СПОСОБ СКАНИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА С ПОМОЩЬЮ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА
METHOD OF OBJECT SURFACE SCANNING USING SCANNING PROBE MICROSCOPE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам сканирования поверхности объекта с помощью сканирующего зондового микроскопа, и может быть использовано в сканирующей зондовой микроскопии для определения изменения рельефа, линейных размеров и физических характеристик поверхности объекта при пропускании электрического тока в режимах атомно-силового микроскопа, сканирующего туннельного и ближнепольного оптического микроскопа.
Известен пьезосканер многофункциональный и способ сканирования в зондовой микроскопии [1], согласно которому пьезосканер выполнен в виде пьезотрубки с выполненными вдоль ее продольной оси симметрии четырьмя сквозными пазами, которые образуют первый и второй противоположные фрагменты, а также расположенные между ними третий и четвертый противоположные фрагменты пьезотрубки, на наружной и внутренней поверхностях фрагментов сформированны электроды; способ сканирования включает одновременную подачу первого и второго основных пилообразных напряжений на прямо объединенные основные электроды первого и второго противоположных фрагментов, осуществление их синхронных С-образных изгибов по первой координате и строчную развертку, одновременное пошаговое увеличение первого и второго основных постоянных напряжений на прямо объединенных основных электродах третьего и четверного фрагментов после каждой подачи первого и второго основных пилообразных напряжений и осуществление их синхронных С-образных изгибов по второй координате с пошаговым смещением на следующую строку, причем электроды объединяют программно, одновременно с подачей первого и второго основных пилообразных напряжений на прямо объединенные основные электроды первого и второго фрагментов и осуществлением их синхронных С-образных изгибов по первой координате на перекрестно объединенные основные электроды третьего и четвертого фрагментов подают третье и четвертое основные пилообразные напряжения и осуществляют С-образные изгибы третьего и четвертого фрагментов по первой координате синхронно с С-образными изгибами первого и второго фрагментов. Реализация на практике указанного способа сканирования позволяет увеличить диапазон сканирования, выполнять коррекцию плоскости держателя объекта в процессе сканирования. Однако существенным недостатком способа сканирования является необходимость использования специального разрезного пьезосканера и применение достаточно сложной схемы управления работой пьезосканера в виде пьезотрубки.
Также известен способ измерения рельефа поверхности объекта с использованием сканирующего зондового микроскопа [2], включающий первое сканирование поверхности объекта с регистрацией сигнала вертикальных перемещений сканера и сигнала взаимодействия зонда с объектом, второе сканирование поверхности объекта в обратном направлении с регистрацией сигнала вертикальных перемещений сканера и сигнала взаимодействия зонда с объектом, вычитание из сигнала вертикальных перемещений сканера, зарегистрированного при сканировании в прямом направлении, сигнала вертикальных перемещений сканера, зарегистрированного при сканировании в обратном направлении, вычитание из сигнала взаимодействия зонда с объектом, зарегистрированного при сканировании в прямом направлении, сигнала взаимодействия зонда с объектом, зарегистрированного при сканировании в обратном направлении, определение коэффициента, на который нужно умножить разность сигналов вертикальных перемещений сканера, чтобы при ее последующем сложении с разностью сигналов взаимодействия зонда с объектом получить максимально близкую к постоянной величину, умножение на найденный коэффициент сигнала вертикальных перемещений сканера, зарегистрированного при сканировании в одном из направлений, и суммирование его с сигналом взаимодействия зонда с объектом, зарегистрированным при сканировании в том же направлении, после чего суммарный сигнал используют в качестве сигнала рельефа поверхности исследуемого объекта. Способ обеспечивает повышение точности измерений, однако имеет низкую производительность сканирования, обусловленную необходимостью двойного сканирования поверхности объекта.
Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ сканирования объектов (поверхности объекта) с помощью сканирующего зондового микроскопа [3], согласно которому объект устанавливают на пьезосканере, зонд располагают над исследуемой поверхностью объекта и сближают с ней, пьезосканером осуществляют сканирование поверхности объекта и с использованием системы регистрации измеряют полезный сигнал, являющийся функцией взаимного положения зонда и поверхности объекта. Для повышения производительности сканирования поверхности объекта объект устанавливают на первом пьезосканере, зонд закрепляют на втором пьезосканере, а сканирование производят двумя пьезосканерами в противофазе по каждой из координат сканирования. Применение способа также позволяет увеличить поля сканирования и высоту измеряемого рельефа поверхности объекта. Существенным недостатком известного способа является необходимость использования специальных токопроводящих зондов для измерения свойств объекта при пропускании электрического тока, а также пропускание электрического тока по схеме зонд-образец.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности сканирования на сканирующем зондовом микроскопе.
Задача решается следующим образом. В известном способе сканирования поверхности объекта с помощью сканирующего зондового микроскопа, в котором объект устанавливают на пьезосканере, зонд располагают над исследуемой поверхностью объекта и сближают их, пьезосканером осуществляют сканирование и с использованием системы регистрации измеряют полезный сигнал, являющийся функцией взаимного положения зонда и поверхности объекта, согласно предлагаемому изобретению перед установкой объекта на пьезосканере его поверхность разделяют, по меньшей мере, на две части, после сближения зонда с разделенной на части поверхностью объекта пропускают электрический ток, по меньшей мере, через одну часть поверхности, затем сканируют одновременно часть без пропускания электрического тока и часть с пропусканием электрического тока.
Разделение поверхности объекта на части обеспечивает возможность совместного одновременного сканирования частей, находящихся в различных условиях - одной части без пропускания электрического тока, а другой части с пропусканием электрического тока. Причем операция разделения поверхности объекта на части может быть выполнена, например, методом травления, царапанием, наклеиванием полосок на основание объекта перед нанесением покрытия. Пропускание электрического тока непосредственно через материал объекта, а не по схеме зонд-образец, позволяет разгрузить зонд, который является частью измерительного канала сканирующего зондового микроскопа от дополнительно электрического воздействия и продлить его срок эксплуатации. Кроме того, стандартные зонды, выполненные без токопроводящих покрытий, являются более острыми и дают лучшее разрешение поверхности объекта при сканировании на сканирующем зондовом микроскопе, что позволяет лучше регистрировать незначительные изменения материала поверхности объекта, связанные с пропусканием электрического тока. При этом наилучший результат обеспечивается при сканировании, когда направление сканирования преимущественно перпендикулярно линии раздела тонкой пленки поверхности объекта на части, так как за один проход зонда по линии сканирования регистрируется информация с различных частей тонкой пленки. Одновременное сканирование различных участков тонкой пленки позволяет обеспечить одинаковые условия проведения изменений для различных участков поверхности объекта за счет минимизации влияния процессов термодрейфа деталей и узлов сканирующего зондового микроскопа, гистерезиса пьезосканера и изменения остроты зонда в процессе сканирования поверхности объекта. Дополнительно это позволяет регистрировать и достоверно различать незначительные изменения структуры поверхности объекта, которые могут быть соизмеримы с уровнем шума, например, при использовании раздельного сканирования для различных частей поверхности объекта. Кроме того, направление сканирования, выполняемое перпендикулярно линии раздела тонкой пленки на части, обеспечивает регистрацию данных с прямоугольных площадей различных частей тонкой пленки, что значительно упрощает дальнейший сравнительный анализ полученных при сканировании данных.
На Фиг.1 показано изображение поперечного сечения объекта сканирования в виде основания 1 и поверхности тонкой пленки, разделенной на части 2, 3 и 4, для пропускания электрического тока, по меньшей мере, через одну из них.
1
2
На Фиг.2 показано изображение, вид сверху, поверхности тонкой пленки с образованными частями 1, 2, 3, через часть 1 пленки пропускают ток I, через часть 2 ток не пропускают, через часть 3 пропускают ток I, пунктирной линией 4 показана область сканирования поверхности объекта, а линией 5 - направление сканирования поверхности объекта.
Способ осуществляют следующим образом. Перед установкой объекта на предметный столик пьезосканера поверхность объекта разделяют посредством царапания поверхности объекта зондом сканирующего зондового микроскопа, по меньшей мере, на две части. Далее объект устанавливают на предметный столик пьезосканера сканирующего зондового микроскопа таким образом, чтобы линии сканирования зонда при сканировании поверхности объекта выполнялись преимущественно перпендикулярно линии, разделяющей поверхность объекта на части. После этого, по меньшей мере, через одну часть объекта пропускают электрический ток от источника питания. Затем стандартный кремниевый зонд располагают над исследуемой поверхностью объекта и сближают с поверхностью объекта, например шаговыми двигателями и/или пьезосканером сканирующего зондового микроскопа. Пьезосканером осуществляют одновременное сканирование части без пропускания электрического тока и части с пропусканием электрического тока посредством выполнения заданного числа линий сканирования зондом сканирующего зондового микроскопа, и с использованием лазерной системы регистрации измеряют полезный сигнал, являющийся функцией взаимного положения зонда и поверхности объекта. Далее результаты измерений сохраняют в виде массива данных, проводят обработку и анализ полученных результатов.
Таким образом, предлагаемый способ повышает эффективность сканирования на сканирующем зондовом микроскопе без использования специальных токопроводящих зондов.
Источники информации
1. Патент РФ №2248628, G12B 21/20, H01L 41/00, 2005.
2. Патент РФ №2329465, G01B 7/34, G12B 21/00, 2008.
3. Патент РФ №2282902, G12B 21/00, G12B 21/20, 2006 (прототип).