Введение к работе
Актуальность темы
Развитие нанотехнологий невозможно без развития методов создания, модификации и диагностики нанообъектов. Широкое распространение получили методы электронной микроскопии, сканирующей зондовои 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 зондовои 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 зондовои 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:
Разработка и апробация методики сканирующей емкостной микроскопии.
Разработка конструктивных решений сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа, способного исследовать свойства и осуществлять модификацию поверхности в любой области подложки диаметром вплоть до 100 мм.
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.
Разработка сверхвысоковакуумного XYZ координатного стола, обеспечивающего субмикронную точность позиционирования, а также апробация совместимости разработанного зондового микроскопа с базовыми методами нанотехнологий.
Научная новизна работы
Впервые предложен зондовый датчик со встроенным конденсатором для сканирующей емкостной микроскопии.
Предложен оригинальный метод компенсации паразитной емкости для реализации методики сканирующей емкостной микроскопии, позволяющий обеспечить применимость методики на болыперазмерных образцах с развитым рельефом.
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.
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 ~1(Г10Торр).
Практическая значимость работы
Результаты, полученные в работе, явились научно-технической основой для производства ЗАО «Нанотехнология МДТ» модулей сканирующей зондовой микроскопии для нанотехнологических комплексов Нанофаб 100.
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».
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
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.
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 10м см"3 в том числе на
болыперазмерных образцах с развитым рельефом с существенно меньшим уровнем шумов по емкости, чем при использовании известных подходов.
Оптимизация угловой апертуры лазерной системы датчика изгибов кангилевера 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.
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).
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 ПО страниц, работа содержит 65 рисунков, 3 таблицы, список цитируемых источников из 90 наименований.