Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента
Представлены экспериментальные результаты применения сканирующего зондового микроскопа для механической обработки поверхности с нанометровой разрешающей способностью. Особенностями прибора являются острие из легированного бором монокристалла алмаза и электромагнитная система измерения нановзаимодейс...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Schriftenreihe: | Сверхтвердые материалы |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63425 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента / О.Г. Лысенко // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 6. — С. 40-46. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-63425 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-634252025-02-23T17:05:29Z Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента Лысенко, О.Г. Получение, структура, свойства Представлены экспериментальные результаты применения сканирующего зондового микроскопа для механической обработки поверхности с нанометровой разрешающей способностью. Особенностями прибора являются острие из легированного бором монокристалла алмаза и электромагнитная система измерения нановзаимодействия между острием и поверхностью образца. Продемонстрированы трехмерные изображения поверхности золота и кремния после операций наноочистки и наноцарапания. Обсуждены возможности использования алмазного наноинструмента для изготовления элементов наноэлектроники. Автор выражает благодарность С. А. Ивахненко за предоставление легированных бором алмазов для изготовления острия зонда, В. И. Мицкевичу и А. В. Щербакову за содействие в получении представленных результатов. 2009 Article Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента / О.Г. Лысенко // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 6. — С. 40-46. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63425 548.74:681.723:621.9.02 ru Сверхтвердые материалы application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Получение, структура, свойства Получение, структура, свойства |
| spellingShingle |
Получение, структура, свойства Получение, структура, свойства Лысенко, О.Г. Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента Сверхтвердые материалы |
| description |
Представлены экспериментальные результаты применения сканирующего зондового микроскопа для механической обработки поверхности с нанометровой разрешающей способностью. Особенностями прибора являются острие из легированного бором монокристалла алмаза и электромагнитная система измерения нановзаимодействия между острием и поверхностью образца. Продемонстрированы трехмерные изображения поверхности золота и кремния после операций наноочистки и наноцарапания. Обсуждены возможности использования алмазного наноинструмента для изготовления элементов наноэлектроники. |
| format |
Article |
| author |
Лысенко, О.Г. |
| author_facet |
Лысенко, О.Г. |
| author_sort |
Лысенко, О.Г. |
| title |
Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента |
| title_short |
Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента |
| title_full |
Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента |
| title_fullStr |
Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента |
| title_full_unstemmed |
Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента |
| title_sort |
применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Получение, структура, свойства |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/63425 |
| citation_txt |
Применение сканирующего зондового микроскопа с алмазным острием в качестве нанотехнологического инструмента / О.Г. Лысенко // Сверхтвердые материалы. — 2009. — № 6. — С. 40-46. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| series |
Сверхтвердые материалы |
| work_keys_str_mv |
AT lysenkoog primenenieskaniruûŝegozondovogomikroskopasalmaznymostriemvkačestvenanotehnologičeskogoinstrumenta |
| first_indexed |
2025-11-24T03:35:44Z |
| last_indexed |
2025-11-24T03:35:44Z |
| _version_ |
1849641239020830720 |
| fulltext |
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 40
УДК 548.74:681.723:621.9.02
О. Г. Лысенко (г. Киев)
Применение сканирующего зондового
микроскопа с алмазным острием в качестве
нанотехнологического инструмента
Представлены экспериментальные результаты применения
сканирующего зондового микроскопа для механической обработки поверхности с
нанометровой разрешающей способностью. Особенностями прибора являются
острие из легированного бором монокристалла алмаза и электромагнитная
система измерения нановзаимодействия между острием и поверхностью образ-
ца. Продемонстрированы трехмерные изображения поверхности золота и
кремния после операций наноочистки и наноцарапания. Обсуждены возможно-
сти использования алмазного наноинструмента для изготовления элементов
наноэлектроники.
Ключевые слова: Нанотехнология, полупроводниковый алмаз,
сканирующая зондовая микроскопия.
Введение. Современный этап развития нанотехнологии ха-
рактеризуются необычайно широким развитием методов исследования и
формирования характеристик поверхности, основанных на сканирующей
зондовой микроскопии (СЗМ). Основными представителями СЗМ являются
атомно-силовой микроскоп (АСМ) и сканирующий туннельный микроскоп
(СТМ). Одной из рабочих функций СЗМ является механическое движение
зонда вдоль поверхности образца с контролем взаимодействия между остри-
ем зонда и поверхностью. В большинстве методов СЗМ указанное взаимо-
действие является “пассивным”, а в результате процедуры сканирования
строится изображение профиля поверхности или распределение по поверхно-
сти какой-либо физической величины. Однако в СЗМ возможно также и “ак-
тивное” воздействие зонда на поверхность с целью изменения ее характери-
стик. Одним из таких методов является нанолитография, в которой на по-
верхности формируют надписи с нанометровым или даже атомарным разме-
ром [1—5]. Известен еще один метод “активных” операций с поверхностью, в
котором СЗМ используют в качестве “станка” для наномеханической обра-
ботки поверхности. В [6—11] продемонстрированы механические методы
нанообработки, базирующиеся на СЗМ — резание материалов, таких как
кремний, галлий, арсениды и некоторые другие металлические поверхности.
В этих исследованиях в качестве обрабатывающих зондов использовали
обычные зонды с металлическим острием, хотя изначально они предназнача-
лись только для сканирования поверхности. Из-за низкой износостойкости
применение металлического острия при нанообработке не может быть эф-
фективным для решения задач практической нанотехнологии.
Использование алмаза в качестве материала для острия зонда в большин-
стве случаев может решить проблемы, связанные с износом или поломкой
острия при наномеханической обработке поверхности. В [12—14] показаны
различные методы для наномеханической обработки поверхности, в которых
© О. Г. ЛЫСЕНКО, 2009
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 6 41
использовали алмазное острие АСМ. В указанных работах алмаз изготавли-
вали методом газофазного осаждения, а зонд представлял собой гибкую кон-
соль атомно-силового микроскопа. В методе атомно-силовой микроскопии
при взаимодействии острия с поверхностью происходит отклонение консоли
и, как следствие, вертикальной оси острия. При наномеханической обработке
такое явление крайне нежелательно. Здесь предпочтительным является при-
менение СЗМ с жестким зондом сканирующего туннельного микроскопа. В
последнее время разработан ряд методик СТМ с острием из легированных
бором алмазов для комбинированного исследования поверхности методами
индентирования и сканирования [15—17]. В предлагаемой статье приведены
результаты применения указанных методик для наномеханической обработки
поверхности.
Экспериментальная методика. В качестве прецизионного устройства,
способного выполнять нанообработку поверхности, использовали СТМ с
острием из монокристалла синтетического полупроводникового алмаза
(рис. 1). Исполнительными элементами прибора являются устройства кон-
тролируемого микро- и наноперемещения острия в трех направлениях. Мик-
роперемещение острия осуществляется при помощи прецизионного резьбо-
вого механизма, а наноперемещение построено по известной схеме с исполь-
зованием сегментированного трубчатого пьезоэлемента. Зонд с вмонтиро-
ванным алмазным острием (рис. 2) крепится непосредственно к управляю-
щему пьезоэлементу. Такой механизм, в отличие от гибкой консоли, наибо-
лее пригоден для многофункциональных нанотехнологических исследований,
поскольку ось острия зонда не отклоняется при внедрении в поверхность.
Острие зонда изготовлено из синтезированных легированных бором моно-
кристаллов алмаза [15]. Управление трехкоординатным устройством пере-
мещения зонда осуществляется посредством электронного блока, совмещен-
ного с компьютером.
1
2
3
4
6
5
7
8
Рис. 1. Структурная схема сканирующего зондового микроскопа с системой силоизмере-
ния: 1 — предварительный усилитель; 2 — трубчатый пьезоэлемент; 3 — резьбовой меха-
низм; 4 — предметный столик; 5 — система силоизмерения; 6 — блок управления; 7 —
блок питания; 8 — контрольный осциллограф.
Главной отличительной особенностью разработанного прибора является
электромагнитный механизм измерения нагрузки при нановзамодействия ост-
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 42
рия с поверхностью. Величина нагруз-
ки определяется за счет измерения
электрического тока, необходимого
для поддержания постоянного поло-
жения предметного столика при вне-
дрении острия зонда в поверхность
образца. С помощью специально раз-
работанного программного обеспече-
ния имеется возможность отслеживать
сближение острия и образца, регист-
рировать их взаимодействие, обраба-
тывать собранную информацию, вы-
водить изображение на дисплей и на-
капливать экспериментальные данные
на различных носителях.
Экспериментальные методики состояли в управляемом перемещении ал-
мазного острия, находящегося в контакте с поверхностью, вдоль образца с
целью удаления материала с его поверхности. При небольших глубинах воз-
можно удаление приповерхностного слоя материала, который обычно состоит
из несвязанных молекул и оксидов. При глубинах более 1 нм возможно удале-
ние непосредственно материала образца и нанесение царапин.
Результаты экспериментов. На рис. 3 приведен пример удаления припо-
верхностного слоя материала в режиме “контактного” сканирования поверх-
ности. В качестве материала образца использовали пленку золота, нанесен-
ную на кремниевую подложку. Как известно, золото стойко к окислению,
однако при длительном хранении его поверхность мутнеет за счет адсорбции
химических элементов, находящихся в воздухе. При сканировании такая по-
верхность отображается в виде последовательности нанокапель размером
порядка 10 нм. Для наноочистки фрагмента поверхности образца золота ав-
тор использовал многократное сканирование с шагом 20 нм. Глубина про-
никновения зонда в образец составляла 10 нм. Такая нанообработка была
проведена на участке поверхности шириной 1 мкм. После нанообработки
было выполнено сканирование всей поверхности образца в обычном режиме
СТМ.
100
50
0
2000
1000
1000
2000
3000
4000
нм
нм
нм
Рис. 3. СТМ-изображение пленки золота после выглаживания алмазным острием фраг-
мента поверхности шириной 1 мкм.
Для достоверной идентификации результатов эксперимента по очистке
поверхности золота алмазным острием была выполнена СТМ-спектроскопия
Рис. 2. Внешний вид зонда СЗМ с вмонти-
рованным на вершине полупроводниковым
алмазным острием.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 6 43
очищенных и неочищенных участков. На рис. 4 представлены вольт-
амперные характеристики туннельных переходов по семи произвольным
точкам на одном и том же участке поверхности до (см. рис. 4, а) и после (см.
рис. 4, б) процедуры выглаживания. Как видно из рисунка, вольт-амперные
характеристики выглаженной поверхности имеют значительно меньший раз-
брос, что свидетельствует о ее более высокой химической чистоте и эффек-
тивности проведенной процедуры.
Spectra I(V)
0 500
min = 9,00 max = 511,00
а
Spectra I(V)
0 500
min = 9,00 max = 511,00
б
Рис. 4. Вольт-амперные характеристики туннельных переходов на загрязненной углеводо-
родными маслами поверхности золота (а) и на участке, где выполняли выглаживание
алмазным зондом (б) (соответствует вольт-амперной характеристике чистой поверхности
золота).
При работе СТМ имеется возможность управления силой прижима зонда
к поверхности в ходе сканирования. Это позволяет наносить борозды на по-
верхность целого ряда твердых материалов глубиной всего несколько нано-
метров. На рис. 5 показаны результаты экспериментов по нанесению борозд
на поверхность кремния, выполненные на СТМ с использованием острия из
легированного бором алмаза. Еще одной операцией наномеханической обра-
ботки поверхности является формирование регулярных структур путем меха-
нического удаления зондом СТМ участка пленки, нанесенной на подложку.
Пример такой операции показан на рис. 6.
Обсуждение результатов. Как показывают выполненные эксперименты,
наномеханическую обработку поверхности с использованием алмазного ост-
рия СЗМ можно применять при создании элементов наноэлекроники. Приме-
ром может быть следующая процедура (in deep) формирования нанодорожек
в кремниевых структурах. На первом этапе с помощью СТМ-зонда из моно-
кристалла синтетического алмаза на поверхности кремния выцарапывают
контуры дорожек глубиной 10—20 нм. На следующем этапе на эту поверх-
ность с механически модифицированной структурой напыляют слой золота
толщиной около 30 нм. Далее тем же алмазным острием выполняют выгла-
живание золотого слоя до толщины ~ 10 нм. На последнем, четвертом, этапе
проводят вытравливание золота в химически активном растворе таким обра-
зом, что оно остается только в процарапанных зондом канавках. Поскольку
золотые нити уложены в сформированные канавки, полученная структура
является более устойчивой к механическим и температурным воздействиям
по сравнению со структурами, изготовленными методами традиционной на-
нолитографии.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 44
100
0
4000
3000
1000
2000
3000
4000
1000
2000
нм
нм
нм
а
20
0
4000
3000
1000
2000
3000
4000
1000
2000
нм
нм
нм
б
Рис. 5. Борозды на поверхности кремния, нанесенные алмазным пирамидальным острием:
одиночная борозда глубиной 60 нм (а) и равномерные борозды глубиной ∼ 50 нм (б).
100
0
4000
3000
1000
2000
3000
4000
1000
2000
нм
нм
нм
а
100
0
4000
3000
1000
2000
3000
4000
1000
2000
нм
нм
нм
б
Рис. 6. СТМ-изображение пленки золота на кремниевой подложке после удаления одного
(а) и трех (б) прямоугольных участков золотого слоя.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2009, № 6 45
Эксперименты показали высокую износостойкость легированного бором
алмазного острия при наномеханической обработке как мягких поверхностей
(золото), так и твердых (кремний). Радиус округления острия измеряли мето-
дом электронной микроскопии и после проведения более двухсот экспери-
ментов по нанообработке различных поверхностей износ острия составил
около 15 нм.
Необходимо отметить, что наномеханическая обработка поверхности при-
водит с загрязнению поверхности острия (пример такого загрязнения показан
на рис. 7). Поэтому при разработке промышленных технологий, включающих
наномеханические поверхности, необходимо предусматривать процедуру
очистки алмазного острия.
Рис. 7. Загрязнение алмазного острия после операции наномеханической обработки по-
верхности.
Выводы
Эксперименты по наномеханической обработке поверхности методом
сканирующей зондовой микроскопии с алмазным острием показали эффек-
тивность применения монокристаллов легированных бором алмазов в каче-
стве рабочих элементов наноинструмента. Электропроводность острия по-
зволяет оценивать качество наноочистки поверхности с применением тун-
нельной спектроскопии in situ. Для создания промышленных технологий
нанообработки необходимы дальнейшие исследования параметров обрабо-
танной поверхности и износостойкости острия при различных параметрах
нанообработки широкого класса материалов. Необходимо также развитие
методик нанообработки с целью повышения производительности метода, что
может быть осуществлено повышением скорости перемещения острия зонда
относительно поверхности образца и применением многозондовых систем.
Автор выражает благодарность С. А. Ивахненко за предоставление леги-
рованных бором алмазов для изготовления острия зонда, В. И. Мицкевичу и
А. В. Щербакову за содействие в получении представленных результатов.
Проведенные исследования относятся к фундаментальной проблеме создания
материалов с заданными свойствами и к программе научного приборострое-
ния, которые выполняются по планам научно-исследовательских работ НАН
Украины.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 46
1. Eigler D. M., Schweizer E. K. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope
// Nature. — 1990. — 344. — P. 524—528.
2. Nagahara L. A, Thundat T., Lindsay S. M. Nanolithography on semiconductor surfaces under
an etching solution // Appl. Phys. Lett. — 1990. — 57, N 3. — P. 270—272.
3. Majumdar A., Oden P. I., Carrejo J. P. et al. Nanometer-scale lithography using the atomic
force microscope // Ibid. — 1992. — 61, N 19. — P. 2293—2295.
4. Davidsson P., Lindell A., Makela T. et al. Nano-lithography by electron exposure using an
atomic force microscope // Microelectron. Eng. — 1999. — 45, N 1. — P. 1—8.
5. Ishibashi M., Heike S., Kajiyama H. et al. Characteristics of scanning-probe lithography with
a current-controlled exposure system // Appl. Phys. Lett. — 1998. — 72, N 13. — P. 1581—
1583.
6. Gimzewski J. K., Möller R. Transition from the tunneling regime to point contact studied
using scanning tunneling microscopy // Phys. Rev. B. — 1987. — 36. — P. 1284—1287.
7. McCord M. A., Pease R. F. Scanning tunneling microscope as a micromechanical tool // Appl.
Phys. Lett. — 1987. — 50, N 10. — P. 569—570.
8. Van Loenen, E. J., Dijkkamp D., Hoeven A. J. et al. Nanometer scale structuring of silicon by
direct indentation // J. Vac. Sci. Technol. A. — 1989. — 8, N 1. — P. 574—576.
9. Versen M., Klehn В., Kunze U. et al. Nanoscale devices fabricated by direct machining of
GaAs with an atomic force microscope // Ultramicroscope. — 2000. — 82, N 1—4. —
P. 159—163.
10. Miyake S. 1 nm deep mechanical processing of muccovite mica by atomic force microscopy
// Appl. Phys. Lett. — 1995. — 67, N 20. — P. 2925—2927.
11. Fang T. H., Chang W. J. Effects of АРМ-based nanomachining process on aluminum surface
// J. Phys. Chem. Solids. — 2003. — 64, N 6. — P. 913—918.
12. Oesterschulze E., Malave A., Keyser U. F. et al. Diamond cantilevers with integrated tip for
nanomachining // Diamond Relat. Mater. — 2002. — 11, N 3—6. — P. 667—671.
13. Ashida K., Morita N., Yushida Y. Study on nano-machining process using mechanism of a
friction force microscope // JSME Int. J. Ser. C. — 2001. — 44, N 1. — P. 244—253.
14. Kawasegi N., Takano N., Oka D. et al. Nanomachining of silicon surface using atomic force
microscope with diamond tip // J. Manuf. Sci. Eng. — 2006. — 128, N 3. — P. 723—729.
15. Лысенко О. Г., Новиков Н. В., Гонтарь А. Г. и др. Полупроводниковое алмазное острие
для комбинированной сканирующей зондовой микроскопии // Сверхтв. материалы. —
2006. — № 6. — С. 3—12.
16. Lysenko O., Novikov N., Gontar A. et al. Combined scanning nanoindentation and tunneling
microscope technique by means of semiconductive diamond berkovich tip // J. Phys.: Conf.
Ser. — 2007. — 61. — P. 740—744.
17. Lysenko O., Novikov N., Grushko V. et al. Fabrication and characterization of single crystal
semiconductive diamond tip for combined scanning tunneling microscopy // Diamond Relat.
Mater. — 2008. — 17. — P. 1316—1319.
Ин-т сверхтвердых материалов Поступила 20.09.09
им. В. Н. Бакуля НАН Украины
|