Сканирующая зондовая микроскопия для технической диагностики

Сканирующий туннельный микроскоп: квантовый подход

Туннелирование электронов как основа измерений

Эта простая идея потребовала решения весьма нетривиальных технических задач. Но, можно сказать, что в данном случае цель оправдала средства.

Первым из данного класса микроскопов был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Измерение линейных размеров с помощью СТМ основано на квантовом эффекте туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между исследуемой металлической поверхностью и острием микрозонда.

Туннелирование хорошо изучено в случае плоских электродов, который реализуется, например, в системах металл-диэлектрик-металл. В случае СТМ один из плоских электродов заменяется острием-иглой, которое крепится на X, Y, Z-позиционере.

Это острие с помощью позиционера подводится ко второму электроду, которым является исследуемая металлическая поверхность, до тех пор, пока не появится в цепи туннельный ток. При расстоянии между электродами порядка 1 нм и приложении разности потенциалов U=0,1...1,0 В туннельный ток имеет вполне измеримую величину 1-10 нА.

Он очень чувствителен к величине зазора и экспоненциально изменяется примерно на порядок при перемещении острия по нормали к поверхности образца на 0,1 нм. Чувствительность поражает!

Работа СТМ осуществляется следующим образом (рис.1).

Рис. 1 Диаграмма работы СТМ

Острие линейно перемещается в латеральной плоскости образца. При этом при изменении высоты острия над текущей точкой поверхности образца изменяется туннельный ток. Таким образом, измеренное изменение силы тока отображает изменение высот поверхности. Это простейший режим работы СТМ.

Атомно-силовой микроскоп: силы межатомных связей

Преодоление ограничений туннельного метода

Если исследуемый образец не является проводящим материалом, то использование туннельного эффекта затруднено. Этот недостаток отсутствует в атомно-силовых микроскопах (АСМ), принцип действия которых основан на использовании сил межатомных связей.

На малых расстояниях (около 0,1 нм) между атомами двух тел действуют силы отталкивания (рис. 2), а на больших — силы притяжения. В сканирующем атомно-силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие.

В качестве зонда в АСМ используется, например, алмазная игла. При изменении силы F, действующей между поверхностью и острием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется, и это регистрируется датчиком. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о рельефе поверхности.

Рис. 2 Структурная схема атомно-силового микроскопа

Следует отметить, что современные АСМ позволяют отслеживать как рельеф поверхности, так и поверхностное распределение электрических, магнитных и емкостных характеристик с точностями (в плоскости поверхности исследуемого образца) до нескольких нм.

Практически, большинство современных АСМ, перемещая зонд аналогично телевизионной развертки, измеряют отклонения иглы по вертикали. В результате обработки на встроенном мониторе отображается двух- и трехмерная картина распределения неровностей элемента поверхности.

Обычно максимальные размеры такого элемента составляют 100×100 мкм.

Рис. 3 СЗМ СОЛВЕР Пайп на трубе большого диаметра

Преимущества АСМ перед другими методами

Сравнение с электронными и лазерными микроскопами

С точки зрения практического применения АСМ следует отметить следующие их достоинства.

По сравнению с электронными микроскопами:

• АСМ существенно проще, дешевле и безопаснее в эксплуатации
• Требования к подготовке образца значительно ниже
• Измеряет не только геометрические характеристики, но и электрические, магнитные, емкостные, а также некоторые физико-механические и трибологические
• Позволяет выполнять нанолитографию и наночеканку
• Подготовка оператора проще (по крайней мере, для отечественных АСМ)

По сравнению с лазерными интерференционными микроскопами:

• Выше точность измерений
• Измеряет не только геометрические характеристики, но и электрические, магнитные, емкостные, а также некоторые физико-механические и трибологические
• Позволяет выполнять нанолитографию и наночеканку

Мировой рынок СЗМ: производители и цены

Динамика развития и ключевые игроки

Мировой рынок СЗМ динамично развивается. Из первоначальных производителей приборов данного класса, таких как Digital Instruments, IBM, JEOL, на сегодняшний день на рынке остался только JEOL (причем и эта компания уходит с рынка СЗМ).

Английская аналитическая компания «Research and Markets» в своей статье текущего года «The World Market for Scanning Probe Microscopes» отметила следующие компании:

• Agilent Technologies
• AIST-NT, Inc.
• Anfatec Instruments AG
• A.P.E. Research
• Asylum Research
• Bruker Corporation
• Carl Zeiss SMT
• FEI Company
• Hitachi High-Technologies
• JEOL Ltd.
• JPK Instruments AG
• Nanonic Imaging, Ltd.
• Nanosurf AG
• NT-MDT Co.
• Omicron Nanotechnology GmbH
• Park Systems
• RHK Technology
• Shimadzu Corporation
• SII NanoTechnology, Inc.
• Triple-O Microscopy

Из них только две являются российскими — AIST-NT, Inc. и NT-MDT Co.

Фактически, в России в качестве производителей СЗМ позиционируют себя следующие организации:

• АНО «Институт нанотехнологий МФК»
• ООО «АИСТ-НТ»
• ООО «Нано Скан Технология»
• ЗАО «Нанотехнология МДТ»
• «Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов»
• ООО НПП «Центр перспективных технологий»

Ценовой интервал СЗМ достаточно велик – от 500 тыс. руб. до десятков тыс. долларов. Практически, профессиональный СЗМ отечественного производства можно приобрести за 3...6 млн. руб.

Уникальная разработка СОЛВЕР Пайп

Крепление на объекты большого размера

С точки зрения промышленного использования хочется особо отметить новую разработку ЗАО «НТ МДТ» — СОЛВЕР Пайп. Качественным отличием данной модели от остальных является возможность крепления ее на объект измерения большого размера (рис. 3).

Это прорыв! Раньше приходилось вырезать образцы и нести их в лабораторию. Теперь прибор можно принести к объекту. Труба большого диаметра, корпус судна, элемент конструкции — неважно. Главное, что можно исследовать непосредственно на месте.

Современные промышленные СЗМ, как правило, позволяют использовать несколько методов зондовой микроскопии, в том числе (помимо АСМ) такие силовые микроскопии, как магнитную (МСМ), электростатическую (ЭСМ), сканирующую емкостную, а также электростатическую и силовую нанолитографию и др.

Калибровка и тестирование приборов

Эталонные тест-объекты

Примеры практического использования СЗМ приведены для профессионального СЗМ Solver PRO M. Измерения проводились в режиме контактной АСМ.

Перед запуском СЗМ для комплексного контроля их работоспособности и проверки качества иглы зонда выполняются измерения эталонных тест-объектов. Пример такого тест-объекта приведен на рис. 4.

Рис. 4 Внешний вид и структура эталонной меры TGZ3

Результаты контрольного измерения данного тест-объекта приведены на рис. 5. В частности, наверху слева двухмерное изображение, справа – трехмерное, снизу слева – гистограмма распределения высот в пределах анализируемого элемента меры.

Рис. 5 Результаты контрольного измерения тест-объекта на СЗМ Solver PRO M

Практическое применение в технологическом контроле

Анализ качества травления и напыления

В качестве примера использования АСМ для технологического контроля разработок можно рассматривать контроль качества травления (напыления) при формировании прецизионных дифракционных решеток (фрактального типа). Внешний вид двух таких решеток приведен на рис. 6.

Рис. 6 Прецизионные дифракционные решетки (фрактального типа)

Максимальная глубина травления материала составляет несколько сотен нм. Для анализа использовались решетки, отмеченные как бракованные по выходным характеристикам. Стояла задача выявить причины брака.

Измерения производились на СЗМ Solver PRO-M. Изображение элемента данной решетки в двухмерном (слева) и трехмерном (справа) виде приведено на рис. 7.

Рис. 7 Изображение элемента дифракционной решетки в двухмерном и трехмерном виде

Встроенная система обработки измерительных данных позволяет осуществлять контроль распределения высот поверхности в пределах элемента сканирования (элемент с размерами в латеральной плоскости от 100 микрон до нескольких нанометров в зависимости от задания оператора).

На рис. 8-12 приведено несколько примеров таких элементов. Слева – трехмерное изображение поверхности элемента, справа – гистограмма распределения высот поверхности в пределах этого элемента.

На диаграмме нижний пик описывает распределение «глубин» травления, а верхний – остаточные неровности исходной поверхности материала.

Рис. 8 Распределение «высот» и «глубин» представляет собой относительно компактные разнесенные друг от друга пики. Это пример качественно выполненного травления.

Рис. 9 Нижний пик гистограммы размыт, а верхний – ярко выражен, что подтверждает неравномерность глубины травления. Подобный элемент и обеспечивает брак решетки.

Рис. 10 Элементы конструкции решетки созданы напылением. Значительное размытие верхнего пика гистограммы отражает неравномерности (дефекты) напыления.

Рис. 11 Решетка, сформированная напылением. Это явный брак.

Рис. 12 Решетка с качественно выполненным напылением

Еще одним примером работы СЗМ является результат измерений металлической поверхности с защитным покрытием (эпиламом). На рис. 13 показана граница эпиламированного элемента. В правой части незащищенный металл подвергся деформации, а в левой – защищенный сохранил более гладкую структуру.

Рис. 13 Граница защищенного и незащищенного металла

В завершении можно привести пример использования СЗМ при работе с биологическими объектами.

А. До обработки

Б. После первого варианта обработки

В. После второго варианта обработки

Рис. 14 СЗМ изображения культур микробов до обработки (А) и после двух вариантов обработки (Б и В). Простой подсчет оставшихся микробов позволяет оценить качество антимикробной обработки.

Метрологическое обеспечение измерений

Государственный реестр средств измерений

Следует отметить, что СЗМ являются не единственными средствами для контроля поверхности с точностями разрешения «наноуровня». Многие измерения можно осуществить с помощью электронных микроскопов (растровых и просвечиваемых), а также используя лазерные интерференционные микроскопы нового поколения.

Однако для использования их не только в научно-исследовательских целях, но и на этапе выполнения ОКР и при производственном контроле необходимым условием является обеспечение единства измерений. Т.е. измерения должны производиться на «метрологически аттестованном оборудовании».

Данный термин на сегодня устарел, теперь метрологи говорят «средство измерения, прошедшее испытания на утверждение типа». Однако для широкого круга технологов старый термин более понятен.

Полный перечень этих средств измерения составляет Федеральный (или государственный) реестр СИ. Данный реестр имеется в открытом доступе в интернете (без расшифровки технических данных СИ) или может быть приобретен у его держателя (с полным объемом данных).

Анализ Федерального реестра СИ показывает, что из вышеуказанного перечня микроскопов в нем присутствуют только СЗМ. Причем ряд производителей внесли в реестр все модели выпускаемых ими СЗМ.

Таким образом, предприятие, приобретая СИ такого рода, может быть уверено в метрологической достоверности результатов, полученных на нем при условии своевременного проведения проверки.

В последние годы разработано значительное количество аттестованных методик измерений (МИ) с использованием СЗМ. Сам факт появления таких МИ свидетельствует о повышении интенсивности использования СЗМ в промышленности, т.к. затраты на разработку и аттестацию МИ могут быть оправданы либо при активном использовании методики в собственном промышленном производстве, либо при ее продаже широкому кругу промышленных потребителей.

Перечни аттестованных методик содержатся в Государственном реестре МИ, находящемся в открытом доступе в интернете.

Таким образом, СЗМ относятся к весьма эффективным средствам микро- и нанодиагностики. Образцы СЗМ, внесенные в Госреестр СИ, могут использоваться в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений. То есть являются метрологическими средствами измерения и могут использоваться (при необходимости) на всех этапах жизненного цикла продукции.

Обзор моделей СЗМ различных производителей

Примеры приборов мировых и российских производителей

Рис. 15 СЗМ JSPM-5400 (JEOL Ltd.). АСМ изображение эритроцита крови, размер скана 10×10 нм [1]

Рис. 16 СЗМ Dimension Icon (Bruker AXS). Логотип, нанесенный методом нанолитографии на поверхность пьезоэлектрика, размер скана 20 мкм. [2]

Рис. 17 АСМ MFP-3D-SA (Asylum Research Inc.). АСМ изображение поверхности магнетита, размер скана 1,75×1,75 мкм [3]

Рис. 18 СЗМ SPM-9700 (Shimadzu). Алмазные нанокристаллы на силиконовом субстрате, размер скана 9×9 мкм [4]

Рис. 19 СЗМ Солвер Некст (Нанотехнологии МДТ). АСМ изображение поверхности высокоориентированного пиролитического графита (атомарное разрешение) [5]

Рис. 20 СЗМ НАНОСКАН 3D (ФГУ ТИСНУМ). Поверхность с нанесенными царапинами, размер скана 5×5 мкм [6]

Рис. 21 СЗМ ФемтоСкан (ООО НПП «Центр перспективных технологий»). МСМ изображение поверхности компакт-диска, размер скана 12×12 мкм [7]

Рис. 22 СЗМ SmartSPM (AIST-NT). АСМ изображение поверхности пленки полистирола, размер скана 5×5 мкм [8]

М.А. Латышев

ФБУ «Тест – С.-Петербург»

e-mail: nano@rustest.spb.ru

Литература:

1. www.intactive.ru/ru/brands/jeolrus/jspm5400rus/
2. www.optec.zeiss.ru/atom/?n=23461313
3. www.asylumresearch.com/Gallery/Materials/Crystal/Crystal4.shtml
4. www.shimadzu.com/an/surface/spm/data/oh80jt0000000rvj.html
5. www.ntmdt.ru/device/solver-next
6. www.nanoscan.info/?page_id=23
7. www.nanoscopy.ru/gallery/
8. www.aist-nt.ru/