СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МИКРООБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК G01R27/26 H01J37/285 

Изобретение относится к области исследования поверхностных слоев вещества методами СВЧ и сканирующей туннельной спектроскопии.

Применение способа для локальной диэлектрической спектроскопии основывается на микроскопическом представлении диэлектрических сред. Известно, что поляризационные эффекты в электрическом поле характеризуются значением и изменениями диэлектрической восприимчивости атомов и молекул χ Диэлектрическая восприимчивость единицы объема вещества равна произведению числа молекул в единице объема N₀ на поляризуемость молекулы или атома a Если диэлектрик состоит из одинаковых молекул, то c = N₀α Диэлектрическая проницаемостьε связана с восприимчивостью соотношением e = 1 + χ
Поляризация в общем случае складывается из:
электронной поляризации, обусловленной смещением электронной плотности в атомах и молекулах,
ориентационной поляризации диполей,
поляризации на границе раздела фаз (поляризация Максвелла-Вагнера-Силларса),
поляризации смещения ионов.

Локальную поляризацию диэлектрика можно представить в виде
P = N₀α(ε + 2)E/3
Учитывая, что P = ε₀(ε-1)E можно получить классическое уравнение Клаузиуса-Моссотти

где N₀ число Авогадро, μ молекулярная масса, r плотность.

Для полярных диэлектриков можно использовать формулу

где q заряд диполя, k постоянная Больцмана, T температура.

Таким образом видно, что, измеряя локальные параметры вещества, такие как диэлектрическая проницаемость, локальная плотность (количество атомов в единице объема), можно оценить поляризуемость отдельных атомов, молекул и молекулярных комплексов.

Механизмы ориентационной поляризации можно изучать, основываясь на формулах Дебая для частотных зависимостей компонент диэлектрической проницаемости.

где e′ и ε″- действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости, ε^*, ε_∞ диэлектрическая проницаемость в области больших частот (практически эта величина близка к квадрату показателя преломления среды).

Пик диэлектрических потерь ε″ имеет место при ωt = 1 Таким образом, регистрируя частотную зависимость диэлектрическое потерь, можно определить время релаксации молекулярных диполей в диэлектрике.

Если исключить ωt из уравнений Дебая, можно получить соотношение, устанавливающее взаимосвязь между ε″ и ε′ при постоянной температура в области релаксации

Это уравнение окружности с центром в точке [(ε+ε_∞)/2;0] и радиусом (ε-ε_∞)/2 так что зависимость ε″ от ε′ представляет собой полуокружность. Однако экспериментальные зависимости такого вида получаются только в однородных молекулярных средах, например в жидкостях. Для тонких полимерных пленок центр окружности на круговой диаграмме оказывается ниже, чем ось абсцисс. В свое время была предложена полуэмпирическая зависимость Коула- Коула для аналитического описания этого эффекта

Параметр (1-α) характеризует ширину распределения диполей по временам релаксации. Несоответствие формул Дебая экспериментальным данным для полимеров объясняется обычно тем, что в полимерах диполи (полярные группы) имеют различное окружение и их время релаксации может колебаться в определенных пределах. Информация о локальном распределении диполей и их свойств, как правило, отсутствует, поэтому для различных случаев предлагаются различные функции распределения диполей по временам релаксации.

По существу вся теория взаимодействия электромагнитного излучения с веществом построена на феноменологическом подходе, в основе которого лежат статистические и макроскопические электродинамические модели. В свою очередь микроскопические теория, имея огромную эвристическую ценность, не могли быть применены для решения прикладных задач, так как для этого необходимо знать поведение векторов электрического и магнитного полей микрочастиц в пространстве и времени. Это связано в основном с тем, что экспериментальные измерения не могли обеспечить достаточную локальность исследования объектов. Все известные до сих пор методы измерения давали интегральные значения электрофизических параметров. Экспериментальные методы, позволяющие производить локальные исследования в нанометровом масштабе, в сочетании с микроскопическими уравнениями Максвелла-Лорентца позволят существенно продвинуть микроскопическое описание диэлектриков и получить важную количественную информацию о исследуемых объектах.

Известен способ исследования профиля поверхности, заключающийся в том, что сканируют металлической иглой над поверхностью проводника, измеряя при этом с помощью моста переменного тока изменение емкости зазора между острием иглы и поверхностью, через систему обратной связи управляют положением иглы над поверхностью и по полученным данным строят рельеф поверхности [1]
Способ реализуется с помощью профилометра устройства, содержащего емкостную ячейку, образованную острием и подложкой, включенную в качестве измерительного плеча в высокочастотный реактивный мост.

Недостатками способа и устройства являются невысокая разрешающая способность, обусловленная конечным радиусом закругления острия и линейной зависимостью емкости от величины зазора, а также невозможность измерения малых абсолютных и относительных (10^-10 пФ) емкостей с помощью мостового метода в радиодиапазоне.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ исследования поверхности [2] заключающийся в том, что металлической иглой, расположенной над исследуемой поверхностью на расстоянии около 50 сканируют вдоль этой поверхности. При приложении напряжения между иглой и исследуемой поверхностью начинает течь туннельный ток, величина которого зависит от прозрачности туннельного промежутка. Прозрачность туннельного промежутка определяется величиной зазора, работой выхода электронов и наличием в зазоре диэлектрических слоев. При сканировании иглы вдоль исследуемой поверхности с помощью петли электромеханической обратной связи величину туннельного тока поддерживают постоянной, регистрируют величину сигнала, управляющего положением иглы в плоскости, перпендикулярной исследуемой поверхности, и по полученным данным строят рельеф поверхности исследуемого вещества.

Указанный способ осуществляется с помощью устройства, включающего генератор СВЧ-сигнала, однонаправленный элемент, фильтр нижних частот, отсекающий высшие гармоники сигнала накачки, резонатор, индуктивные петли связи, исследуемый образец, находящийся в емкостном зазоре между иглой и подложкой, пьезосканирующую головку сканирующего туннельного микроскопа, перестраиваемый фильтр, спектр-анализатор, блок управления, усилитель туннельного тока, буферный усилитель для установления туннельного напряжения, управляющую ЭВМ, монитор.

Недостатком способа и устройства-прототипа является недостаточная достоверность информации о рельефе поверхности микрообъектов. Это связано с тем, что туннельный ток СТМ определяется не только величиной зазора, но также молекулярным составом поверхности исследуемого образца и наличием в зазоре диэлектрических слоев, а выделить составляющую, зависящую только от топографии поверхности, невозможно, из-за чего измерения, проводимые с помощью СТМ, не отражают топографии реальной поверхности. Кроме того, в случае исследования диэлектрических микрообъектов на поверхности проводящего материала с помощью СТМ (молекулярных пленок, биообъектов, молекулярного адсорбата) зависимость тока от напряжения не будет соответствовать реальному расстоянию от иглы до поверхности пленки, поскольку в данном случае измеряемый ток определяется суммарным коэффициентом прозрачности туннельного барьера. При этом, даже если игла СТМ проникнет в диэлектрик, зависимость тока не будет отражать этот процесс. Поэтому при исследовании диэлектрических микрообъектов известные способ и устройство не позволяют определять реальную топографию исследуемого микрообъекта.

Целью изобретения является расширение области применения путем обеспечения возможности получения информации о рельефе поверхности микрообъектов (в том числе и туннельнопрозрачных диэлектрических пленок) и исследования локальных электрофизических характеристиках.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе исследования нанорельефа поверхности, заключающемся в том, что в промежутке между проводящей иглой и поверхностью микрообъекта создают постоянное электрическое поле, регистрируют постоянный туннельный ток, управляют перемещением проводящей иглы над поверхностью микрообъекта и определяют рельеф поверхности микрообъекта, отличающийся тем, что к промежутку между проводящей иглой и поверхностью микрообъекта дополнительно прикладывают сверхвысокочастотное напряжение одной или нескольких частот, регистрируют сверхвысокочастотную компоненту туннельного тока, а управление перемещением проводящей иглы и определение рельефа поверхности осуществляют по величинам постоянного туннельного тока и сверхвысокочастотной компоненты туннельного тока. При этом появляется возможность резко увеличить динамический диапазон системы обратной связи, т.к. изменение (или появление нужной компоненты) СВЧ-сигнала начинает сказываться при больших зазорах и происходит задолго до появления в туннельном промежутке туннельного тока.

Сущность способа заключается в том, что в области микроострия создается сильный градиент переменного электрического поля, взаимодействие которого с диэлектрическими объектами приводит к возникновению в радиотракте высших гармоник сигнала накачки, либо комбинационных частот при наличии зондирующих сигналов с разной частотой. Возникновение комбинационных частот и высших гармоник происходит из-за нелинейной поляризуемости диэлектрических микрообъектов, находящихся в непосредственной близости от микроострия. Селективное выделение частотных составляющих (например, с помощью спектр-анализатора ) и построение изображения нанорельефа в различных частотных диапазонах позволяет получить дополнительную информацию о наличии на поверхности диэлектрических микрообъектов и о их электрофизических характеристиках, таких как величина дипольного момента, линейная и нелинейная поляризуемости, тангенс угла потерь и их частотные зависимости.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройстве для исследования поверхности микрообъектов, содержащем подложку для размещения микрообъекта, проводящую иглу туннельного микроскопа, выполненную с возможностью перемещения над поверхностью микрообъекта и сопряженную с блоком управления туннельным микроскопом, отличающемся тем, что введены сверхвысокочастотный резонатор, снабженный входной и выходной петлями связи, в котором размещена проводящая игла туннельного микроскопа, последовательно соединенные генератор, однонаправленный элемент и фильтр нижних частот, выход которого соединен с входной петлей связи, спектранализатор, вход которого соединен с выходом перестраиваемого фильтра, а выход подключен ко входу блока управления туннельного микроскопа, при этом боковая поверхность центрального электрода выполнена конической, или параболической, или экспоненциальной.

Эффективность работы устройства в режиме нелинейной спектроскопии зависит от точного соответствия частотного спектра измеряемого отклика резонансному спектру СВЧ-резонатора. Известно, что резонансный спектр коаксиального СВЧ-резонатора, нагруженного на сосредоточенную емкость, принципиально неэквидистантен, поэтому использование его при измерении высших гармоник зондирующего сигнала малоэффективно, т. к. сигналы отклика уходят из резонанса, поэтому требуется методика подстройки высших резонансов под эквидистантный спектр. Это достигается использованием такого свойства, как зависимость характеристического сопротивления отрезков неоднородных длинных линий от зависимости волнового сопротивления линии как функции координаты. Решая обратную задачу нахождения по заданному виду спектра резонатора, нагруженного на известную сосредоточенную емкость, зависимости его волнового сопротивления от координаты, можно определить специфические геометрические параметры неоднородного резонатора, такие как зависимость радиуса центрального электрода от координаты, общая длина, соотношение между радиусами внешнего и внутреннего электродов.

Резонансные частоты определяются из равнения
Im[ρ(l)] = 1/ωC₀,
где ρ(l) эквивалентное сопротивление линий, l длина отрезка линии, ω угловая частота, С₀- сосредоточенная емкость.Значение r(l) может быть найдено, как решение уравнения Рикатти первого порядка
dρ/dx + Y(x)ρ²- Z(x) = 0,
где Y(x)=R(x)+iwL(x)- погонное последовательное сопротивление,
Z(x)=G(x)+iwC(x)- погонное параллельное сопротивление линии. В аналитическом виде точное решение этого уравнения существует только для случая экспоненциальной линии

где β = γ/i, γ = [Z(l)Y(l)]^1/2 В остальных практически важных случаях (линейный конус, параболоид вращения)точные решения возможны лишь численным образом (либо приближенно аналитически).

Предлагаемый способ характеризуется следующей последовательностью действий:
электромагнитный сигнал от СВЧ-генератора через развязывающий однонаправленный элемент и фильтр нижних частот, отсекающий высшие гармоники зондирующего сигнала, подают в СВЧ-устройство, содержащее измерительный туннельный промежуток;
СВЧ-систему настраивают таким образом, чтобы туннельный промежуток оказался в кучности электрического поля, чем достигается максимум плотности энергии в исследуемом объеме;
используя автоматическую систему подвода иглы к образцу, плавно уменьшают расстояние между иглой и поверхностью образца;
при этом непрерывно контролируют постоянную компоненту туннельного тока и СВЧ мощность сигнала в тракте;
выделяют с помощью спектр-анализатора высшие гармоники сигнала (или комбинационные составляющие, если используются зондирующие сигналы с разными частотами), рабочий диапазон частот определяется в основном физическими размерами используемого резонатора;
при появлении заданного туннельного тока (или заданного изменения величины зондирующего сигнала, или появлении сигнала определенной величины, соответствующей гармонике зондирующей частоты) включают активную систему обратной связи, управляющую величиной туннельного промежутка и автоматически поддерживающую его на заданном уровне;
осуществляют сканирование поверхности объекта игольчатым микрозондом с помощью сканирующей головки, поддерживая величину зазора между микрозондом и исследуемой поверхностью постоянной;
в процессе сканирования в выбранном количестве точек производят измерение величины туннельного тока, зондирующего сигнала, его высших гармоник;
по измеренным данным I(x,y), P_ω(x,y), P_nω(x,y) получают изображения исследуемой поверхности.

Для измерения локальных электрофизических характеристик поверхности во время сканирования:
определяют значение локальной диэлектрической проницаемости исследуемого объекта по изменению амплитудно-частотной характеристики СВЧ-резонатора;
производят измерение диэлектрической проницаемости на разных частотах и по формулам Дебая определяют время диэлектрической релаксации молекулярных диполей;
определяют количество молекулярных диполей в единице объема по данным, полученным из измерения микрорельефа поверхности образца;
фиксируют количественные значения величины зондирующего сигнала и, используя измеренные при сканировании микрообъекта значения основной частоты и полученных гармоник, определяют линейные и нелинейные части молекулярный поляризуемости.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства, где 1 - генератор СВЧ-сигнала, 2 однонаправленный элемент, 3 фильтр нижних частот, отсекающий высшие гармоники сигнала накачки, 4 резонатор, 5, 6 индуктивные петли связи, 7 исследуемый образец, находящийся в емкостном зазоре между иглой и подложкой, 8 пьезосканирующая головка сканирующего туннельного микроскопа, 9 перестраиваемый фильтр, 10 спектр-анализатор, 11 блок управления, 12 усилитель туннельного тока, 13 буферный усилитель для установления туннельного напряжения, 14 управляющая ЭВМ, 15-монитор.

Туннельный промежуток между игольчатым микрозондом и подложкой образуется с помощью электродов емкостного зазора СВЧ-резонатора. Для эффективного согласования игольчатого микрозонда с коаксиальным СВЧ-резонатором последний выбирается таким образом, чтобы центральный электрод имел форму сходящегося конуса, на конце которого вмонтирован игольчатый микрозонд. СВЧ-резонатор представляет собой четвертьволновой отрезок короткозамкнутой линии коаксиального или радиального типа, нагруженный на сосредоточенную емкость, образованную игольчатым микрозондом и подложкой. Резонатор крепится на юстировочном фланце непосредственно или через блокировочную емкость, обеспечивающую замыкание СВЧ-токов. В центре юстировочного фланца смонтирована пьзосканирующая головка СТМ, на верхней плоскости которой находится образец. Зазор между боковой цилиндрической поверхностью образцедержателя и юстировочного фланца представляет собой блокировочную емкость (чтобы она не влияла на резонансные характеристики резонатора, ее величина должна удовлетворять соотношению C_бл≫ 1/ω²L ). При измерениях откликов на частотах, кратных частоте зондирующего "сигнала, необходимо, чтобы резонансный спектр измерительного резонатора был эквидистантен. Только при этом условии измерительная цепь будет обладать достаточной чувствительностью, т. е. и зондирующий сигнал и отклик будут находиться в соответствующих резонансных максимумах. Известно, что в резонансных системах, нагруженных на сосредоточенную емкость и выполненных на отрезках однородных линий, это условие нереализуемо, т.к. резонансный спектр такой системы находится из уравнения
1/ωC₀ = ρtg(kλ),
где ω частота, r волновое сопротивление, k- волновой вектор, l длина волны, C₀ сосредоточенная емкость. Однако при использовании неоднородных линий, т. е. линий, волновое сопротивление которых непостоянно по длине r(x) можно так скорректировать положение резонансных максимумов, чтобы оно отвечало эквидистантному с достаточной точностью.

Методы, позволяющие изучать поляризацию веществ, широко применяются в науке и технике. Они дают информацию о внутреннем строении вещества, о кинетике молекулярных процессов, о взаимодействии вещества с электромагнитным полем. Использование эффектов нелинейной поляризации лежит в основе современных методов активной спектроскопии. Нелинейная спектроскопия достигла значительных успехов в оптическом диапазоне длин волн. Это связано с применением лазерного излучения, которое позволяет достичь высоких напряженностей электромагнитного поля (10¹⁰V/m), так как нелинейные эффекты становятся значительными только при воздействии на вещество сильными полями. Таким образом методы оптической спектоскопии сильно привязаны к лазерным источникам, которые позволяют достичь высокой плотности энергии в области взаимодействия. Представляют практический интерес также традиционные квазистатические и низкочастотные методы измерения с помощью емкостных измерительных ячеек. Эти методы используют постоянные и низкочастотные переменные электрические поля с напряженностью, близкой к пробойному. В остальных частотных диапазонах методы нелинейной спектроскопии практически не используются из-за невозможности создания необходимых плотностей энергии в объеме исследуемого вещества.

С другой стороны, известно, что в рабочем зазоре сканирующего туннельного микроскопа сравнительно легко достигаются напряженности электрического поля 10⁹V/m (если U=1V, а d=10 . Таким образом, включение сканирующей головки туннельного микроскопа в СВЧ-тракт позволяет реализовать методику нелинейной спектроскопии в СВЧ-диапазоне. Особенностью данного метода является исключительная локальность исследования, так как воздействие осуществляется с помощью игольчатого микрозонда с характерным радиусом кривизны около 100 .

Поляризационные нелинейные эффекты описываются с помощью соответствующих коэффициентов нелинейной восприимчивости
p = χ⁽¹⁾E + χ⁽²⁾E²E + χ⁽³⁾E²E + ...
При воздействий на нелинейную среду с помощью гармонического сигнала с амплитудой E₀
E = E₀cosωt
возможны различные нелинейные эффекты (в зависимости от величины соответствующего коэффициента нелинейной восприимчивости). Так, при наличии квадратичной нелинейности появится постоянная поляризация в среде (1/2χ⁽²⁾E²) и сигнал на удвоенной частоте вторая гармоника зондирующего сигнала (1/2χ⁽²⁾E²cos2ωt) При наличии кубической нелинейности появится третья гармоника зондирующего сигнала (1/2χ⁽³⁾E³cos3ωt) и т.д. Каждому из этих сигналов соответствует вполне определенный нелинейный эффект, на этом по-существу и основана методика нелинейной спектроскопии.

Синхронный мониторинг спектра СВЧ-сигналов при фиксировании токового изображения рельефа поверхности при помощи СТМ дает дополнительную информацию об изменении поляризационных свойств микрообъекта непосредственно под микрозондом в процессе сканирования. Построение изображения СВЧ- сигнала совместно с изображением на постоянном туннельном токе дает возможность выделить в нанометровом масштабе диэлектрические, полупроводниковые микрообъекты и дополнительно исследовать их с помощью игольчатого микрозонда. Применение данной методики существенно расширяет возможности сканирующего туннельного микроскопа и позволяет получить информацию не только о рельефе поверхности, но и элементах внутренней структуры (дипольные моменты, времена релаксации, характерные частоты колебательного и вращательного спектров молекул и др.)
Кроме того, использование СВЧ-сигнала в цепи обратной связи микроскопа совместно с постоянной компонентой туннельного тока обеспечит устойчивую работу СТМ при исследовании плохо проводящих микрообъектов, расположенных на проводящей подложке (например, биологические микрообъекты) и расширяет динамический диапазон работы обратной связи.

При реализации предложенного технического решения характеризующая его новая совокупность признаков обеспечивает возможность получения информации о наличии на поверхности туннельно-прозрачных диэлектрических микрообъектов и построение изображения нанорельефа совместно с СТМ изображением; использование радиосигнала в цепи обратной связи совместно или раздельно с постоянной компонентой туннельного тока и построение изображения для повышения устойчивости при работе с плохо проводящими микрообъектами и расширение динамического диапазона работы обратной связи на несколько порядков; кроме того, применение различных зондирующих частот позволит осуществить локальную резонансную высокочастотную спектроскопию диэлектрических и полупроводниковых микрообъектов (с разрешающей способностью порядка 100 ), а также измерить их локальные электрофизические характеристики и получить дополнительные данные о их внутренней структуре.

Использованная литература:
1. J.R.Matey, J.Blanc, J.Appl.Phys. 47,1437 (1985).

Патент N 643397 от 1984 (Швейцария).

Использование: для исследования поверхностных слоев вещества методами СВЧ и сканирующей туннельной спектроскопии. Сущность изобретения: в промежутке между проводящей иглой и поверхностью микрообъекта создают постоянное электрическое поле, регистрируют постоянный туннельный ток, управляют перемещением проводящей иглы над поверхностью микрообъекта и определяют рельеф поверхности микрообъекта. К промежутку между проводящей иглой и поверхностью микрообъекта дополнительно прикладывают сверхвысокочастотное напряжение одной или нескольких частот, регистрируют сверхвысокочастотную компоненту туннельного тока, а управление перемещением проводящей иглы и определение рельефа поверхности осуществляют по величинам постоянного туннельного тока и сверхвысокочастотной компоненты туннельного тока. Устройство содержит подложку для размещения микрообъекта, проводящую иглу туннельного микроскопа, выполненную с возможностью перемещения над поверхностью микрообъекта и сопряженную с блоком управления туннельным микроскопом. Введены сверхвысокочастотный резонатор, снабженный входной и выходной петлями связи, в котором размещена проводящая игла туннельного микроскопа, последовательно соединенные генератор, однонаправленный элемент и фильтр нижних частот, выход которого соединен с входной петлей связи, спектр-анализатор, вход которого соединен с выходом перестраиваемого фильтра, а выход подключен ко входу блока управления туннельного микроскопа. Боковая поверхность центрального электрода выполнена конической или параболической, или экспоненциальной. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ исследования поверхности микрообъектов, заключающийся в том, что в промежутке между проводящей иглой и поверхностью микрообъекта создают постоянное электрическое поле, регистрируют постоянный туннельный ток, управляют перемещением проводящей иглы над поверхностью микрообъекта и определяют рельеф поверхности микрообъекта, отличающийся тем, что к промежутку между проводящей иглой и поверхностью микрообъекта дополнительно прикладывают сверхвысокочастотное напряжение одной или нескольких частот, регистрируют сверхвысокочастотную компоненту туннельного тока, а управление перемещением проводящей иглы и определение рельефа поверхности осуществляют по величинам постоянного туннельного тока и сверхвысокочастотной компоненты туннельного тока. 2. Устройство для исследования поверхности микрообъектов, содержащее подложку для размещения микрообъекта, проводящую иглу туннельного микроскопа, выполненную с возможностью перемещения над поверхностью микрообъекта и сопряженную с блоком управления туннельным микроскопом, отличающееся тем, что введены сверхвысокочастотный резонатор с входной и выходной петлями связи и центральным электродом, на конце которого установлена проводящая игла туннельного микроскопа, последовательно соединенные генератор, однонаправленный элемент и фильтр нижних частот, выход которого соединен с входной петлей связи, а выходная петля связи соединена через перестраиваемый фильтр с входом спектранализатора, выход которого подключен к входу блока управления туннельного микроскопа, при этом боковая поверхность центрального электрода выполнена конической, или параболической, или экспоненциальной.