УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ТУННЕЛЬНЫМ МИКРОСКОПОМ

Изобретение относится к области научного приборостроения и может быть использовано для исследования микрорельефа как проводящих, так и непроводящих поверхностей образцов, например, имплантированных полупроводников, дифракционных решеток, оценки чистоты механической обработки металлических поверхностей и т.п.
Известен сканирующий туннельный микроскоп [Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 2004. - С.54], содержащий иглу, блок обратной связи для стабилизации туннельного тока, блок разверток по осям X, Y, схему сближения иглы и образца, ЭВМ. Недостатком устройства являются ухудшение его пространственного разрешения и значительные искажения СТМ-изображений при сканировании неровностей микрорельефа поверхности, сравнимых с размерами рабочей части острия иглы, а также возможность его применения для исследования только проводящих поверхностей.
Известен сканирующий туннельный микроскоп [R.Chicon, M.Ortuno, J.Abellan. Surf. Science. 181, 107 (1987)], содержащий иглу, блок обратной связи для стабилизации туннельного тока, блок формирования изображения исследуемой поверхности, ЭВМ, в котором производится частичная реконструкция реальной поверхности по его СТМ-изображению на основе аппроксимации кончика острия иглы полусферой радиуса R и восстановления нормали длиной (R+d) в каждой точке СТМ-изображения (где d≈10Å=const - постоянный туннельный зазор между иглой и исследуемой поверхностью). Недостатком устройства являются возможность его применения только в частном случае, когда микрорельеф поверхности имеет размеры менее 100Å (допускающие аппроксимацию кончика иглы полусферой), неполная реконструкция реальной поверхности образца из-за невозможности достижения иглой ее некоторых областей (например, если образец имеет участки микрорельефа
с кривизной, большей кривизны рабочего кончика острия иглы), а также возможность его применения для исследования только проводящих поверхностей.
Наиболее близким по составу и сущности к заявляемому является устройство, реализующее способ исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом [А.с. №1778820, МПК Н01L 21/66. Способ исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом / Ф.Ф.Губайдуллин, А.А.Бухараев, А.В.Назаров], содержащее иглу, механический и электронный блоки, ЭВМ сканирующего туннельного микроскопа, в котором производится частичная реконструкция реальной поверхности по ее СТМ-изображению путем его инвертирования и последующего компьютерного сканирования заранее определенным профилем иглы, использованной для формирования данного СТМ-изображения и зеркально повернутой в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования. Недостатком устройства являются неполная реконструкция поверхности образца из-за невозможности достижения иглой ее некоторых областей (например, если образец имеет участки микрорельефа с кривизной, большей кривизны рабочего кончика острия иглы) [Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 2004. - С.40], а также возможность его применения для исследования только проводящих поверхностей.
Задачей изобретения является повышение точности воспроизведения формы исследуемой поверхности с применением туннельного микроскопа, а также возможность его использования для исследования как проводящих, так и непроводящих поверхностей.
Задача решается тем, что в известное устройство, реализующее способ исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом, содержащее иглу, механический и электронный блоки, ЭВМ сканирующего туннельного микроскопа, введены блок формирования реплики исследуемой поверхности, оптический микроскоп, снабженный цифровой видеокамерой, основание с закрепленными на нем механическим блоком и иглой туннельного
микроскопа, устройством для поворота на 180° и перемещений по осям X, Y реплики исследуемой поверхности образца, содержащем внутреннюю рамку с неподвижно закрепленной на ней репликой, зажатую прижимами к средней рамке с микровинтами для ее перемещения по осям X, Y относительно закрепленной на основании внешней рамки для поворота реплики на 180°.
Предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом и повысить его точность. Формирование проводящей реплики исследуемой поверхности образца позволяет расширить функциональные возможности устройства, так как позволяет изучать туннельным микроскопом как проводящие, так и непроводящие поверхности. Повышение точности реконструкции реальной поверхности связано с возможностью (при сканировании реплики с обратной стороны) определения на СТМ-изображениях «черных дыр», «т.е. таких провалов на поверхности, в которые из-за малых размеров и большой глубины игла СТМ не смогла «заглянуть», другими словами - не могла достичь дна такого углубления» [Бухараев А.А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии // Заводская лаборатория, том 60, №10, 1994. - С.19]. И если в устройстве, принятом за прототип, невозможно даже отметить участки («черные дыры»), где СТМ-изображение сильно отличается от реальной топографии поверхности, то в предложенном утройстве дополнительная информация о той же поверхности, но с ее обратной стороны, позволяет не только отметить такие «провалы» поверхности, но и реконструировать их реальный микрорельеф.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства для исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом, на фиг.2-4 - профилограммы, поясняющие принцип его работы.
Устройство содержит блок 1 формирования реплики 2 исследуемой поверхности, основание 3 (фиг.1) с закрепленными на нем механическим блоком 4 и иглой 5 туннельного микроскопа 6, устройством 7 для поворота на 180° и перемещений по осям X, Y реплики 2, оптическим микроскопом 8,
снабженным цифровой видеокамерой 9. Устройство 7 включает в себя внутреннюю рамку 10 с закрепленной на ней репликой 2, зажатую прижимами 11 к средней рамке 12 с микровинтами 13 для ее перемещения по осям X, Y относительно внешней рамки 14, закрепленной на основании 3 и имеющей возможность поворота на 180° при ее двух фиксированных горизонтальных положениях, при этом туннельный микроскоп 6 включает в себя кроме механического блока 4 и иглы 5 электронный блок 15 и ЭВМ 16.
Устройство для исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом работает следующим образом. Сначала в блоке 1 формируется реплика исследуемой поверхности. Реплика - это тонкая пленка, наносимая на поверхность образца с целью получения на ней копии-отпечатка микрорельефа поверхности и далее отделяемая от нее для исследований (обычно такие исследования проводятся в растровом электронном микроскопе). Реплика может изготавливаться, например, методом напыления тонкой (чаще проводящей углеродной) пленки. Подобная пленка обеспечивает пространственное разрешение ~20А, а также (при подготовке образца с особой тщательностью) - атомное разрешение [Шиммель Г. Методика электронной микроскопии. - М.: Мир, 1972. - 300 с.]. Затем реплика 2 закрепляется (например, с применением стандартной сетки-подложки РЭМ) на внутренней рамке 10. Игла 5 сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) 6 юстируется с помощью оптического микроскопа 8 точно над осью вращения внешней рамки 14. Внутренняя рамка 10 с репликой 2 устанавливается в зажимы 11 исследуемого образца средней рамки 12. Посредством микровинтов 13 средняя рамка 12 сдвигается по осям X, Y относительно внешней рамки 14 таким образом, чтобы центр интересующего участка реплики 2 находился точно под иглой 5. Выбор этого участка осуществляется с помощью оптического микроскопа 8 с цифровой видеокамерой 9 (имеющего высокое пространственное разрешение ~1 мкм).
Рельеф выбранного участка поверхности реплики 2 регистрируется видеокамерой 9, после чего цифровое оптическое изображение рельефа передается
через электронный блок 15 в ЭВМ 16, где оно инвертируется и выводится для контроля на экран монитора. Затем в СТМ 6 производится грубое сканирование поверхности реплики 2 (например, с размером кадра ~1 мкм), полученное грубое СТМ-изображение микрорельефа инвертируется и также выводится на экран монитора для контроля и выбора интересующего участка с предполагаемым местонахождением объекта исследований. Производится точное сканирование с атомным разрешением выбранного участка, полученное окончательное «прямое» СТМ-изображение нанорельефа и его координаты в грубом СТМ-изображении заносятся в ЭВМ 16 (для реконструкции реального профиля поверхности), а также инвертируется и выводится для контроля на экран монитора.
Далее внешняя рамка 14 поворачивается на 180° и производится поиск инвертированной поверхности участка с объектом исследований. Для этого микровинтами 13 средней рамки 12 с помощью оптического микроскопа 8 и контрольного оптического инвертированного «прямого» изображения неинвертированный центр «обратного» оптического изображения устанавливается точно под иглой 5. Затем производится грубое сканирование «обратной» стороны реплики 2 (например, с размером кадра ~1 мкм). Если грубое неинвертированное СТМ-изображение «обратной» поверхности реплики 2 не совпадает с контрольным грубым инвертированным СТМ-изображением «прямой» поверхности реплики, то производятся грубый сдвиг иглы 5 по осям X, Y (с помощью шаговых пьезодвигателей СТМ) и повторное сканирование обратной стороны реплики 2, пока эти грубые СТМ-изображения не будут совпадать с заранее заданной погрешностью. (Методика автоматического определения совпадения СТМ-изображении может заключаться в следующем. Производится фильтрация СТМ-изображении и вычитание их постоянной составляющей и постоянного наклона [Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 2004. - С.30]. Далее для каждых двух сравниваемых СТМ-изображении определяют корреляционную функцию (либо для соответствующих средних строк, либо для соответствующих
средних столбцов, либо для растров в целом) и по ее величине судят о степени совпадения СТМ-изображений. Если значение корреляционной функции находится в допуске, то считается, что сравниваемые два СТМ-изображения соответствуют одному и тому же участку исследуемой поверхности). Далее программным путем определяется по X, Y-координатам (в грубом СТМ-изображений) участок с объектом исследования и производится сканирование реплики 2 с атомным разрешением. Если неинвертированное СТМ-изображение «обратной» стороны реплики 2 не совпадает с контрольным точным инвертированным СТМ-изображением «прямой» стороны реплики, то производятся точный сдвиг иглы 5 с помощью пьезосканера СТМ и повторное сканирование реплики 2, пока эти точные СТМ-изображения на-норельефа поверхности не будут совпадать с заранее заданной погрешностью. После этого (используя полученные неинвертированные СТМ-изображения одного и того же (но «прямого» и «обратного» участка реплики)) по предложенной методике осуществляется реконструкция СТМ-изображения реального нанорельефа поверхности образца с объектом исследований следующим образом. Сначала для прямой 1 и обратной 2 СТМ-профилограмм (фиг.2) реального профиля 3 поверхности проводится их компьютерная корректировка по способу, описанному в прототипе. Для этого производится повторное компьютерное сканирование точных прямого и обратного СТМ-изображений реплики 2. Перед этим в память ЭВМ 16 вводится полученный на растровом электронном микроскопе реальный профиль 4 (фиг.2) использованной в данном эксперименте иглы 5. В ЭВМ 16 компьютерное сканирование проводится также иглой 5, профиль которой вначале зеркально отражен в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования, а затем в плоскости образца, при этом предполагается, что туннелирование равновероятно с любого участка поверхности иглы, а расстояние между иглой и поверхностью всегда постоянно и равно 1 нм [Бухараев А.А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии // Заводская лаборатория, том 60, №10, 1994. - С.19]. В результате этого повторного
1
1'
2
2'
сканирования из СТМ-профилограмм как бы «вычитается» профиль иглы 5 и тем самым уменьшаются вносимые ею искажения (профилограммы 1', 2' фиг.3). Далее на скорректированных профилограммах 1', 2' сравниваются параметры D=dZ/dx и D=dZ/dx. В реконструируемую профилограмму в каждую ее точку помещается высота той поверхности, у которой параметр D меньше. Профилограмма 5 реконструированного реального профиля 3 исследуемой поверхности приведена на фиг.4.