WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 2 05;11;12 Радиационно-стимулированное формирование микрозондов сканирующих туннельных микроскопов © Т.И. Мазилова Национальный научный центр ”Харьковский физико-технический институт”, 310108 Харьков, Украина (Поcтупило в Редакцию 21 апреля 1998 г. В окончательной редакции 11 ноября 1998 г.) Сообщаются результаты исследования процесса формирования вольфрамовых игольчатых микрозондов под действием ионной бомбардировки в сильных электрических полях и последующего низкотемпературного полевого испарения. Обнаружена немонотонность изменения скорости возрастания плотности тока в процессе облучения, связанная с наличием в составе потока бомбардирующих ионов тяжелых частиц материала эмиттера, образующихся в результате его распыления. Показано, что в процессе бомбардировки первоначально полусферическая рабочая часть зондов трансформируется в осесимметричную поверхность сложной конфигурации. Обсуждена связь наблюдавшихся эффектов с особенностями протекания процессов ионизации атомов инертных газов и распыления атомов вольфрама в сверхплотных электронных пучках.

Микрозонды с атомногладкой поверхностью, формируемой в процессе ионной бомбардировки и полевого испарения, обнаруживали высокую стабильность и обеспечивали атомное разрешение на тест-объектах.

Введение поверхности необходима разработка метода создания микрозондов с атомногладкой осесимметричной рабочей Микрозонды сканирующих туннельных, атомно-силочастью.

вых микроскопов и других модификаций сканирующих В настоящей работе сообщаются результаты исследозондовых микроскопов являются основными элементавания процесса формирования вольфрамовых игольчами, обеспечивающими высокое разрешение и определятых микрозондов под действием ионной бомбардировки ющими точность и воспроизводимость измерений [1,2].

в сильных электрических полях.

Микровыступы, формируемые на вершине микрозондов в оптимальных режимах электрохимического или Методика эксперимента ионного травления, имеют небольшие радиусы кривизны и обеспечивают высокую локальность зондирования Вольфрамовые игольчатые зонды с исходным радиувплоть до атомной [1,3]. Однако, как правило, располосом кривизны 10-100 nm и углом конуса у вершины жение микровыступов на поверхности носит случайный 2-10 изготавливались элекрохимическим травлением характер, что снижает интерпретацию атомно-зондовых проволоки с осевой текстурой [110]. Исследования изображений и воспроизводимость параметров разрапроводились с помощью полевого эмиссионного микроботанных на их базе нанотехнологических устройств.

скопа с охлаждением образцов до 21-80 K, работаюВ частности, особые требования к геометрии рабочей щего в электронном и ионном режимах. В качестве части микрозондов предъявляются в разработанных на изображающего газа использовался гелий при давлении базе сканирующих туннельных микроскопов технологи10-2-10-3 Pa. При работе в автоэлектронном режиме ческих устройствах, эксплуатируемых в режиме жестгелий откачивался до уровня 10-8-10-7 Pa и в рабочую кого атомно-силового сканирования или сверхсильных камеру напускался неон при давлении 10-1-10-4 Pa.

электрических полей [4]. В этих режимах воздействие микрозондов на обрабатываемую поверхность являет- Облучение осуществлялось ионами неона, образующимися при пропускании автоэлектронного тока при пося значительным и необратимым. Такие модификации сканирующих туннельных микроскопов являются эффек- даче на острийный образец отрицательного потенциала.

Интенсивность ионной бомбардировки при плотностях тивными инструментами для локальной модификации поверхности и их применения перспективно для со- автоэлектронного тока менее 106 A/cm2 определялась по соотношениям, полученным в работе [6]. При образдания ультрамалых электронных элементов и средств сверхплотной записи информации [1,5]. Из-за неодно- зовании ионов на расстояниях r от острия, меньших 10r0, где r0 — радиус вершины острия, бомбардировка родности внедрения зондов в обрабатываемый материал неосесимметричность их рабочей части приводит в режи- осуществлялась из конической области формирования ме жесткого контактного атомно-силового сканирования ионного потока, при больших значениях r — из цилинк неконтролируемым различиям создаваемого рисунка дрической области, соосной с образцом. В настоящей на пологих участках и крутых склонах поверхностных работе напряженность поля E в автоэлектронном ренаноструктур. Таким образом, для обеспечения воз- жиме в процессе облучения составляла 4-5 · 107 V/cm.

можности адекватности интерпретации изображений и При r0 < 100 nm ионы, образующиеся при r < 10r0, воспроизводимости параметров локальной модификации имеют энергию ниже порога распыления вольфрама.

Радиационно-стимулированное формирование микрозондов... Вследствие этого основной вклад в формоизменение поверхности вносили ионы, образовавшиеся в сравнительно удаленной цилиндрической области. Для цилиндрической области распределение по энергиям ионов является максвелловским [7] со средней энергией, равной eEr0, где e — заряд электрона. Средняя энергия ионного потока, бомбардирующего исследуемую часть образцов лежала в интервале 50-500 eV. Таким образом, показано, что направленные ионные потоки интенсивностью 1013-1016 cm2 · s-1 могут быть получены пропусканием автоэлектронного тока в среде неона при давлении 10-1-10-3 Pa. Интегральные потоки ионов неона составляли 1016-5 · 1017 ion/cm2. В процессе бомбардировки поверхности ионами неона снимались Рис. 1. Осциллограмма изменения эмиссионного тока вольфосциллограммы электронного эмиссионного тока и прорамового зонда под действием бомбардировки ионами неона.

изводилась видеосъемка автоэлектронного изображения.

Измерения выполнялись при постоянном напряжении 1-5 kV; стабильность напряжения 0.25%.

этом наблюдаются образование и рост новых атомных слоев, сопровождаемый синхронными колебаниями тока.

Результаты и их обсуждение С уменьшением радиуса кривизны относительная величина колебаний тока растет, достигая 10% для острий На рис. 1 приведена типичная осциллограмма тока радиусом 10 nm.

игольчатого зонда радиусом 26 nm, снятая при напря- На рис. 3 приведена типичная зависимость (1/J)dJ/dt жении 800 V и давлении неона 2 · 10-3 Pa. Последую- от плотности электронного тока j при давлении неона щее наблюдение микротопографии зонда в ионно-микро- 4 · 10-3 Pa. Зависимость построена на базе временной скопическом режиме показало, что рост тока связан с характеристики тока с исходным радиусом 60 nm обострением эмиттеров, контролируемым радиационно- при напряжении 1800 V. Относительная скорость стимулированной подвижностью поверхностных атомов. изменения величины тока проходит через максимум, Переход от медленного возрастания тока в начальной высота которого растет с увеличением давления стадии обострения к более быстрому росту сопрово- неона, однако положение максимума относительно ждается, как следует из рассмотрения микрофотографий плотности электронного тока остается практически (рис. 2), качественными изменениями автоэлектронного неизменным от образца к образцу и лежит в изображения. Хаотическое расположение ярко эмитти- интервале 5 · 106-107 A/cm2. Наличие максимума рующих центров, характерное для плотностей тока ниже свидетельствует о том, что энергия, выделяемая на 108 A/cm2 (рис. 2, a), сменяется огранкой с уплощениями поверхности бомбардирующими ионами, ответственная на гранях {100} (рис. 2, b) при J = 2 · 106 A/cm2, и за радиационно-стимулированное обострение эмиттера, затем вся поверхность острия ограняется плоскостями немонотонно зависит от плотности тока автоэлектронов, с низкими индексами (рис. 2, c) J = 107 A/cm2. При ионизующих атомы в межэлектродном пространстве.

Рис. 2. Изменения полевых эмиссионных изображений в процессе формировки острийных зондов. J = 8 · 105 (a), 2 · 106 (b), 107 A/cm2 (c).

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 104 Т.И. Мазилова показал, что в процессе бомбардировки рабочая (полусферическая) часть зондов трансформируется в осесимметричную поверхность, которую можно представить в виде параболоида, сопряженного с полусферой радиусом 4-6 nm, существенно меньшим главного радиуса кривизны у вершины параболоида. Во всех случаях центр полусферы, формируемой в процессе ионной бомбардировки, располагался на кристаллографической оси (110), совпадающей с геометрической осью микрозонда. Таким образом, формировка ионной бомбардировкой на порядок повышала локальность микрозондирования. Дополнительное применение методики контролируемого послойного полевого испарения [8] позволяло получать идеально атомно-гладкую поверхность полусферических выступов на вершине микрозондов заданных радиусов кривизны.

Это обеспечивает воспроизводимость в пределах разрешения полевого ионного микроскопа (0.27 nm) геометрии рабочей части зондов при полном отсутствии неконРис. 3. Зависимость скорости изменения эмиссионного тока тролируемой микрошероховатости поверхности. Такие под действием ионной бомбардировки от плотности тока.

характеристики микрозондов особенно существенны при использовании их в нанотехнологических устройствах с жестким атомно-силовым сканированием поверхности.

Наблюдаемый характер зависимости (1/J)dJ/dt от J можно объяснить, если предположить в составе потока бомбардирующих ионов наличие тяжелых частиц материала эмиттера, образующихся в результате его распыления. Тогда с увеличением плотности электронного тока растет вероятность ионизации выбитых с поверхности эмиттера атомов вольфрама и пропорционально увеличивается энерговыделение на бомбардируемой ионами поверхности. Выше некоторой плотности электронного тока, при которой большинство выбитых атомов ионизовано, распыленные атомы ионизуются на все меньших расстояниях от поверхности и соответственно уменьшается энерговыделение на автокатоде. В рамках рассмотрения ионной бомбардировки автоэмиттеров, проведенного в [6,7], можно показать, что при плотностях электронного тока порядка 107 A/cm2 становится существенной ионизация атомов вольфрама. При более высоких плотностях тока большая часть атомов, выбитых с поверхности острия, ионизуется автоэлектронами и бомбардирует вершину эмиттера. Дальнейшее увеличение плотности тока приводит к преимущественной ионизации атомов вольфрама непосредственно у поверхности эмиттера и соответствующему снижению средней энергии бомбардирующих ионов. Таким образом, наличие максимума на кривой (1/J)dJ/dt от J при некотором критическом значении плотности электронного тока может быть связано с особенностями протекания процессов ионизации атомов инертных газов и распыления атомов вольфрама в сверхплотных электронных пучках, формируемых вблизи поверхности острийных микрозондов в автоэлектронном режиме.

Ионно-микроскопическими наблюдениями установлено, что радиационно-стимулированное обострение миРис. 4. Ионно-микроскопические изображения рабочей части крозондов сопровождается изменением конфигурации их зонда непосредственно после радиационно-стимулированной вершины. Анализ эволюции топографии поверхности, на- формировки (a) и после удаления полусферического микроблюдаемой при послойном испарении образцов (рис. 4), выступа (b).

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Радиационно-стимулированное формирование микрозондов... [5] Kondo S., Heike S., Lutwyche M. et al. // Appl. Phys. 1995.

Vol. 78. P. 155–165.

[6] Березняк П.А., Слезов В.В. // РиЭ. 1972. Т. 17. № 2. С. 354– 358.

[7] Березняк П.А., Великодная О.А., Герасименко В.И. и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. 1994.

Вып. 1(61). С. 41–45.

[8] Миллер М., Смит Г. Зондовый анализ в автоионной микроскопии. М.: Мир, 1993. 300 с. (Miller M.K., Smith G.D.W.

Atom probe microanalysis: Principles and applications to materials problems. Oak Ridge National Lab., 1987.) Рис. 5. Поверхность графита в сканирующем туннельном микроскопе с атомногладким микрозондом.

Атомное разрешение сканирующих туннельных микроскопов обычно обеспечивается протеканием туннельного тока через микровыступы на поверхности зондов атомных размеров [1]. Предполагается, что эмиссия локализована на отдельных атомах или ультрамалых кластерах на вершине микровыступов. В связи с этим несколько неожиданным оказалась воспроизводимая реализация атомного разрешения сканирующих туннельных микроскопов при использовании микрозондов с атомногладкими микровыступами на вершине. В качестве примера на рис. 5 приведено изображение поверхности графитового тест-объекта в сканирующем туннельном микроскопе, полученное с помощью микрозонда с атомногладкой поверхностью. Зонды с атомно-гладкой поверхностью в отличие от зондов с нерегулярными микровыступами, формируемыми в процессе электрохимического травления, обнаруживали высокую стабильность, обеспечивали атомное разрешение при многочасовой эксплуатации в непрерывном режиме.

Автор выражает благодарность В.С. Гурину, И.М. Михайловскому, В.К. Солоновичу и В.М. Шулаеву за обсуждения и полезные советы.

Список литературы [1] Magonov S.N., Whangbo M.-H. Surface Analysis with STM and AFM. Berlin: Springer Verlag, 1996. 450 p.

[2] Ksenofontov V.A., Mikhailovskii I.M., Shulaev V.M. et al. // Physics, Chemistry, and Application of Nanostructures / Ed.

V.E. Boriseno et al. Minsk: Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, 1995. P. 244–245.

[3] Libioulle L. // Rev. Sci. Inst. 1995. Vol. 66. N 1. P. 97–100.

[4] Rohrer H. // Jap. J. Appl. Phys. 1993. Vol. 32. P. 1335–1340.




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.