Материал: Корнилов В.М., Галиев А.Ф.. Основы сканирующей зондовой микроскопии
Лабораторная работа №4
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МИКРОСХЕМЫ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ
Цель работы
1)ознакомление с устройством и принципом работы атомносилового микроскопа (АСМ),
2)изучение строения микросхемы.
Оборудование: сканирующий зондовый мультимикроскоп СММ- 2000-15Е, столик с кантилевером (зондом) для атомно-силовой микроскопии, оптический бинокулярный микроскоп МБС-10, персональный компьютер с программным обеспечением ScanMaster.
Образец представляет собой кусочек микросхемы Intel D27512. Стираемая УФ-излучением микросхема памяти типа EPROM с 28 выводами. Объем памяти 512 Кбит.
Теория метода: В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце (рис. 1). Сила, действующая на зонд (так называемый кантилевер) со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.
Рис. 1.Схематическое изображение кантилевера
Характер данного взаимодействия в общем случае достаточно сложен, поскольку определяется свойствами зонда, образца и среды, в которой проводится исследование. В случае исследований незаряженных поверхностей в естественной атмосфере (на воздухе) основной вклад в
16
силовое взаимодействие зонда и образца дают: силы отталкивания, вызванные механическим контактом крайних атомов зонда и образца, силы Ван-дер-Ваальса, а также капиллярные силы, связанные с наличием пленки адсорбата (воды) на поверхности образца. Качественно работу АСМ можно пояснить на примере Ван-дер-Ваальсовых сил. Наиболее часто энергию ан-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, описывают степенной функцией – потенциалом Леннарда-Джонса:
|
|
r |
|
6 |
r |
12 |
|
||
ULD (r) U0 |
|
|
|
|
|||||
2 |
0 |
|
|
|
0 |
|
|
||
r |
|
r |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, дипольдипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр r0 – равновесное расстояние между атомами, U0 – значение энергии в минимуме (рис. 2).
Рис. 2 Качественный вид потенциала Леннарда – Джонса
Потенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца.
В АСМ-режиме применяются кантилеверы фирмы Veeco, США марки MSCT-AUHV или MSCT-AUNM Они имеют пять балок с одной стороны и одну балку с другой стороны. Жёсткость самого длинного кантилевера 0.01 Н/м (рис. 5). Из рисунка видно, что длина кантилевера более 20 делений, что соответствует приблизительно 300 мкм.
17
Рис. 3. Кантилеверы. Цена деления линейки 14 мкм
Описание элементов программы ScanMaster: Вид панели управления микроскопом в режиме АСМ представлен на рис. 6. На панели собраны органы регулировки, индикации и управления работой микроскопа, позволяющие задавать параметры работы аппаратуры, области сканирования и алгоритма сканирования. Слева панели находятся кнопки управления подводом зонда и сканирования (Frameвыбор области сканирования, XY-move-подвод иглы к выбранной области сканирования и т. д.).
Рис.4. Окно управления микроскопом в режиме АСМ: слева – до подвода, справа – сразу после подвода
Важное значение имеет параметр F(nN) – это сигнал с фотодиода АСМ-столика, соответствующий углу изгиба нажимающего на образец кантилевера, то есть силе нажима иглы на образец.
18
Порядок выполнения работы:
Упражнение №1.
Изучение структуры поверхности микросхемы
Внимание! При работе с микроскопом будьте предельно внимательны и осторожны.
1.Включите осветительную лампу оптического микроскопа. Снимите крышкумикроскопа.
2.Регулируя увеличение и положение оптического микроскопа, получите четкоеизображениекантилеверанадповерхностьюобъекта.
3.Аккуратно передвигая столик в горизонтальном направлении, установите самый длинный кантилевер над чистой поверхностью объекта, контролируя её положениеспомощьюоптическогомикроскопа.
4.Выключитеосветитель.
5.Включите микроскоп нажатием кнопки «Z», в меню программы
ScanMaster.
6.В высветившемся окне управления микроскопом, нажмите кнопку «Frame», после чего появится изображение максимально возможной площади сканирования.
7.Щелкнитедваждылевойкнопкоймышивлевомверхнемуглусетки.
8.Нажмите левую кнопку еще раз, и, удерживая ее, перетащите указатель к нижнему правому углу. Если все сделано правильно, после отпускания кнопки, должнаостатьсяквадратнаяфигуранадповерхностьюсетки.
9.Нажмите кнопку «Z appr», после чего запустится подвод кантилевера к образцу, что можно определить по появлению характерного потрескивания от микроскопа. В случае достижения необходимого туннельного зазора, подвод иглызакончится, икомпьютервыдасткороткийзвуковойсигнал.
10.Запустите сканирование нажатием кнопки «Scan», после чего появится окно будущего кадра, которое тут же начнет постепенно прорисовываться строчказастрочкой.
11.Проанализируйтеполученныйкадр, опишитеструктуруповерхности.
Запрещается производить какие-либо операции с микроскопом в процессесканирования!
Упражнение№2.
Определениеплощади, занимаемойотдельнымтранзистором.
Примечание: один транзистор отвечает за 1 бит информации. Таким образом, зная объем памяти микросхемы и площадь, занимаемую одним транзистором, можнонайтиплощадьмикросхемы.
Пополученному впервомупражнении кадруизмерьтеn=10 разпродольныеa и поперечныеb размерыодноготранзистора, спомощьюфункции«S».
19
1. Определитесредниеa и b поформуле:
aср nai ,
2. Вычислите отклонение ai и bi каждого измерения от среднего значения:
ai aср ai ,
3. Оценитеабсолютнуюпогрешностьизмеренияa иb поформуле:
a |
ai2 |
|
n(n 1) |
||
|
4.Вычислитеотносительнуюпогрешностьξ:
a 100% a
5.Заполнитетаблицу:
i |
ai, |
|
ai, |
|
a, |
ξa, |
bi, |
|
bi, |
|
b, |
ξb, |
|
нм |
нмi |
|
нм |
|
% |
нм |
нмi |
|
нм |
|
% |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ср. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6. Напишите подробный и обоснованный вывод. Результат измерения размеров a и b представьте в виде:
a (a a) .
Контрольные вопросы
1.Поясните принцип работы АСМ.
2.Какие виды искажений изображений наблюдаются в АСМ-режиме?
3.Поясните формулу для потенциала Леннарда-Джонса.
4.Какому участку графика потенциала Ленннарда-Джонса приходится работа АСМ в контактном режиме?
5.Как наличие воздушной среды влияет на качество получаемых изображений?
6.По полученным и паспортным данным определите размер рабочей области микросхемы
20