СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ТУННЕЛЬНЫМ МИКРОСКОПОМ
METHOD OF EXAMINING SOLID BODY SURFACE WITH TUNNEL MICROSCOPE

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 способ изучения поверхности твердых тел с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) [P.K.Kansama, J.Tersof, J, Appl. Phys, 1987, v.61, n.2, p.21], в котором за счет поддержания постоянного туннельного тока над поверхностью без соприкосновения с нею движется остро заточенная игла. Регистрируются координаты положения иглы в пространстве и за счет этого формируется изображение поверхности. 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 способ исследования поверхности твердого тела с помощью СТМ [R.Chicon, M.Ortuno, J.Abellan. Surf. Science. 181, 107(1987)], в котором производится частичная реконструкция реальной поверхности по ее СТМ-изображению на основе аппроксимации кончика острия иглы полусферой радиуса R и восстановления нормали длиной (R+d) в каждой точке СТМ-изображения (где d≈10Ǻ=const - постоянный туннельный зазор между иглой и исследуемой поверхностью). Недостатком способа являются возможность его применения только в частном случае, когда микрорельеф поверхности имеет размеры менее 100Ǻ (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 к заявляемому, принятому за прототип, является способ исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом [А.с. №1778820, МПК H01L 21/66. Способ исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом / Ф.Ф.Губайдуллин, А.А.Бухараев, А.В.Назаров], включающий сканирование поверхности иглой при постоянном туннельном токе, регистрацию полученного СТМ-изображения, его инвертирование и последующее компьютерное сканирование заранее определенным профилем иглы, использованной для формирования данного СТМ-изображения и зеркально повернутой в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования. Недостатками известного способа являются низкие функциональные возможности и точность реконструкции реальной поверхности образца, а также сложность способа. Низкие функциональные возможности связаны с его применением для исследования только проводящих поверхностей. Низкая точность реконструкции реальной поверхности образца определяется невозможностью достижения иглой некоторых областей поверхности в процессе сканирования (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]. Кроме того, для реализации способа необходимо знать форму поверхности иглы, что не всегда возможно. Также этот способ, использующий двумерный профиль иглы, применим, в первую очередь, для анализа двумерных структур типа дифракционных решеток. Для реконструкции изображений трехмерных структур этот способ можно применить, если представить трехмерное изображение иглы в виде набора плоскопараллельных профилей, полученных на различном расстоянии от оси иглы, с последующим трехмерным компьютерным сканированием [Бухараев А.А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии // Заводская лаборатория, том 60, №10, 1994. - С.21], что представляет собой сложную задачу и требует значительных вычислительных ресурсов.
Предложен способ исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом, включающий сканирование поверхности иглой при постоянном туннельном токе, реконструкцию реальной поверхности по ее СТМ-изображению, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что формируют проводящую реплику исследуемой поверхности, проводят сканирование этой реплики с одной стороны, а затем с обратной - этой же иглой, но зеркально развернутой в плоскости сканирования, прямое и инвертированное обратное СТМ-изображения совмещают и по соответствующим СТМ-профилограммам этих изображений производят реконструкцию реальной поверхности путем сравнения углов наклона касательных в соответствующих парах точек обеих СТМ-профилограмм, при этом для участков микрорельефа с кривизной, меньшей кривизны рабочего кончика острия, реконструируемая профилограмма является геометрическим местом точек, находящихся в центрах отрезков, соединяющих одноименные пары точек прямой и обратной СТМ-профилограмм с одинаковыми углами наклона касательных, а для участков микрорельефа с кривизной, большей кривизны рабочего кончика острия, в реконструируемую точку помещают высоту той СТМ-профилограммы (прямой или обратной), у которой в этой точке угол наклона касательной меньше.
Предлагаемый способ позволяет расширить функциональные возможности исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом, упростить процесс реконструкции реальной поверхности образца и повысить его точность. К отличительным признакам предложенного способа относятся формирование проводящей реплики исследуемой поверхности, сканирование в СТМ этой реплики с одной стороны, а затем с обратной - этой же иглой, но зеркально развернутой в плоскости сканирования, совмещение прямого и инвертированного обратного СТМ-изображений, реконструкцию реальной поверхности путем сравнения углов наклона касательных в соответствующих точках СТМ-профилограмм этих изображений.
Формирование проводящей реплики исследуемой поверхности образца позволяет расширить функциональные возможности способа, 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 их сравнительно малых горизонтальных размеров и большой глубины игла СТМ не могла «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 способе, принятом за прототип, невозможно даже отметить участки («черные дыры»), где СТМ-изображение сильно отличается от реальной топографии поверхности, то в предложенном способе дополнительная информация о той же поверхности, но с ее обратной стороны, позволяет не только отметить такие «провалы» поверхности, но и реконструировать их реальный микрорельеф.
Также способ, принятый за прототип, достаточно сложен. Для его реализации необходимо знать форму поверхности иглы, что не всегда возможно. К тому же этот способ, использующий двумерный профиль иглы, применим, в первую очередь, для анализа двумерных структур типа дифракционных решеток. Для реконструкции изображений поверхности более сложных трехмерных микроструктур этот способ можно применить лишь в том случае, «если представить трехмерное изображение поверхности иглы в виде набора плоскопараллельных профилей, полученных на различном расстоянии от оси иглы» [Бухараев А.А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии // Заводская лаборатория, том 60, №10, 1994. - С.21], с последующим сложнейшим трехмерным компьютерным сканированием, требующим применения сложных алгоритмов моделирования, значительных вычислительных ресурсов и времени.
Величина искажений в СТМ-изображениях зависит от высоты микрорельефа, его периодичности, радиуса закругления иглы и ее формы. В предложенном способе, в отличие от прототипа, нет необходимости знать форму поверхности иглы, т.к. в СТМ сканирование реплики с обратной стороны проводят той же иглой, но зеркально развернутой в плоскости сканирования. Это обеспечивает сканирование любой общей («одноименной») точки прямой и обратной поверхности реплики одной и той же текущей точкой поверхности иглы, и, таким образом, реконструируемая профилограмма в данном случае является геометрическим местом точек, находящихся в центрах отрезков, соединяющих одноименные пары точек прямой и обратной профилограмм с одинаковыми углами наклона касательных. Предложенный способ позволяет расширить функциональные возможности известного способа при его упрощении. При этом сложное в реализации трехмерное компьютерное сканирование иглой с заранее определенным микропрофилем заменяется простым в реализации обычным трехмерным сканированием исследуемой поверхности туннельным микроскопом. Следует отметить, что в способе, принятом за прототип, микрорельеф любой СТМ-профилограммы определяется при компьютерном сканировании только двумерным микропрофилем иглы и поэтому никак не связан с другими профилограммами этого СТМ-изображения (даже, если при сканировании сближение иглы с поверхностью образца уже возможно именно в других точках других СТМ-профилограмм). Именно поэтому известный способ применим для анализа поверхностей только двумерных структур. В предложенном способе при сканировании поверхности туннельным микроскопом учет такого возможного сближения иглы с любой другой точкой поверхности (не кончиком острия иглы) происходит автоматически посредством его отработки системой отрицательной обратной связи СТМ. Поэтому любая точка СТМ-профилограммы при сканировании туннельным микроскопом связана через реальный трехмерный профиль иглы со всеми другими точками других профилограмм СТМ-изображения, и, следовательно, предложенный способ пригоден для изучения поверхностей трехмерных микроструктур.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ, на фиг.2, 3 - профилограммы, поясняющие принцип его работы. Предложенный способ осуществляется следующим образом. Сначала в блоке 1 формирования реплики исследуемой поверхности, снабженном устройством 2 ее поворота на 180° по осям X, Y, реализуют проводящую реплику-отпечаток 3 произвольной трехмерной структуры поверхности, изучаемую туннельным микроскопом 4 с помощью иглы 5. (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 углеродной) пленки. Подобная пленка обеспечивает пространственное разрешение ~20Ǻ, а также (при подготовке образца с особой тщательностью) - атомное разрешение [Шиммель Г. Методика электронной микроскопии. - М.: Мир, 1972. - 300 с.]). Далее способ реализуется следующим образом. Сначала проводят сканирование иглой 5 поверхности реплики 3 с одной стороны, а затем с обратной - этой же иглой 5, но зеркально развернутой в плоскости, перпендикулярной плоскости сканирования. Далее прямое и инвертированное обратное СТМ-изображения совмещают (соответствующие профилограммы приведены на фиг.2).
пр
обр
Задача реконструкции реальной профилограммы поверхности по прямой 1 и обратной 2 СТМ-профилограммам реплики 3 после их совмещения решается следующим образом. Сначала определяют, к какому из двух типов относятся данный участок поверхности и его СТМ-профилограммы. Участки первого типа - это участки плавного изменения микрорельефа, когда на поверхности нет «черных дыр» и острие иглы 5 может приблизиться на расстояние туннельного зазора ~ в 1 нм ко всем участкам поверхности (т.е. это участки микрорельефа с кривизной, меньшей кривизны рабочего кончика острия). Этим участкам поверхности соответствует случай пересечения горизонталью в двух точках a, b одновременно прямой и обратной СТМ-профилограмм (фиг.3). Участки второго типа - это участки более сложного рельефа, когда на поверхности имеются «черные дыры» и не ко всем участкам поверхности игла может приблизиться на расстояние туннельного зазора ~ в 1 нм (т.е. это участки микрорельефа с кривизной, большей кривизны рабочего кончика острия). Этим участкам поверхности соответствует случай пересечения горизонталью в двух точках с, d только одной - или прямой, или обратной СТМ-профилограмм (фиг.3). Для плавных участков микрорельефа поверхности первого типа при формировании прямой 1 и обратной 2 СТМ-профилограмм горизонтальные рабочие размеры острия иглы 5 в плоскости X, Y исследуемой поверхности «добавляются» с противоположными знаками к соответствующим координатам X, Y рассматриваемой точки поверхности. При этом при сканировании инвертированной иглой, зеркально развернутой в плоскости, перпендикулярной плоскости сканирования, острие должно приблизиться на расстояние туннельного зазора ~ в 1 нм произвольной, но одной и той же своей точкой к прямой и обратной стороне поверхности реплики также в одной и той же точке. Из-за конечных горизонтальных «рабочих» размеров острия это сближение на прямой и обратной стороне реплики осуществляется боковой точкой f (одновременно принадлежащей и острию иглы, и профилограмме поверхности реплики) изолинии электронной плотности поверхности острия при двух симметричных местоположениях оси острия, одинаково сдвинутых в противоположные стороны относительно абсциссы точки сближения f (фиг.3). Следует отметить, что при сканировании поверхности и параллельных перемещениях в пространстве иглы 5 ее острие «скользит» на расстоянии туннельного зазора ~ в 1 нм вдоль поверхности реплики 3, при этом все точки острия движутся по одинаковым траекториям (которые являются СТМ-профилограммой), но сдвинутым относительно друг друга по осям X, Y, Z. В момент измерения «прямой» (или «обратной») Z-координаты реплики, происходит геометрическое и временное совпадение одинаковых участков: профилограммы 4 поверхности реплики в окрестности точки f и СТМ-траектории самой точки f острия в ее окрестности, а также СТМ-профилограммы 1 (или 2) точки g (или g) кончика острия в ее окрестности. Следовательно, в момент измерения равны между собой тангенсы углов наклона трех касательных: в точке сближения острия и профилограммы поверхности, а также в соответствующих точках сближения кончика острия с прямой и обратной СТМ-профилограммами. Поэтому реконструируемая профилограмма 3 является геометрическим местом точек середин отрезков, соединяющих между собой соответствующие пары одноименных точек прямой и обратной СТМ-профилограмм с одинаковыми углами наклона касательных.
Для участков поверхности второго типа с кривизной, большей кривизны рабочего кончика острия, в реконструируемую точку помещают высоту той СТМ-профилограммы (прямой или обратной), у которой в этой точке угол наклона касательной меньше.
На фиг.2 представлено реконструированное предложенным способом изображение поверхности, представляющее совокупность типового профиля поверхности, фазовой дифракционной решетки и прямоугольного «провала» («черной дыры», в которую из-за ее малых размеров игла не смогла «заглянуть»). Видно, что реконструированное 3 изображение полностью совпадает с исходным реальным 4 изображением поверхности.
Работоспособность предложенного способа также проверена экспериментально. В эксперименте использовалась проводящая углеродная реплика прямоугольной тестовой решетки TGZ03 (с периодом 3,0 мкм и высотой 0,5 мкм) производства фирмы NT-MDT (г. Зеленоград). Результаты испытаний показали высокую точность предложенного способа.
Таким образом, применение предложенного способа обеспечивает возможность простой и одновременно точной реконструкции как проводящих, так и непроводящих исследуемых поверхностей твердого тела туннельным микроскопом.