескольких пикометров. Значительный вклад в общий уровень шума дают шумы лазера, связанные преимущественно с поперечными угловыми блужданиями падающего на кантилевер пучка. Для снижения вклада шумов лазера используются различные приемы, такие как диафрагмирование лазерного пучка, термостабилизация и высокочастотная модуляция лазера. Тем не менее, в литературе обходят вниманием вопрос о влиянии угловой апертуры лазерной системы на чувствительность и уровень шумов датчика изгибов. В нашем случае, когда по причинам конструктивного характера приходится значительно (до 200 мм) по сравнению с традиционными системами увеличивать расстояние между лазерной системой и кантилевером, изменяя тем самым угловую апертуру лазерной системы, рассмотрение этого вопроса становится необходимым.

Чувствительность S такого датчика изгибов может быть представлена в виде:

DFL kP S = ~ (1) где DFL – выходной сигнал датчика, пропорциональный изгибу кантилевера, - угол изгиба кантилевера, P - мощность излучения на Рис. 8. Оптический датчик изгибов кантилевера.

выходе лазерной системы, К – кантилевер, Л – лазер, - угловая апертура лазерной ЛС – лазерная система, ФД – фотодиод.

системы, k - коэффициент пропускания оптической системы, то есть отношение мощности лазерного излучения, попавшего на фотодиод, к мощности выходящего из лазерной системы света. Коэффициент пропорциональности, опущенный в (1), определяется с точностью до числового множителя величиной сопротивления нагрузочного резистора в предусилителе и чувствительностью фотодиода.

Отметим, что чувствительность оптического датчика не зависит от расстояния между кантилевером и фотодиодом, а произведение kP в числителе правой части (1) представляет собой мощность излучения, попавшую на фотодиод. Из (1) видно, что при уменьшении угловой апертуры лазерной системы, чувствительность д атчика возрастает. Одновременно, возрастает и вклад в шумы системы регистрации, обусловленный паразитными блужданиями пучка, делая тем самым соотношение сигнала к шуму неизменным. В тоже время, с уменьшением угловой апертуры, увеличивается размер лазерного пятна на кантилевере. Так, например, в случае гауссова пучка для его полуширины a можно записать:

a =, (2) где - длина волны лазера.

Для упрощения дальнейшего анализа будем считать пятно равномерно засвеченным квадратом со стороной 2а, центр которого совпадает с центром кантилевера. Когда размер пятна превосходит ширину кантилевера, часть мощности падающего пучка теряется. Если w < 2a < l, где w и l – ширина и длина кантилевера соответственно, то при увеличении a величина мощности отраженного от кантилевера пучка падает линейно, и из (1) и (2) видно, что чувствительность системы остается постоянной. Обратим внимание, что в этом случае кантилевер начинает играть роль диафрагмы, вырезая из всего распределения интенсивности в пучке наиболее пологую часть, уменьшая тем самым влияние паразитных блужданий и уровень вызванных ими шумов. При дальнейшем уменьшении угловой апертуры л азерной системы (то есть при увеличении размера пятна на кантилевере), когда становится 2a > l, мощность излучения, попавшего на фотодиод, уменьшается квадратично, и чувствительность системы линейно падает.

Расчет показывает, что оптимальные расстояния от лазерной системы до кантилевера в нашем случае лежат в пределах от 140 мм до 420 мм. Таким образом, вызванное конструктивными особенностями увеличение расстояния между лазерной системой датчика изгибов и кантилевером, в действительности позволяет оптимальным образом выбрать угловую апертуру лазерной системы.

Экспериментально оптимум наблюдается при расстояниях около 200-250 мм.

Эффективность использованного подхода подтверждается сравнением при прочих равных условиях полученного уровня шума с уровнем шумов выпускаемых серийно систем, использующих аналогичную лазерную систему.

Измеренное значение шума разработанной оптической системы р егистрации составило 0.02 нм в полосе 10-1000 Гц.

Задача минимизации влияний внешних акустических и механических помех на работу СЗМ решается в разделе 3.3 третьей главы работы. Разработанный нами сверхвысоковакуумный зондовый микроскоп является фланцевым – сканер, на котором зафиксирован зонд и координатный стол, на котором располагается образец, закреплены на противоположных сторонах вакуумной камеры (рис. 6). Поэтому ясно, что резонансные характеристики камеры существенно влияют на устойчивость микроскопа к внешним механическим и акустическим помехам. Для повышения жесткости предложено использовать камеру с формой, близкой к сферической, с толщиной стенки 25 мм (рис. 6).

Моделирование резонансных характеристик камеры проводилось с помощью программного пакета Cosmos Work. Согласно результатам моделирования, наиболее низкая резонансная частота разработанной к амеры составляет около 1100 Гц. Виброизоляция камеры СЗМ обеспечивается системой активной виброзащиты. На элементах виброзащиты закреплена столешница, к которой жестко фиксирована камера СЗМ с системой сверхвысоковакуумной откачки.

Pages:     | 1 || 3 |






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