Соединяя науку и технологии office@sernia.ru
пн-пт 10:00 – 19:00
сб-вс выходные
+7 (495) 204 13 17
8 (800) 301 13 17

Атомно-силовая микроскопия в микроэлектронике

предыдущий следующий
19 Августа 2019
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) относится к группе высокоразрешающих измерительных методов исследования микроструктуры и топографических особенностей материалов, известной под общим названием сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ).

Высокое разрешение АСМ позволяет применять данный метод исследования  для решения большого спектра задач. В частности, АСМ позволяет строить топографические карты поверхностей различных объектов и исследовать физические свойства целого ряда образцов: пористых материалов, тонких пленок и наноструктур.

С помощью АСМ возможна манипуляция атомами: определения типа атома в кристаллической решётке, «отрыв» атомов от поверхности и перемещение вдоль нее, а также измерение сил, необходимых для проведения такой манипуляции (метод АСМ-литографии). Возможно обнаружение единичных атомов или молекул на поверхности при использовании специальных молекул-сенсоров.

АСМ предоставляет беспрецедентные возможности для изучения фрагментации и отслаивания покрытий, визуализации концентраторов напряжений на поверхности изучаемых образцов, изменений шероховатости при вытяжке. Наблюдая вытяжку образца при помощи АСМ, можно проследить за образованием и прорастанием поверхностной трещины как в длину, так и в глубину. Атомно-силовой микроскоп позволяет измерять модуль Юнга, коэффициент Пуассона, шероховатость для малых областей поверхности полимерных пленок, тонких и гибких образцов, получая при этом трехмерное изображение исследуемого объекта.

Особенно эффективно АСМ используется для изучения гетерогенных слоев (исследование нанокластеров, их атомно-молекулярной ориентации). АСМ позволяет также в объеме 100×100×5 мкм изучать распределение электрического потенциала, емкости, адгезионных сил, проводить нанолитографию на различных поверхностях и пленках, измерять с точностью до 10 нм геометрический рельеф поверхности (глубиной до 5 мкм).


1.       Исследование морфологии и физических свойств тонких пленок

В частности, одним из перспективных направлений применения тонких металлических пленок является создание на их основе солнечных модулей, используемых для генерации электрической энергии. В этом случае металлические пленки служат для создания контактных соединений солнечных батарей. Их получают методом осаждения металла из паровой фазы на стеклянной подложке. Тонкие металлические пленки, обладающие рядом уникальных свойств, применяются при изготовлении различных электронных, магнитных и оптических устройств, например барьеров Шотки, монохроматоров, для создания оптических зеркал с коэффициентом отражения 90…95 %, для создания контактных соединений солнечных батарей и др. В связи с этим свойства пленок необходимо тщательно контролировать в процессе производства соответствующих устройств.

2.       Исследование морфологии и физических свойств полимерных пленок.

Широкое применение в различных областях промышленности и разделах современной медицины обусловливает необходимость всестороннего исследования свойств полимерных пленок. Важным применением полимерных пленок является использование диэлектриков на основе полимерных композиций для создания миниатюрных высокомощных электронных схем. При их создании к материалам предъявляется ряд требований, соответствующих критериям микроэлектроники: термальная стабильность, низкое влагопоглощение, высокое напряжение пробоя, низкие потери, высокая температура стеклования и низкая шероховатость поверхности. В обоих случаях исследование профиля и физических свойств полимерных пленок является приоритетной задачей, для решения которой используется несколько методов. Однако именно метод АСМ превалирует над остальными, так как обладает рядом достоинств: высоким разрешением, универсальностью, возможностью 3D-визуализации. Применяя АСМ в полуконтактном режиме, удобно проводить морфологический анализ, наблюдать происходящие процессы и строить изображения поверхности с разрешением 1…5 нм. АСМ является универсальным методом для изучения механических свойств полимерных пленок, так как позволяет получить трехмерное изображение, а следовательно, и информацию о пространственном распределении деформации структуры и данные о микрорельефе поверхности.

 

3.       Изучение поверхностных дефектов материалов.

Еще одним применением АСМ является исследование поверхностных дефектов, которые могут существенно влиять на изоляционное покрытие тонких металлических проводов, способствуя их оксидированию и снижению проводимости. К таким дефектам относятся: отверстия, царапины, пористость и наличие выступов. Следует заметить, что речь идет не только об изоляционных покрытиях проводников. На сегодняшний день однослойные или многослойные структуры применяются в целом ряде областей. Диапазон изоляционных покрытий достаточно велик и включает следующие виды покрытий: карбидные, нитридные, покрытия из керамических сплавов, покрытия из металлокерамики, покрытия из метастабильных материалов и т. д. Для диагностики точечных дефектов, локализованных на поверхности твердого тела, АСМ используется в двух режимах: контактном и бесконтактном (в зависимости от материала образца). АСМ позволяет строить топографические карты и карты распределения высот поверхностных дефектов, включающих капли покрытия, микротрещины и т. д. Для моделирования характеристик поверхностных дефектов и построения линий постоянной силы удобно использовать режим частотной и силовой модуляции АСМ, когда топография образца определяется как разность между постоянной высотой сканирования и амплитудой колебаний кантилевера. В целом можно утверждать, что метод АСМ является универсальным и эффективным средством определения поверхностных дефектов. Единственным недостатком этого метода является малое поле сканирования, существенно ограничивающее производительность измерительной системы. Задача определения поверхностных дефектов является важным этапом технического контроля различных изделий в промышленности.

Метод АСМ широко используется для анализа качества пленок аморфного кремния и контроля элементных соединений в тонкопленочных солнечных модулях (ТПСМ).

4. Топографическое изображение наноструктурированных объектов (структуры и свойств):

АСМ и нанотехнологии. АСМ обеспечивает уникальные возможности для получения качественной и количественной информации по многим физическим характеристикам исследуемого материала, включая размер, морфологию, текстуру и шероховатость поверхности. В связи с этим АСМ широко применяется для решения задач нанометрологии и технического контроля, позволяет осуществлять различные манипуляции с нанообъектами.

На базе АСМ и СТМ был разработан метод сканирующей зондовой литографии или нанолитографии. В соответствии с видами локального взаимодействия зонда с поверхностью выделяют следующие виды зондовой литографии: СТМ литографию, АСМ-анодно-окислительную литографию, АСМ-силовую литографию, электростатическую зарядовую литографию и др. АСМ-силовая литография позволяет модифицировать только топологию поверхности образца. АСМ-анодно-окислительная литография измеряет не только рельеф, но и локальные физические свойства поверхности образца. Так, при подаче напряжения на проводящий АСМ-зонд на поверхности запускается электрохимическая реакция. В настоящее время зондовая литография позволила создать ряд дискретных устройств на основе наноэлектроники в виде отдельных функциональных элементов: МОМ-диод, одноэлектронный транзистор и различные устройства памяти со сверхплотной записью информации.

5. Исследование магнитной и электронной структуры поверхности

Помимо непосредственного исследования структуры поверхности методом контактной АСМ, можно регистрировать силы трения и адгезионные силы. В настоящее время разработаны многопроходные методики, при которых регистрируется не только топография, но и электростатическое или магнитное взаимодействие зонда с образцом. С помощью этих методик удается определять магнитную и электронную структуру поверхности, строить распределения поверхностного потенциала и электрической емкости, и т.д. Для этого используют специальные «кантилеверы» с магнитными или проводящими покрытиями.