Калибровочная решётка для атомно-силовых и растровых электронных микроскопов

Область техники, к которой относится изобретение
Полезная модель относится к области измерения малых длин отрезков, характеризующих геометрические параметры субмикронных и наноразмерных объектов, с помощью сканирующей зондовой (в том числе атомно-силовой) или растровой электронной микроскопии.
Уровень техники
Анодное окисление (анодирование) алюминия в кислых растворах электролитов приводит к формированию пористой оксидной пленки на поверхности металла. Расстояние между порами, образующимися перпендикулярно поверхности пленки, а также их диаметр линейно зависят от напряжения анодирования [W. Lee, S.J. Park. Porous Anodic Aluminum Oxide: Anodization and Templated Synthesis of Functional Nanostructures // Chemical Reviews, 2014, v. 114, pp. 7487-7556]. В определенных условиях анодирования поры формируют двумерный гексагональный массив в плоскости пленки [H. Masuda, K. Fukuda. Ordered metal nanohole arrays made by a 2-step replication of honeycomb structures of anodic alumina // Science, 1995, v. 268 pp. 1466-1468], что обеспечивает рекордно узкое распределение геометрических параметров пористой структуры по размерам. После селективного удаления пористой оксидной пленки поверхность алюминия представляет собой совокупность упорядоченных в гексагональную сетку полусферических углублений, расстояние между которыми совпадает с расстоянием между центрами пор и может варьироваться в диапазоне от десятков до сотен нанометров. Узкое распределение расстояния между центрами пор в оксидной пленке и углублений на поверхности алюминия позволяет создавать на их основе калибровочные решетки для различных видов микроскопических методов исследования, в том числе атомно-силовой и растровой электронной микроскопии. Стоит сказать, что характерные расстояния между углублениями позволяют калибровать микроскоп в нанометровом диапазоне. Для формирования подобных калибровочных решеток на основе кремния, наиболее часто применяемых в микронном диапазоне, требуется использование гораздо более сложно реализуемых методов электронной литографии или фотолитографии.
3
4
Известны калибровочные решетки (аналог) на основе пористых пленок анодного оксида алюминия [К.С. Напольский, И.В. Росляков, А.А. Елисеев, А.В. Лукашин, В.А. Лебедев, Д.М. Иткис, Ю.Д. Третьяков. Калибровочные решетки на основе самоорганизующихся структур пористого оксида алюминия // Альтернативная энергетика и экология, 2009, №11 (79), стр. 86-89]. Аналог представляет собой рентгеноаморфную пленку оксида алюминия толщиной порядка 200 мкм, обладающую системой сквозных, непересекающихся, перпендикулярных поверхности пленки каналов, упорядоченных в двумерную гексагональную сетку. Расстояние между каналами составляет 104,5±0,5 нм. Аналог получают анодированием алюминия в 0,3 М растворе щавелевой кислоты при напряжении 40 В. В качестве исходного материала используют алюминий толщиной 0,5 мм, предварительно отожженный при температуре 500°C в течение 10 ч. Оставшийся не окисленным алюминий селективно удаляют в растворе, содержащем 1,4 М соляной кислоты и 0,5 M хлорида меди (II). Барьерный слой оксида алюминия химически растворяют в 5 вес. % растворе HPO при температуре 60°C в течение 5 минут. В качестве калибровочной решетки используют нижнюю сторону пористой оксидной пленки.
В аналоге, как и в заявленной полезной модели, для калибровки микроскопов используется наноструктурированный материал со строго заданным периодом рельефа поверхности. Однако описанный аналог имеет ряд недостатков:
1) резкий перепад высот на поверхности оксидной пленки, вызванный наличием протяженных пор диаметром 35 нм, в совокупности с высокой твердостью материала приводит к частому повреждению зонда, использующегося для сканирования образца;
2) получение калибровочной решетки на основе анодного оксида алюминия требует проведения дополнительной технологической стадии удаления барьерного слоя, что усложняет способ изготовления аналога и уменьшает его воспроизводимость;
3) аналог обладает низкой механической стабильностью из-за хрупкости пористых пленок анодного оксида алюминия.
3
4
3
Известен другой тип материала, пригодный для изготовления калибровочных решеток, выбранный в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) [I.V. Roslyakov, E.O. Gordeeva, K.S. Napolskii. Role of Electrode Reaction Kinetics in Self-Ordering of Porous Anodic Alumina // Electrochimica Acta, 2017, v. 241, pp. 362-369]. Прототипом является алюминиевая пластина, поверхность которой представляет собой массив полусферических углублений, упорядоченных в двумерную гексагональную сетку. Для структурирования поверхности используют анодирование алюминия в электролитах на основе серной или щавелевой кислот с последующим селективным удалением пленки оксида алюминия в водном растворе HPO и CrO.
На поверхности прототипа, как и на поверхности заявленной полезной модели, имеется система полусферических углублений. Недостатком прототипа является низкая степень упорядочения структуры, что увеличивает ширину распределения расстояний между центрами углублений и снижает точность калибровки.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является повышение точности измерения с помощью сканирующей зондовой (в частности, атомно-силовой) и растровой электронной микроскопии малых длин отрезков, характеризующих морфологию изучаемых объектов на субмикронном и нанометровом масштабе.
Поставленная задача решается калибровкой шкалы микроскопа с помощью заявленной полезной модели, которой является алюминиевый диск толщиной от 0,2 до 2 мм и диаметром от 4 до 10 мм, на поверхности которого имеется область диаметром не менее 3 мм, представляющая собой двумерный гексагональный массив полусферических углублений с расстоянием между их центрами 100 или 50 нм, при этом полуширина распределения данной величины на полувысоте составляет менее 6 нм, а доля углублений в гексагональном окружении составляет более 90%.
Отличительной особенностью заявленной полезной модели является высокая степень упорядочения углублений в гексагональный массив, характеризующаяся их долей в гексагональном окружении, что обеспечивает узкое распределение расстояния между центрами углублений и, тем самым, увеличивает точность калибровки.
Краткое описание рисунков
Сущность полезной модели поясняется рисунками.
На фиг. 1 представлен чертеж полезной модели, представляющей собой алюминиевый диск толщиной от 0,2 до 2 мм и диаметром от 4 до 10 мм. На поверхности диска имеется круглая область диаметром не менее 3 мм, находящаяся вровень с поверхностью или заглубленная на не более чем 0,2 мм, являющаяся рабочей областью калибровочной решетки. Поверхность рабочей области выполнена в виде массива полусферических углублений, образующих гексагональную сетку с периодом 100 или 50 нм.
На фиг. 2 представлено изображение поверхности рабочей области полезной модели, полученное с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) и демонстрирующее систему полусферических углублений на поверхности алюминия, упорядоченных в двумерную гексагональную сетку таким образом, что расстояние между их центрами составляет 100 нм.
int
На фиг. 3 представлено распределение расстояний между центрами соседних углублений в полезной модели с периодом рельефа поверхности 100 нм, полученное с помощью статистической обработки РЭМ изображений. На рисунке представлены среднее значение расстояния между центрами соседних углублений (<D>) и полуширина распределения (HWHM), определенные с помощью описания распределения функцией Гаусса.
На фиг. 4 представлено изображение поверхности полезной модели, полученное с помощью растрового электронного микроскопа и демонстрирующее систему полусферических углублений на поверхности алюминия, упорядоченных в двумерную гексагональную сетку таким образом, что расстояние между их центрами составляет 50 нм.
int
На фиг. 5 представлено распределение расстояний между центрами соседних углублений в полезной модели с периодом рельефа поверхности 50 нм, полученное с помощью статистической обработки РЭМ изображений. На рисунке представлены среднее значение расстояния между центрами соседних углублений (<D>) и полуширина распределения (HWHM), определенные с помощью описания распределения функцией Гаусса.
Осуществление полезной модели
Полезная модель представляет собой калибровочную решетку для сканирующих зондовых (в том числе атомно-силовых) и растровых электронных микроскопов. Для калибровки полезную модель помещают в микроскоп и с его помощью регистрируют трехмерный профиль (в случае сканирующей зондовой микроскопии) или изображение (в случае растровой электронной микроскопии) произвольного участка рабочей области. Далее с помощью статистической обработки полученного изображения, основанной на триангуляции для множества центров углублений, строят распределение расстояний между центрами углублений и определяют среднее значение искомой величины. Для калибровки среднее расстояние приравнивают к расстоянию между центрами углублений в заявленной полезной модели (100 или 50 нм).