СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗОНДОВ АТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПА ДЛЯ КОНТАКТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
METHOD FOR MANUFACTURING AND RESTORATION OF ATOMIC-FORCE MICROSCOPE PROBES FOR CONTACT ELECTRIC MEASUREMENTS

Данное изобретение относится к способам изготовления и восстановления зондов атомно-силового микроскопа и может быть использовано для проведения стабильных и воспроизводимых контактных электрических измерений при помощи атомно-силового микроскопа.
Известны способы измерения электрических характеристик различных структур с помощью атомно-силового микроскопа [McCord M.A., Berenbaum L. Electrical probe incorporating scanning proximity microscope. Patent US 4992728. 12.02.1991; Eyben P., Xu M., Duhayon N., Clarysse Т., Callewaert S., Vandervorst W. Scanning spreading resistance microscopy and spectroscopy for routine and quantitative two-dimensional carrier profiling J. Vac. Sci. Techn. В 20 (1), 471 (2002)]. Каждый способ электрических измерений предполагает использование проводящих зондов. Наибольшее распространение на сегодняшний день получили зонды, представляющие собой балку с одним свободным концом, на котором расположено острие с радиусом закругления около 10 нм. Нижняя поверхность балки и острие покрыты проводящей пленкой толщиной 20-70 нм. В качестве проводящих покрытий чаще всего применяются платина, золото, нитрид титана, карбид вольфрама. Такая конструкция обеспечивает возможность массового производства зондов.
Основным недостатком традиционных зондов является невысокий срок службы, что обусловлено разрушением проводящего покрытия (преимущественно на острие зонда) при истирании в процессе сканирования. Причина быстрого износа зондов состоит в том, что даже при сравнительно малых силах придавливания к поверхности (10…100 нН) контактная площадка оказывается слишком мала (1…10 нм), что приводит к возникновению в контакте «зонд-образец» больших механических напряжений, зачастую превышающих предел прочности материалов зонда и проводящего покрытия. Вследствие разрушения проводящего покрытия на острие зонда нарушается электрический контакт между зондом и исследуемой поверхностью, в результате чего выполнение контактных электрических измерений становится невозможным.
Кроме того, малые размеры контактной площадки для зонда с радиусом закругления 10 нм приводят к тому, что при незначительных вибрациях микроскопа ее размеры, а значит, и электрические токи, протекающие через контакт, сильно изменяются. Это приводит к низкой стабильности и плохой повторяемости электрических измерений. Поэтому актуальной задачей является разработка способа модификации зондов с целью увеличения их ресурса работы и повышения стабильности и повторяемости электрических измерений.
Для повышения срока службы зонда в качестве проводящих покрытий используют сильнолегированные алмазоподобные пленки [Kaito Т., Yasutake М., Adachi Т. Probe for scanning probe microscope. Patent US 2003122072. 03.07.2003], которые, с одной стороны, обеспечивают проводимость зонда, а с другой стороны, обладают повышенной износостойкостью. Однако использование таких зондов часто приводит к разрушению материала исследуемого образца по причине высокой твердости покрытия зонда. Кроме того, высокая твердость покрытия приводит к образованию малой контактной площадки (менее 1 нм), а следовательно, к нестабильности электрического контакта «зонд-образец».
Известен способ, обеспечивающий повышение стабильности электрического контакта путем увеличения размеров контактной площадки, что достигается срезанием кончика зонда сфокусированным ионным пучком [Hong Y.A., Kim H.J., Kim J.J., Kim W., Lee T.G. Method for reproducing cantilever probe tip of scanning probe microscope. Patent KR 20010065676. 11.07.2001] с последующим нанесением на образовавшуюся площадку проводящих покрытий (толщиной до нескольких мкм), например, Pt, W, алмазоподобных пленок методом химического осаждения из газовой фазы [Neukermans A.P., Slater T.G., Whittlesey L.E, Cahill S.S. Superhard tips for micro-probe microscopy and field emission. Patent WO 9502894. 26.01.1995]. Такой способ изготовления и подготовки зондов значительно увеличивает ресурс работы проводящих зондов, а за счет увеличения радиуса зонда значительно улучшаются стабильность и повторяемость электрических измерений. Снижение разрешения микроскопа, возникающее вследствие увеличения радиуса закругления зонда, непринципиально для решения ряда актуальных задач, которые требуют субмикронного латерального разрешения (~100 нм). Однако такие зонды имеют высокую степень адгезии твердых тел, вызывающей налипание на кончик зонда посторонних частиц, расположенных на образце, в том числе непроводящих, что, в свою очередь, приводит к ухудшению проводящих свойств зонда.
Другим способом увеличения долговечности зондов является нанесение на острие зонда углеродных нанотрубок [Dai H., Quate C.F., Soh H., Kong J. Carbon nanotube structures made using catalyst islands. Patent WO 0009443. 24.02.2000; Dai H. Nanotubes as nanoprobes in scanning probe microscopy. Nature 384, 147 (1996)] или выращивание нановискеров [Samuelson L.I., Ohlsson B.J. Probe structures incorporating nanowhiskers, production methods thereof and methods of forming nanowhiskers. Patent US 2005017171. 27.01.2005] на кончике зонда. Такие зонды обеспечивают высокое разрешение микроскопа (~ 1 нм), причем постепенное разрушение нанотрубки не влияет на разрешение. Однако такие зонды не решают проблему нестабильности контакта «зонд-образец». Кроме того, углеродные нанотрубки, нанесенные на острие зонда, изгибаются во время сканирования, что приводит к искажению результатов измерений рельефа.
Наиболее близким по своей технической сущности способом, принятым за прототип, является способ создания зондов для электрических измерений в атомно-силовом микроскопе, заключающийся в металлизации острия зонда за счет явления электролиза [Suzuki Y., Nakagiri N., Yamamoto T. Manufacture of cantilever, and scanning type probe microscope provided with the same. Patent JP6275190. 30.09.1994]. На поверхности проводящей подложки помещают слой электролитического раствора, в который погружают зонд атомно-силового микроскопа с проводящим покрытием. Процесс погружения зонда контролируют с помощью оптической системы регистрации микроскопа. С помощью источника напряжения к образцу прикладывают положительное электрическое напряжение, при этом зонд является катодом, на который осаждаются катионы (в данном случае ионы металла). Одновременно зонд постепенно извлекается из электролита, что обеспечивает малый радиус закругления металлизированного зонда. Этот способ позволяет создавать и восстанавливать зонды для электрических измерений, увеличивая таким образом срок службы отдельного зонда. Такой способ создания зондов не позволяет контролировать степень твердости и шероховатости поверхности получаемого металлического острия. Это может приводить к образованию многоточечного электрического контакта между зондом и образцом с изменяющимся во времени и неконтролируемым значением общей площади контакта, что делает невозможным проведение стабильных и воспроизводимых электрических измерений.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа создания и восстановления зондов для электрических измерений в атомно-силовом микроскопе, использование которых позволит получить стабильный электрический контакт зонда с исследуемой поверхностью, тем самым обеспечивая высокую стабильность и повторяемость электрических измерений.
Для решения поставленной задачи предназначен способ изготовления и восстановления зондов для контактных электрических измерений, заключающийся в том, что зонд, имеющий поверхностную проводимость, сближают с поверхностью проводящего вещества в жидком состоянии, хорошо смачивающего материал зонда и проводящего покрытия, нанесенного на проводящую подложку, а между подложкой и зондом прикладывают электрическое напряжение, которое изменяют таким образом, чтобы достоверно зарегистрировать значения электрического тока, соответствующие более чем трем значениям приложенного электрического напряжения, а процедуру погружения прекращают в тот момент, когда зарегистрированный ненулевой электрический ток в пределах экспериментальной ошибки станет пропорционален приложенному электрическому напряжению, после чего зонд извлекают из проводящего вещества в жидком состоянии.
Предлагаемый способ поясняется следующими чертежами
Фиг.1. Схема реализации способа изготовления зондов атомно-силового микроскопа.
Фиг.2. Схематический вид зонда, изготовленного в соответствии с предлагаемым способом изготовления зондов атомно-силового микроскопа.
Фиг.3. Схематический вид метализированного зонда, использование которого приводит к образованию многоточечного контакта.
Способ изготовления и восстановления зондов для электрических измерений в атомно-силовом микроскопе заключается в следующем. Каплю проводящего вещества в жидком состоянии (поз.3, фиг.1) помещают на проводящую подложку (поз.4, фиг.1). В качестве проводящего вещества в жидком состоянии могут быть использованы следующие классы жидкостей: жидкие металлы и сплавы, а также жидкие проводящие клеи. Используемое жидкое вещество должно хорошо смачивать материал зонда и его проводящего покрытия. Использование в качестве проводящего вещества в жидком состоянии плохо смачивающей зонд жидкости может приводить к неконтролируемому нанесению проводящего вещества не только на кончик зонда, но и в виде отдельных капель на всю поверхность зонда и часть поверхности балки зонда (поз.5, фиг.1). Это приводит к уменьшению разрешающей способности микроскопа и к ухудшению отражающих свойств поверхности балки зонда. Кроме того, при сканировании исследуемого образца полученным зондом возможно перенесение жидкого вещества на поверхность образца, которое, с одной стороны, приводит к загрязнению исследуемой поверхности, а с другой стороны, вызывает деградацию электрических свойств зонда.
Зонд с разрушенным на кончике острия (поз.1, фиг.1) или неповрежденным проводящим покрытием (поз.2, фиг.1) с помощью вертикальных перемещателей приводят в контакт с поверхностью капли (поз.3, фиг.1). Сближение зонда и поверхности капли может производиться как за счет перемещения зонда при неподвижном образце, так и за счет перемещения образца при неподвижном зонде. С помощью источника напряжения (поз.7, фиг.1) между образцом и зондом прикладывают электрическое напряжение, которое изменяют таким образом, чтобы с помощью измерителя тока (поз.6, фиг.1) достоверно зарегистрировать значения электрического тока, протекающего через систему «зонд-капля-подложка», соответствующие более чем трем значениям приложенного электрического напряжения. Временной закон изменения напряжения может быть пилообразным, гармоническим, а также иметь более сложный вид. Описанная процедура позволяет получить более чем три пары значений приложенного электрического напряжения и электрического тока, которые позволяют однозначно определить линейный или нелинейный характер вольтамперной характеристики системы «зонд-капля-подложка». Если электрический ток в пределах экспериментальной ошибки не пропорционален электрическому напряжению, это свидетельствует об отсутствии электрического контакта неповрежденной проводящей пленки на зонде с жидким проводящим составом. Для обеспечения электрического контакта зонд погружается в проводящее вещество в жидком состоянии глубже путем постепенного увеличения силы придавливания. После этого процедура измерения вольтамперной характеристики повторяется. Пошаговый процесс погружения зонда и измерения вольтамперной характеристики продолжается до того момента, когда возникнет электрический контакт проводящей пленки зонда с проводящим веществом в жидком состоянии, то есть электрический ток в пределах экспериментальной ошибки не станет пропорциональным электрическому напряжению. После этого зонд извлекают из капли, в результате чего его копчик оказывается покрыт проводящим веществом в жидком состоянии. Высыхание образовавшегося слоя приведет к формированию гладкой поверхности (поз.3, фиг.2). При контактных электрических измерениях это обеспечит одноточечный электрический контакт между зондом (поз.1, фиг.2) с проводящим покрытием (поз.2, фиг.2) и поверхностью образца (поз.4, фиг.2), что позволяет в ходе эксперимента в точке поверхности поддерживать площадь контакта постоянной, обеспечивая тем самым проведение стабильных и воспроизводимых электрических измерений при помощи атомно-силового микроскопа.
-6
-3
Рассмотрим пример реализации вышеизложенного способа изготовления и восстановления зондов атомно-силового микроскопа для контактных электрических измерений. Для реализации способа используют зонд с балкой в виде параллелепипеда длиной 130 мкм, шириной 35 мкм и толщиной 1 мкм, изготовленной из кремния. На балке размещено острие высотой 10 мкм в виде усеченного конуса с сегментом сферы радиусом 10 нм на конце. На нижнюю часть балки и острие нанесен слой платины толщиной 30 нм. Зонд закрепляют в держателе юстировочного столика, имеющего измеритель тока, серийного атомно-силового микроскопа. В качестве подложки используют свежий скол высокоориентированного пиролитического графита с удельным сопротивлением 8.0·10 Ом·м. На поверхность подложки наносят каплю жидкого проводящего клея с удельным сопротивлением не более 1.5·10 Ом·м. Зонд подводят к поверхности капли, используя контактный режим функционирования атомно-силового микроскопа. В качестве вертикальных перемещателей используют шаговый двигатель и пьезосканер атомно-силового микроскопа. Величину силы придавливания контролируют с помощью системы регистрации отклонений балки зонда и поддерживают постоянной с помощью цепи обратной связи микроскопа. Величину первоначальной силы придавливания зонда к образцу выбирают равной стандартной силе, используемой в контактном режиме функционирования атомно-силового микроскопа, - около 10 нН. Абсолютную величину силы взаимодействия определяют с помощью любого известного метода калибровки, например, [Cappella В., DietlerG. Surface Science Reports 34, 1 (1999)]. С помощью стандартного источника напряжения микроскопа между образцом и зондом прикладывают линейно изменяющееся в диапазоне от -0.5 В до 0.5 В электрическое напряжение, одновременно с помощью измерителя тока регистрируя значения электрического тока. Если электрический ток равен нулю (не превышает уровня естественного шума) или зарегистрированный электрический ток оказывается непропорционален приложенному напряжению (что, например, может быть обнаружено как отличие от нуля второй производной измеренной зависимости тока от напряжения), то зонд погружается в жидкий клей глубже путем постепенного увеличения силы придавливания с шагом по силе 10 нН. После этого процедура измерения вольтамперной характеристики повторяется. Пошаговый процесс погружения зонда и измерения вольтамперной характеристики повторяют до тех пор, пока не будет достигнута пропорциональность тока приложенному напряжению, что свидетельствует об образовании электрического контакта между неразрушенными частями проводящей пленки на зонде с проводящим клеем.
-5
-8
-7
Процесс погружения зонда может осуществляться не только ступенчато, но и непрерывно с одновременным измерением вольтамперной характеристики. При этом приложенное напряжение между зондом и образцом следует изменять непрерывно и периодически, например, по синусоидальному или пилообразному закону. Период изменения напряжения, умноженный на скорость вертикального перемещения зонда, не должен превышать радиус закругления острия зонда. Максимальная частота изменения напряжения между зондом и образцом ограничена паразитными емкостями систем «зонд-образец» и «измерительная головка микроскопа-образец» и обычно составляет не более 1 кГц. Следовательно, скорость подвода в непрерывном режиме не должна превышать 10 м/сек. Практически удобной является скорость подвода зонда 10÷10м/сек при частоте изменения приложенного напряжения 10 Гц.
Дополнительное преимущество использования клея в качестве проводящей жидкости заключается в следующем. Проводящая жидкость, покрывающая поверхность острия зонда, под действием сил гравитации и поверхностного натяжения принимает гладкую форму. Выдерживание в комнатных условиях полученного описанным способом зонда в течение достаточно продолжительного времени, указанного производителем жидкого проводящего клея (в пределах 20 минут), приводит к затвердеванию проводящего вещества. При этом кончик острия зонда, полученного в соответствии с предлагаемым способом, в отличие от зондов (фиг.3), которые могут быть получены при использовании способа-прототипа, за счет применения первоначально жидкого проводящего вещества имеет заведомо гладкую форму, что приводит к образованию стабильного одноточечного электрического контакта между зондом и поверхностью образца (фиг.2). Использование способа-прототипа может привести к формированию негладкой поверхности (поз.3, фиг.3). При контактных электрических измерениях это приведет к многоточечному электрическому контакту между зондом (поз.1, фиг.3) с проводящим покрытием (поз.2, фиг.3) и поверхностью образца (поз.4, фиг.3), ухудшая тем самым стабильность и воспроизводимость производимых электрических измерений при помощи атомно-силового микроскопа.
Таким образом, данный способ позволяет создавать и восстанавливать зонды для электрических измерений в атомно-силовом микроскопе, использование которых позволяет получить стабильный электрический контакт зонда с исследуемой поверхностью, тем самым обеспечивая высокую стабильность и повторяемость электрических измерений.