Создание и 3d-характеризация металлических наноструктур на поверхности полимера с использованием метода динамической силовой литографии и сканирующей силовой микроскопии

На правах рукописи

Пинаев Александр Леонидович СОЗДАНИЕ И 3D-ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИМЕРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ ЛИТОГРАФИИ И СКАНИРУЮЩЕЙ СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ Специальность: 05.11.01 – «Приборы и методы измерения (механические величины)»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Голубок Александр Олегович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Мусалимов Виктор Михайлович кандидат физико-математических наук, Сошников Илья Петрович

Ведущая организация: Институт аналитического приборостроения РАН, г. Санкт-Петербург

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 16:00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.

Отзывы и замечания (в 2 экз.) по автореферату направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д. 49, Ученому секретарю диссертационного совета Автореферат разослан « _ »2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

к.т.н., доцент С. С.Киселев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Последние десятилетия ознаменованы бурным развитием технологий, ориентированных на создание, исследование и применение материалов и объектов с нанометровыми пространственными масштабами в одном(1D), двух(2D) или трех(3D) измерениях. Технологии, по которым создаются наноматериалы и нанообъекты различной природы и разнообразные технические системы на их основе, получили название нанотехнологий (НТ). Наноматериалы и нанообъекты, получаемые с помощью НТ, обладают новыми физико-химическими свойствами, отличными от свойств как макроскопических объемных материалов, так и отдельных атомов и молекул [1]. Например, в металлических или полупроводниковых наноструктурах с пониженной размерностью (2D, 1D или 0D) могут возникать размерные эффекты, обусловленные волновыми свойствами носителей заряда. Наноструктуры с пониженной размерностью лежат в основе различных устройств и систем (лазеры на квантовых точках, сверхпроводящие квантовые интерферометры, кубиты квантовых компьютеров, одноэлектронные транзисторы и т.п.), придавая им новые свойства или улучшая их технические характеристики. Именно благодаря возможностям НТ появились такие научно технические области, как нанофотоника, наноэлектроника, наносенсорика, наномеханика.

Наномодификация поверхности материала (нанолитография [2]) является одним из основных направлений НТ. Отметим, что процесс нанолитографии неразрывно связан с процессом 3D-наноизмерений, поэтому требует адекватного метрологического обеспечения. В современных НТ реализованы различные способы нанолитографии [3], которые можно разделить на пучковые, зондовые и импринтинг [4]. В первом случае с веществом взаимодействуют жесткие ультрафиолетовые или рентгеновские фотоны, электроны или ионы. В настоящее время наиболее широко распространены пучковые методы, позволяющие создавать разнообразные наноструктуры из различных материалов. Например, в работе [5] с помощью электронной литографии созданы упорядоченные нитевидные GaAs нанокристаллы, представляющие особый интерес для оптоэлектроники, сенсорики и т. п. В зондовой нанолитографии наномодификация поверхности осуществляется острым твердотельным зондом сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), при этом появляется возможность совмещать процесс литографии с диагностикой создаваемых наноструктур. Этот метод получил название сканирующая зондовая литография (СЗЛ). В основе наноимпринтинга лежит метод создания отпечатков наноматриц на поверхности исходной подложки. Следует отметить, что создание с помощью нанолитографии разнообразных наноструктур стимулирует развитие новых подходов к анализу и характеризации их топологии [6, 7].

Метод динамической силовой литографии (ДСЛ), являясь разновидностью СЗЛ, предоставляет уникальные возможности создания наноструктур на поверхности различных материалов с помощью достаточно простых и относительно недорогих инструментальных средств. Модификация поверхности полимера покрытого тонкой металлической пленкой, с использованием метода ДСЛ с одновременными 3D измерениями топографии открывает новые возможности создания наноструктур, представляющих интерес для нанофотоники, наноэлектроники, наносенсорики.

Цель диссертационной работы: развитие метода ДСЛ для создания проводящих наноструктур на поверхности полимера с одновременными 3D измерениями их геометрических параметров с нанометровым пространственным разрешением;

исследование режима ДСЛ в СЗМ с пьезорезонансным зондовым датчиком с вольфрамовым (W) нанозондом для определения оптимальных параметров единого процесса «модификация-измерение»;

определение метрологических возможностей СЗМ «NanoEducator» в режиме ДСЛ в системе «металл-полимер».

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

разработать математическую модель ДСЛ, адаптированную к СЗМ «NanoEducator» с пьезорезонансным датчиком силового взаимодействия, включая модель продольного сжатия W зонда;

создать экспериментальную установку на базе СЗМ «NanoEducator» для реализации и исследования режима ДСЛ и измерить ее характеристики, необходимые для проведения расчетов в рамках разработанной модели;

провести математическое моделирование процесса ДСЛ в рамках разработанной модели, проанализировать результаты моделирования с целью оптимизации режима ДСЛ;

разработать методы изготовления и измерения геометрических параметров W нанозондов, теоретически оценить и экспериментально определить критический угол заточки и радиус закругления W нанозондов, обеспечивающих устойчивую работу СЗМ в режиме ДСЛ;

разработать методы изготовления исходных образцов для ДСЛ, в виде поликарбонатных подложек, покрытых тонким слоем (~ 20 нм) Au;

разработать методы формирования на поверхности поликарбонатной подложки проводящих Au наноструктур с различной геометрией, используя СЗМ «NanoEducator»;

провести линеаризацию и калибровку сканера СЗМ для обеспечения нанометровой точности при 3D-измерениях, определить метрологические характеристики пьезосканера (точность перемещения, линейность, ортогональность);

экспериментально определить пространственное разрешение метода и оптимальные по пространственному разрешению и скорости сканирования параметры режима ДСЛ в СЗМ «NanoEducator»;

создать наноструктуры заданной формы и провести 3D-измерения полученных наноструктур различными методами.

Основные положения, выносимые на защиту:

пьезорезонансный зондовый датчик на основе пьезокерамической трубки с W нанозондом позволяет поддерживать устойчивый режим ДСЛ, обеспечивая создание металлических наноструктур различной геометрии (кольца, меандры, двумерные упорядоченные решетки и т.п.) на поверхности поликарбонатных подложек с одновременным проведением 3D-измерений их топографии с нанометровой точностью;

пространственное разрешение ДСЛ ограничено радиусом острия нанозонда.

При радиусе электрохимически заточенных W игл 50 100 нм пространственное разрешение достигает соизмеримой величины;

в рамках одномерной упругой модели возможно определить условия устойчивости W зонда при действии сжимающей силы, а также оценить давление в области контакта зондобразец в зависимости от радиуса зонда, амплитуды и длительности управляющего импульса (в частности при радиусе нанозонда ~100 нм, амплитуде управляющего импульса ~0.3 В и длительности ~5 мкс давление составляет ~1 ГПа);

угол конуса острия нанозонда является основным фактором, определяющим механическую устойчивость зонда в процессе ДСЛ. При фиксированных параметрах ДСЛ, критическое давление пропорционально квадрату тангенса угла конуса острия;

используя СЗМ «NanoEducator» в режиме ДСЛ можно создавать и измерять геометрические параметры двумерных дифракционных решеток с пространственным периодом до ~100 нм, а также тонкопленочные 1020 нм проводящие наноструктуры, с минимальным латеральным размером 50100 нм. При низких температурах в подобных наноструктурах могут проявляться эффекты размерного квантования.

Методы исследования. Для получения теоретических данных использовались методы математического моделирования. При изготовлении образцов использовался метод магнетронного напыления. В качестве подложки использовались пластины поликарбоната марки РС-075. Зонды СЗМ изготавливались методом электрохимического травления, а также с использованием метода фокусированного ионного пучка (ФИП). Модификация поверхности образца проводилась методом ДСЛ. При исследовании полученных наноструктур использовались методы СЗМ, электронной и конфокальной микроскопии.

Для линеаризации и калибровки сканера СЗМ использовались эталоны сравнения – меры малой длины.

Научная новизна:

1. Впервые построена качественная и количественная механическая модель ДСЛ для СЗМ с пьезорезонансным датчиком силового взаимодействия с металлическим нанозондом, в том числе изготовленным из вольфрамовой проволоки.

2. На основе полученной модели проведена численная оценка механического давления в области наноконтакта зонда с поверхностью исходной подложки в зависимости от параметров управляющего импульса, а также оценка критического давления, приводящего к потере формы зонда, оказывающие критическое влияние на метрологические характеристики метода.

3. Впервые для создания проводящих наноструктур методом ДСЛ использованы полимерные подложки, покрытые тонким слоем металла.

Достоверность научных результатов, полученных в работе, обеспечивается строгостью постановки задач и применяемых математических методов, применением различных альтернативных методов диагностики создаваемых наноструктур, статистической обработкой полученных результатов, согласием расчетных и экспериментальных данных.

Работа выполнялась с использованием современного оборудования НОЦ в направлении нанотехнологий НИУ ИТМО. Обработка данных проводилась на базе кафедры Нанотехнологий и материаловедения НИУ ИТМО.

Практическая ценность работы обусловлена разработкой относительно простого и недорогого метода создания дифракционных решеток с пространственным периодом до ~100 нм с площадью ~100100 мкм, а также проводящих наноструктур различной геометрии, представляющих интерес при создании элементов и устройств нанофотоники, наноэлектроники, наносенсорики.

Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на IVVIII Всероссийских научных конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, 20072011), на ХХХVIII, ХХХIХ и ХL научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт Петербург, 20092011).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 6 работ в журналах, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (79 наименований). Основной текст работы изложен на 111 страницах, включает в себя 2 таблицы и 75 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении отмечена актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, указаны основные положения, выносимые на защиту. Приведена краткая характеристика работы.

В первой главе представлены общие сведения о сканирующей зондовой микроскопии, рассмотрено ее место в современных нанотехнологиях. В первой части главы изложена история открытия СЗМ. Рассмотрены физические основы СЗМ с акцентом на два важнейших направления: сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и атомно-силовую микроскопию (АСМ). Описаны основные компоненты сканирующего зондового микроскопа и принцип его работы. Достаточно подробно рассмотрены основные инструментальные узлы микроскопа, включая пьезокерамические движители, используемые для прецизионного позиционирования зонда или образца. Также рассмотрены различные типы СЗМ-датчиков, используемых для детектирования локального взаимодействия между зондом и образцом. Рассмотрен общий подход к организации аппаратно-програмных средств СЗМ.

Вторая часть главы посвящена сканирующей зондовой литографии (СЗЛ).

Приведен обзор методов СЗЛ в зависимости от вида физического и химического локального воздействия нанозонда на поверхность образца. Выделены четыре основных метода СЗЛ:

1) токовая литография, 2) силовая литография, 3) локальное анодирование, 4) ближнепольная оптическая литография.

На основе анализа литературных данных определен предмет исследования и сформулирована цель работы. Предметом исследования явилась разновидность методики силовой литографии – динамическая силовая литография (ДСЛ), в основе которой лежит динамический механический контакт заостренной металлической иглы с плоской поверхностью образца [8]. Целью исследования было развитие метода ДСЛ с использованием пьезорезонансного зондового датчика, ориентированного на создание металлических наноструктур, в том числе наноструктур с пониженной размерностью. Сформулированы основные задачи, решение которых позволит достичь поставленной цели.

Во второй главе приведена и подробно описана схема экспериментальной установки (рис. 1), представлена конструкция основных блоков установки, подробно описаны их устройства и функций. Описаны установки для изготовления и контроля СЗМ-зондов и образцов.

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки. 1 система сближения датчика с образцом;

2 пьезокерамический датчик;

3 вольфрамовый зонд;

модифицируемый образец или тест- образец;

5 3D пьезосканер;

6 измерительная головка СЗМ «NanoEducator»;

7 электронный блок управления измерительной головкой;

8 персональный компьютер с ПО Solver Nova Tech;

9 оптический микроскоп «Optem»;

10 осциллограф;

11 антивибрационный стол «Table Stable TS - 150»;

12 монитор оптического микроскопа В качестве исходных образцов для создания металлических наноструктур предложены тонкие (~20 нм) Au пленки, нанесенные методом магнетронного напыления на поверхность подложки из поликарбоната. Основная идея заключалась в том, чтобы, модифицируя острым вольфрамовым зондом тонкое золотое покрытие в режиме ДСЛ, попытаться прорезать его насквозь, не затупив вершину зонда об исходную подложку. Для этого в качестве материала исходной подложки был выбран полимер (поликарбонат), имеющий меньшую механическую твердость по сравнению с твердостью металлического зонда (W) Предполагалось исследовать возможности метода ДСЛ при создании проводящих металлических наноструктур на поверхности диэлектрической полимерной подложки.

Также во второй главе проведен качественный анализ процесса ДСЛ, демонстрирующий зависимость наномодификации поверхности образца от множества экспериментальных параметров системы, среди которых:

- предел пластической деформации зонда и образца;

- модуль Юнга и коэффициент Пуассона зонда и образца;

- амплитуда и длительность управляющего импульса электрического напряжения, чувствительность сканера;

- эффективная масса, коэффициент трения, резонансная частота, жесткость и добротность колебательной системы сканера с образцом;

- эффективная масса, коэффициент трения, резонансная частота, жесткость и добротность колебательной системы зонда;

- амплитуда резонансных колебаний зонда и амплитуда вынуждающей силы, приложенной к зонду;

- расстояние между равновесными положениями зонда и образца;

- амплитуда и ускорение перемещения образца;

- радиус зонда и локальное давление в зоне контакта;

- форма зонда и критическая сила, при которой зонд теряет устойчивость при продольном сжатии;

- время затухания колебаний (переколебаний) образца после окончания действия управляющего импульса напряжения;

- скорость сканирования и время задержки между остановкой сканирования в момент механического воздействия и началом сканирования для перехода в другую координату;

- постоянная времени следящей системы (СС).

В третьей главе представлена математическая модель режима ДСЛ в СЗМ «NanoEducator» [8]. В процессе ДСЛ в заранее заданных координатах на поверхности образца к пьезосканеру прикладывается прямоугольный импульс управляющего электрического напряжения. В результате происходит резкое выдвижение сканера с образцом по направлению к осциллирующему на резонансной частоте зонду.

Поведение зонда и образца при ДСЛ описывается одномерными уравнениями движения в упругом приближении. При этом в уравнения движения в качестве параметров осцилляторов, связанных со сканером и зондом, подставляются параметры СЗМ «NanoEducator», которые определяются экспериментально.

m p &&p; = p z p k p z p + f 0 p cos( t ) + f g ( z s z p h ), z & ms &&s; = s z s k s ( z s U (t )) z & где zp и zs – смещение от положения равновесия зонда и сканера с образцом соответственно;

mp, p, kp – эффективная масса, коэффициент трения и жесткость колебательной системы зонда;

fg - сила упругого взаимодействия между зондом и образцом;

f0p, – амплитуда и частота вынуждающей силы, приложенной к зонду;

h – расстояние между равновесными положениями зонда и образца на сканере, и ms, s, ks – эффективная масса, коэффициент трения и жесткость колебательной системы сканера с образцом;

U(t) – управляющее напряжение, приложенное к пьезоэлементу сканера, – чувствительность пьезосканера.

В третьей главе также рассмотрена задача об устойчивости зонда под действием продольного сжатия в зависимости от его геометрических параметров. При этом форма зонда (рис.2а) моделируется формой усеченного конуса (рис. 2б).

Уравнение, описывающее изгиб стержня переменного сечения (рис.2б), имеет вид [9]:

d 2 d d I ( x) 2 + F 2 =0, E2 dx dx dx где - поперечное смещение оси стержня, x продольная координата, E модуль Юнга вещества стержня, F продольная сила, сжимающая стержень, I(x) момент инерции поперечного сечения стержня.

Рис. 2. РЭМ-изображение зонда (а) и модель зонда, используемая при расчете критического сжатия зонда (б) Для стержня, закрепленного по концам, граничные условия к этому уравнению имеют вид:

d = 0, = 0, dx x =0, L x =0, L где L длина стержня.

В случае конического стержня кругового сечения, имеем R 4 ( x ) x, R ( x ) = R0 + ( R1 R0 ) I ( x) =, L где R(x) – радиус стержня в зависимости от продольной координаты, R0 и R1 - радиус стержня при X=0 и X=L, соответственно (рис. 2б) R Для длинного стержня, при R1 R0, tg. Тогда в рамках модели Герца, L описывающей упругий контакт двух поверхностей, для критического продольного напряжения справедливо соотношение [10]:

2 ER Fкр tg 2, Pкр ( z s ) = = 2Rzs 8zs где zs - глубина погружения зонда в образец.

При давлении в области контакта зонда с образцом РРкр стержень теряет устойчивость и изгибается, переходя к новому устойчивому состоянию, т.е. при острых (малых) углах конуса острия значение Ркр квадратично убывает с уменьшением угла (между осью и образующей конуса).

Очевидно, что в области контакта для механического давления Р должно выполняться условие:

Pp P Ps, где Pp, Ps – предел пластической деформации зонда и образца соответственно.

При P Ps силы воздействия будет недостаточно для модификации поверхности образца, в то время как при P Pp произойдет пластическая деформация вершины зонда, что приведет к уменьшению давления в области контакта, а также ухудшению пространственного разрешения метода.

Кроме того, для исключения необратимого изгиба зонда необходимо обеспечить его устойчивость при продольном сжатии. В процессе ДСЛ должно выполняться условие:

РРкр, В третьей главе представлены результаты компьютерного моделирования процесса ДСЛ. При этом, ряд параметров, необходимых для выполнения численных расчетов, определялся экспериментально. Равновесное расстояние между зондом и образцом определялось из кривой подвода(зависимость амплитуды переменного напряжения на зондовом датчике от изменения зазора между зондом и образцом) (рис.3).

Рис. 3. Кривая подвода: A – амплитуда напряжения на пьезорезонансном зондовом датчике при взаимодействии зонда с образцом, Amax – амплитуда напряжения на пьезорезонансном зондовом датчике в отсутствии взаимодействия вдали от образца;

Z – изменение координаты сканера Значения резонансныех частот (f) и добротностей (Q) зонда и сканера определялись из соответствующих резонансных кривых (рис.4).

Рис. 4. Резонансные кривые зондового датчика (а) и сканера (б) Радиус зонда и угол заточки определялись из электронно-микроскопических изображений зонда (рис. 2a). Масса зонда и образца определялась путем прямого взвешивания. Модули Юнга и пределы пластической деформации материалов выбирались из известных справочных данных. Расчеты, выполненные для СЗМ «NanoEducator» показали, что существуют оптимальные параметры процесса ДСЛ, при которых имеет место устойчивое прорезание Au пленки W нанозондом на глубину ~100 нм (рис. 5).

Рис. 5. Результаты моделирования процесса ДСЛ в рамках одномерной упругой модели с использованием зонда с радиусом 100 нм:

a) смещение зонда (zp) и образца (zs) под действием импульса управляющего напряжения с амплитудой U = 4.28 В и длительностью = 200 мкс;

б) значения давления в области контакта (P), критического давление потери устойчивости зонда (Pкр), механического напряжения пластической деформации образца (Pp) и зонда (Ps);

U = 4.28 В, = 200 мкс;

в) U = 2.5 В, = 200 мкс;

г) U = 0.3 В, = 6 мкс Следует иметь в виду, что рассмотренная одномерная упругая модель ДСЛ, указывая на существование оптимального режима, дает лишь достаточно грубую картину процесса динамической силовой модификации поверхности металла. Модель не учитывает эффекты пластической деформации образца и предполагает, что время быстродействия СС много больше длительности управляющего импульса. Поэтому полученные численные результаты имеют качественный или полуколичественный характер. Основной целью выполненных численных расчетов была грубая оценка оптимальных длительности и амплитуды управляющих импульсов при фиксированных остальных параметрах ДСЛ. Поэтому определение истинных оптимальных параметров ДСЛ, обеспечивающих устойчивое и воспроизводимое создание металлических наноструктур на поверхности полимера, остается за реальным экспериментом.

В четвертой главе представлены экспериментальные результаты.

Для обеспечения высокой точности измерения геометрических размеров нанообъектов проводились линеаризация и калибровка сканера СЗМ «NanoEducator» в трех измерениях. Для этой цели использовались аттестованные меры малой длины.

Для лианиризации и калибровки перемещения сканера в плоскости (X,Y) использовались периодические одномерные и двумерные структуры на поверхности кремния с известным периодом T=(3.00±0.05) мкм (решетки TGG, TGX). Для калибровки сканера по оси Z использовались кремниевые структуры в виде ступенек с известной высотой h=(19±1) нм (TGZ). На рис. 6 представлены СЗМ-изображения тестовых решетк, полученные до (а) и после (б) линеаризации и калибровки сканера.

Процедура линеаризации и калибровки обеспечивала отклонение от линейности при сканировании в пределах 5 % и отклонение от ортогональности от осей (X,Y) в пределах 1°. Для определения чувствительности сканера по осям (X,Y) и отклонения от ортогональности использовались как прямая обработка СЗМ-изображений, так и фурье-анализ.

Рис. 6. СЗМ-изображения тестовых решеток до (а) и после (б) линеаризации и калибровки СЗМ «NanoEducator» Вначале были проведены эксперименты по ДСЛ модификации поверхности исходной поликарбонатной подложки без металлического покрытия (Рис. 7).

Также исследовалась устойчивость зондов. На рис.8.

представлены РЭМ изображения зондов, полученные до и после процесса ДСЛ. Видно, что при малых углах конуса острия наблюдается их необратимая деформация. При углах около и более 30° W-зонды Рис 7. СЗМ-изображение наноструктур, полученных демонстрировали устойчивое методом ДСЛ на поверхности исходной поведение в процессе ДСЛ.

поликарбонатной подложки. Амплитуда Исследовалась зависимость от управляющего импульса U =1.43 В, длительность амплитуды (U) и длительности управляющего импульса =100мкс () управляющего импульса геометрических параметров наноструктур (диаметр углубления D и глубина h), образующихся при периодической точечной модификации поверхности Au пленки, нанесенной на поликарбонатную подложку.

В таблице 1 представлены средние значения этих геометрических параметров и их погрешности, полученные при 30ти периодических актах ДСЛ, выполненных в равноотстоящих друг от друга точках на поверхности тонкой (~ 20 нм) Au пленки.

Рис. 8. РЭМ-изображения зондов:

а) – до процесса ДСЛ, угол при вершине зонда = 8.9 град., диаметр закругления при вершине зонда d=140 нм;

б) – до процесса ДСЛ, = 29.9град., d=240 нм;

в) зонд (а) после процесса ДСЛ;

г) зонд (б) после процесса ДСЛ Таблица U, В при =100мкс, мкс при U=3.57В Пара метры 2.14 2.85 3.57 3.85 4.28 4.71 80 120 150 Dср 228 266 267 246 283 304 199 259 296 ±15 ±23 ±25 ±25 ±34 ±29 ±19 ±21 ±25 ± hср 30±4 34±5 56±5 52±5 48±3 44±4 35±5 46±5 54±6 67± Средний диаметр D и средняя глубина h наноструктур, образованных в результате периодических актов ДСЛ, выполненных в равноотстоящих друг от друга 30-ти точках на поверхности Au пленки толщиной 20 нм, нанесенной на поликарбонатную подложку в зависимости от амплитуды (U) и длительности ( ) управляющего импульса На рис. 9 приведено типичное СЗМ-изображение (и соответствующее поперечное сечение) наноструктуры, получаемой в результате точечных периодических актов ДСЛ на поверхности Au пленки. На рис. 10 представлено РЭМ изображение этой наноструктуры. Видно, что СЗМ и РЭМ изображения хорошо согласуются между собой.

Рис.9. СЗМ изображение двумерной решетки, созданной методом ДСЛ в тонкой (20 нм) Au пленки, напыленной на поликарбонатную подложку (а) и поперечное сечение области модификации, выполненное вдоль линии АВ (б). Амплитуда управляющего импульса U =3.57В, длительность управляющего импульса =150мкс Рис.10. РЭМ-изображение структуры, СЗМ изображение которой приведено на рис. С целью улучшения пространственного разрешения ДСЛ с использованием технологии фокусированного ионного пучка (ФИП) был изготовлен зонд специальной формы, имеющий малый радиус и устойчивую по отношению к продольному сжатию геометрическую форму (рис.11).

Средний диаметр области модификации в данном случае составляет ~100 нм, а глубина ~25 нм (Рис. 12). Также была исследована возможность создания непрерывных линий на поверхности образца. Для этого расстояние между точками на поверхности образца, в которых осуществлялся акт ДСЛ, выбиралось равным или меньшим, чем диаметр используемого зонда. На рис. 13а,б представлены СЗМ изображения Рис 11. РЭМ изображение W зонда, наноструктур в виде модифицированного с помощью ФИП технологии.

непрерывных линий (каналов) различной ширины, разрезающих Au пленку на поверхности поликарбонатной подложки. На рис 13 в показано горизонтальное поперечное сечение данного изображения. При этом широкие полосы (каналы) создавались путем последовательного создания близко расположенных узких полос (каналов) в металлическом покрытии. Следует отметить, что при создании широких полос (каналов) имеет место перемещение материала покрытия с одних участков подложки на другие участки. Иными словами, широкие полосы (углубления), создаваемые методом ДСЛ, могут быть загрязнены остатками материала металлического покрытия.

Рис 12. СЗМ-изображение периодической наноструктуры, полученной методом точечной ДСЛ с использованием зонда, модифицированного с помощью ФИП технологии (а) и увеличенный фрагмент этого изображения (б) U =2.14В, =100мкс Рис 13. СЗМ-изображения наноструктур в виде непрерывных узких и широких полос (каналов) полученных методом ДСЛ на поверхности Au пленки. а- вид сверху, б-3D - вид Для ответа на вопрос о прорезании металлической пленки в процессе ДСЛ по всей длине и глубине реза был поставлен отдельный эксперимент. Методом ДСЛ выполнялся поперечный разрез металлической полоски шириной около 50 мкм при одновременном измерении ее электрического Рис 13 в. Горизонтальное сечение СЗМ сопротивления.

изображения полос (каналов) созданных методом ДСЛ на поверхности Au пленки Электрическая схема (рис. 14) толщиной 20 нм.

представляла собой делитель напряжения, в которой Rизм – измеряемое сопротивление полоски, Rк – контрольное переменное сопротивление. В начале эксперимента измерялось исходное сопротивление металлической полоски Rизм и устанавливалось Rк приблизительно равное Rизм. Затем металлическая полоска отключалась от измерительной цепи и измерялась вольт-амперная характеристика (ВАХ) цепи. Прямая 3 на рис. соответствует отключению от цепи измерительного сопротивления, т.е. полному прорезанию проводящей полоски. В процессе выполнения поперечного разреза тонкой (20 нм) Au пленки шириной ~ 50 мкм наблюдался постепенный переход от прямой 1 к прямой 3 (рис. 15), что указывает на возможность полного прорезания металлического покрытия с помощью метода ДСЛ.

.

Рис 14. Электрическая схема эксперимента по определению полноты прорезания Au пленки методом ДСЛ.

В реальных экспериментах по созданию функциональных наноструктур оптимизация режима ДСЛ проводилась путем экспериментального подбора амплитуды и длительности управляющего импульса, постоянной времени СС и скорости сканирования.

С помощью описанной выше методики были созданы и визуализированы проводящие наноструктуры различной Рис 15. Вольт-амперные геометрии на непроводящих характеристики, измеренные на диэлектрических подложках, такие как различных стадиях прорезания проводящие кольца, проводящие меандровые тонкой Au пленки методом ДСЛ : структуры, двумерные периодические 1- исходное состояние, 2 – в решетки.

процессе прорезания, 3 – состояние На рис. 16 а, б, в представлены СЗМ полного прорезания по всей длине изображения и поперечные сечения и глубине реза. проводящих колец различного диаметра, полученные методом ДСЛ. Видно, что ширина линии реза соизмерима с диаметром используемого W-зонда (~ 200 нм), а глубина линии реза слегка превышает толщину металлической пленки. Минимальный внешний диаметр кольца имеет величину ~ 500 нм при внутреннем диаметре ~ 200 нм.

Вообще говоря, поскольку латеральное пространственное разрешение при СЗМ визуализации определяется радиусом используемого зонда, реальная ширина линии реза может быть и менее 200 нм и для уточнения ее размера следует использовать более острый зонд в виде кремниевого кантилевера. Поскольку ширина линии реза соизмерима с диаметром используемого зонда, а глубина незначительно превышает толщину металлического слоя, нанесенного на поверхность поликарбонатной подложки, можно сделать вывод о том, что конус зонда проникает в Рис. 16. СЗМ-изображения (слева) колец с внешним приповерхностный слой на диаметром 4000 нм (а), 900 нм (б) и 500 нм (в), оптимальную глубину, вырезанных методом ДСЛ в тонкой Au (20 нм) обусловленную оптимальностью пленке, напыленной на поликарбонатную выбранных параметров ДСЛ.

подложку. Справа представлены поперечные Отметим, что при низких сечения структур, проведенные вдоль линий АВ, температурах в созданных таким показанных на СЗМ изображениях. образом нанометровых проводящих кольцах могут иметь место размерные эффекты, а проводящие кольца могут выступать в качестве интерферометров электронных волн [11].

На рис. 17 представлена проводящая структура в виде меандра. Минимальный латеральный размер структуры в этом случае также определяется размером используемого зонда. Отметим, что предложенная методика дает простой способ создания криволинейных одномерных наноструктур, интерес к которым связан с возможностью управления электронными свойствами материала путем изменения их «криволинейной» геометрии. Также отметим, что меандровая наноструктура рассматривается как вариант реализации кубитов квантовых компьютеров [12].

На рис. 18 представлено СЗМ-изображение и поперечное сечение фрагмента двумерной решетки, общая площадь которой составляла 7070 мкм. Данное изображение имеет более высокое пространственное разрешение по сравнению с изображениями, представленными выше, поскольку оно получено в СЗМ «ИНТЕГРА» с использованием кремниевого кантилевера с радиусом ~10 нм. Период решетки d равен 390 нм вдоль направления АВ и 490 вдоль направления, перпендикулярного к АВ. Хорошо видна зернистая структура Au покрытия. Диаметр периодически расположенных «проколов» в Au пленке (участков с удаленным металлическим покрытием) имеет величину ~ 00 нм при глубине ~40 нм. Результаты находятся в согласии с данными, полученными при визуализации этого же образца в РЭМ и конфокальном оптическом микроскопах. Отметим, что созданная структура фактически представляет собой структуру с периодически изменяющимся в пространстве коэффициентом отражения света.

Пространственный масштаб структуры характерен для периодических оптических структур, используемых при создании фотонных кристаллов. Было исследовано отражение белого света поверхностью изготовленного Рис. 17. СЗМ-изображения (слева) образца. В работающем на наноструктур в форме меандра, вырезанных отражение оптическом методом ДСЛ в тонкой (20 нм) Au пленке, микроскопе напыленной на поликарбонатную подложку.

модифицированный участок Справа представлены поперечные сечения, Au пленки с площадью проведенные вдоль линий АВ, показанных на нм выглядел как зеленый СЗМ изображениях. Ширина проводящих квадрат на золотом фоне при полосок изменяется от 1.2 мкм (а) до 200 нм (в) угле падения = 45°, что согласуется с дифракционным условием для зеленого света при периоде дифракционной решетки 390 нм. Т.е.

модифицированный методом ДСЛ участок Au пленки на полимерной подложке работает как дифракционная решетка, осуществляющая, как известно, спектральное разложение белого света.

Рис. 18. СЗМ изображение двумерной решетки, созданной методом ДСЛ в Au пленке толщиной 20 нм, напыленной на поликарбонатную подложку (а), поперечное сечение, выполненное вдоль линии АВ(б) Заключение В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

- разработана математическая модель ДСЛ, адаптированная к СЗМ «NanoEducator» с пьезорезонансным датчиком силового взаимодействия, включая модель продольного сжатия металлического зонда;

- создана экспериментальная установка, включающая в себя СЗМ «NanoEducator» с системой активной виброзащиты, длиннофокусный оптический видеомикроскоп с разрешением 3 мкм, установку для изготовления W зондов, установку для изготовления образцов, стенд для измерения вольт-амперных характеристик создаваемых наноструктур;

- разработана методика линеаризации и калибровки сканера СЗМ «NanoEducator» с использованием тест-объектов (мер малой длины);

- разработана методика изготовления зондов и образцов;

- проведены измерения параметров физических величин, использующихся в математической модели: резонансная частота и добротность сканера, чувствитель сканера по оси Z, резонансная частота и добротность зондового датчика, равновесное расстояние между зондом и образцом, масса столика с образцом и масса зонда, радиус зонда, угол при вершине зонда;

- в рамках разработанной модели проведено математическое моделирование процесса ДСЛ, определены параметры, обеспечивающие устойчивую работу СЗМ «NanoEducator» в режиме ДСЛ;

- экспериментально определены оптимальные по пространственному разрешению и скорости сканирования параметры режима ДСЛ в СЗМ «NanoEducator» (амплитуда и длительность управляющего импульса, радиус и угол при вершине W острия, скорость сканирования, коэффициент усиления в петле обратной связи);

-проведены эксперименты по наномодификации тонкой Au пленки на поверхности поликарбоната с одновременной визуализацией и измерением геометрических параметров создаваемых наноструктур;

- созданы и измерены (в том числе с использованием оптического конфокального и электронного микроскопов) геометрические параметры проводящих наноструктур в виде полос, колец, меандров;

- созданы двумерные дифракционные решетки на отражение с площадью ~ мкм с периодом ~350 нм.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных изданиях:

1. Стовпяга А.В., Пинаев А.Л., Голубок А.О. Исследование нанозонда для модификации поверхности полимера методом динамической силовой литографии // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 58. 2008.

С. 2. Голубок А.О., Левичев В.В., Пинаев А.Л., Стовпяга А.В. Исследвоание пьезорезонансного датчика локального силового взаимодействия сканирующего зондового микроскопа с зондом в виде микропипетки // Научно технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 61. 2009. С. 3. Пинаев А.Л., Стовпяга А.В. Исследование режима динамической силовой литографии в системе «металл-полимер» // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 64. 2009. С. 70- 4. Пинаев А. Л., Голубок А.О. Микро- и наномодификация металлического слоя на полимерной подложке в режиме динамической силовой литографии // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 68. 2010.

С. 67-73.

5. Голубок А. О., Пинаев А. Л., Чивилихин Д. С., Чивилихин С. А.. Динамическая силовая литография на тонких металлических пленках в сканирующем зондовом микроскопе с пьезорезонансным датчиком локального взаимодействия // Научное приборостроение. 2011. Т. 21, №1. С. 31-43.

6. Голубок А.О., Пинаев А.Л., Феклистов А.А., Чивилихин С.А. Об устойчивости вольфрамовых зондов при функционировании сканирующего зондового микроскопа в режимах динамической силовой литографии и наноиндентирования // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск 74. 2011. С. 91- Список цитированной литературы:

1. Пул Ч., Оуэнс Ф.. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2006.

2. Моро У. Микролитография. М., Мир, 1990.

3. Handbook of Microlithography, Micromachining, and Microfabrication/ Ed. by P.

Rai-Choudhury. (Washington: SPIE Optical Engineering Press, 1997) V.1.

4. Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Копьев П.С, Панов В.И., Полторацкий Э.А., Сибельдин Н.Н., Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологии// Микросистемная техника. 2003. № 8. С. 313.

5. Сошников И.П., Афанасьев Д.Е., Цырлин Г.Э., Петров В.А., Танклевская Е.М., Самсоненко Ю.Б., Буравлев А.Д., Хребтов А.И., Устинов В.М. Формирование упорядоченных нитевидных нанокристаллов GaAs с помощью электронной литографии// Физика и техника полупроводников, 2011, Т 45, вып. 6. С.

6. Коваленко П.П., Мусалимов В. М. Прямая и обратная задачи паттернизации сигналов и изображений // Известия вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 1, С. 3845.

7. Мусалимов В. М. Двойственность наноструктур // Девятая сессия международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов». Сборник трудов. СПб.:

ИПМАШ РАН, 2009.

8. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера, 2006.

160 с.

9. Быков В.А., Васильев В.Н., Голубок А.О. Учебно-исследовательская мини лаборатория по нанотехнологии на базе сканирующего зондового микроскопа NanoEducator// Российские нанотехнологии. 2009. № 5–6.

10. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.VII. Теория упругости. М.:

Наука, 1987. 248 c.

11. Магарилл Л.И,. Чаплик А.В, Энтин М.В. Спектр и кинетика электронов в криволинейных наноструктурах// Успехи физических наук. 2005. Т. 175, № 9.

С. 9951000.

12. Воронов В.К., Подоплелов А.В., Современная физика: Конденсированное состояние: Учебное пособие. М.: Изд. ЛКИ, 2008. 336 с.