Способ исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом Советский патент 1992 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к области сканирующей туннельной микроскопии и может быть использовано для исследования микрорельефа поверхности 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), 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.

Известен способ исследования поверхности твердого тела с помощью СТМ, в котором производится частичная реконструкция реальной поверхности по ее

СТМ изображению с учетом формы иглы, Сканирование исследуемой поверхности в координатах X и Y производят с помощью иглы при постоянном туннельном токе. При этом регистрируются СТМ изображение поверхности в виде совокупности отдельных профилей, полученных при сканировании. Для реконструкции реальной поверхности из СТМ изображения кончик иглы аппроксимируют полусферой заданного радиуса R и восстанавливают нормаль длиной (R+d) в каждой точке СТМ изображения, где d туннельный зазор между иглой и исследуемой поверхностью, имеющий гуэстоянное значение, не превышающее Ш А.

Недостатком известного способа является его применимость только в частном случае, когда микрорельеф поверхности имеет размеры менее 100 А. Только в этом случае можно приблизительно аппроксимиVS XI

то

ровать кончик иглы полусферой. Однако на практике часто встречаются поверхности (дифракционные решетки, имплантированные полупроводники, диски памяти и т.д.), глубина микрорельефа которых составляет 0,01-1 мкм. При этом в формировании СТМ изображения участвует значительно большая часть поверхности иглы. В этом масштабе размеров кончик иглы имеет несферическую форму, как правило близкую к параболоиду вращения, что не позволяет известным способом адекватно реконструировать реальную поверхность по СТМ изображению.

Целью изобретения является повышение точности воспроизведения формы исследуемой поверхности.

Согласно изобретению эта цель достигается тем, что в известном способе исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом, включающем сканирование поверхности иглой при постоянном туннельном токе и регистрацию полученного изображения поверхности - определяют реальный профиль иглы, полученное изображение исследуемой поверхности инвертируют и определяют реальный профиль поверхности путем сканирования инвертированного изображения поверхности изображением иглы, реальный профиль которой зеркально отражен в плоскости,- перпендикулярной направлению сканирования.

Если при сканировании с помощью иглы обеспечивается туннельный контакт со всеми точками исследуемой поверхности, то предлагаемый способ обеспечивает полную реконструкцию реальной поверхности при произвольной форме, иглы, в частности:

а)в случае, когда кончик иглы имеет сферическую форму;

б)в случае несферической иглы, но имеющей симметричную форму;

в)в случае несферической иглы, имеющей к тому же несимметричную форму.

На фиг, 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ.

Выход сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) 1 связан с входом инвертора 2, который через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3 соединен со входом оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 4. Выходы (ОЗУ) 4 и постоя иного запоминающего устройства формы иглы (ПЗУ) 5 соединены с арифметическим логическим устройством (АЛУ) 6, которое в свою очередь через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 7 соединено с графическим терминалом 8.

Рассмотрим конкретный вариант реализации способа с помощью описанного выше устройства для реконструкции поверхности дифракционной решетки.

В СТМ 1 поверхность решетки сканируют в направлении, перпендикулярном штрихам. Электрический сигнал, несущий информацию об исследуемой поверхности,

подают на инвертор 2. Инвертированный сигнал, преобразованный в цифровую форму посредством АЦП 3, запоминается в ОЗУ 4. С помощью электронного микроскопа (на фиг. 1 не показан) определяют реальный

профиль иглы и вводят его в ПЗУ 5.

Далее путем математических операций в АЛУ 6 проводят сканирование инвертированного изображения исследуемой поверхности изображением иглы, реальный профиль которой зеркально отражен в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования. Полученные результаты выводят через ЦАП 7 на графический терминал

8, на котором воспроизводится реконструированная поверхность решетки в виде сово- купности профилей (фиг. 2, где 2а - реальный профиль иглы, полученный с помощью электронного микроскопа; 26 - изображение реальной фазовой дифракционной решетки в виде совокупности профилей; 2в - реконструированное предложенным способом изображение этой решетки).

При сканировании всей поверхности дифракционной решетки в направлении, перпендикулярном ее штрихам, форма отдельных профилей меняется незначитель- но. Это дает основание использовать для трехмерной реконсурукции поверхности только один профиль иглы.

В случае более сложного рельефа поверхности отдельные его профили могут существенно отличаться друг от друга. В этом случае для адекватной трехмерной реконструкции изображения поверхности в ПЗУ вводится полная форма иглы в виде совокупности профилей и осуществляется минимизация между профилями поверхности и соответствующими профилями иглы.

Предложенное техническое решение обеспечивает повышение точности воспроизведения формы исследуемой поверхности при реальной произвольной форме иглы. Если игла ТМ входит в туннельный контакт со всеми точками исследуемой поверхности, предложенное техническое решение обеспечивает полную

реконструкцию реальной поверхности.

Формула изобретения Способ исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом, включающий сканирование поверхности иглой при постоянном туннельном токе и регистрацию полученного изображения поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения формы исследуемой поверхности,

определяют реальный профиль иглы, полученное изображение исследуемой поверхности инвертируют и определяют реальный профиль поверхности путем сканирования инвертированного изображения поверхности изображением иглы, реальный профиль которой зеркально отражен в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования.

Сущность изобретения: проводят сканирование поверхности твердого тела иглой при постоянном туннельном токе. Определяют реальный профиль иглы, полученное изображение поверхности инвертируют и определяют реальный профиль поверхности путем сканирования инвертированного изображения поверхности изображением иглы, реальный профиль которой зеркально отражен в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования. 2 ил.