СЗМ Раман Нано ИК системы
Модульные СЗМ
Автоматизированные СЗМ
Специализированные СЗМ
 
 

Примеры применений (Архив)

Автоматизированные измерения с СЗМ

Автоматизированные измерения с СЗМ

  А. Алексеев и Д. Воутерс
e-mail alexander@ntmdt.ru
Технический Университет г.Эйндховен, Нидерланды.

Автоматизированные измерения со сканирующими зондовыми микроскопами (СЗМ) включают в себя автоматическую настройку параметров сканирования, измерения запрограммированых областей и автоматизированный анализ полученных данных. Областями применения автоматизированных СЗМ являются:
 

  • Combinatorial Material Research (высокопроизводительный анализ массивов образцов, отличающихся химическим составом или изготовленных при различных условиях1);
  • СЗМ измерения макроскопических областей посредством перемещения области сканирования по поверхности образца. В результате, с помощью СЗМ становится возможным измерение областей размером до нескольких сантиметров (максимальный размер скана в коммерческих СЗМ не превышает 200 микрометров);
  • СЗМ нанолитография, проводимая на макроскопических областях;
  • Контроль качества в индустрии (например CD/DVD дисков).

Модификация СЗМ Solver LS, предназначенная для автоматических измерений и работающая под контролем специально разработанного программного обеспечения, является эффективным прибором для автоматического контроля, анализа и изменения поверхности, работающим во всех основных СЗМ режимах. На Рис. 1 показана платформа СЗМ Solver LS, предназначенная для закрепления четырех стандартных 4-х дюймовых кремниевых пластин, каждая из которых может содержать большое количество образцов, нанесенных, например, посредством ink-jet печати.

 

Рис. 1 Модифицированный SOLVER LS для автоматических измерений (слева); позиционная платформа для четырех 4-х дюймовых кремниевых пластин (справа).

Рис. 2 демонстрирует меню программы для измерений 25 позиций с указанными координатами. Программа автоматически сохраняет оптическое изображение текущего фрагмента образца (с разрешением до 1.5 микрометров), выполняет СЗМ измерения, передвигает образец к следующей точке и т.д. Все сохраненные данные обрабатываются программой с целью измерения определенного параметра для каждой позиции (например, шероховатости поверхности).

Рис. 2 Меню автоматических измерений в программе СЗМ.

Результаты, представленные ниже, получены группой профессора У.С. Шуберта (Технический Университет г. Эйндховен, Нидерланды, http://www.schubert-group.com ) в сотрудничестве с Голландским Полимерным Институтом (DPI). В экспериментах использовался автоматизированный SOLVER LS.

Измерения фотоиндуцированных полимерных решеток.
При селективном облучении сквозь шаблон образца, содержащего преполимер, мономер и фотоинициатор, возникает периодическая структура (Рис. 3). Для приложений в области производства дисплеев одной из задач является достижение максимальной высоты такой структуры. Формирование образца зависит от различных факторов, таких как толщина исходной пленки, ее состав, период шаблона, интенсивность света и температура при изготовлении. 

 

 

 

Рис. 3 Топография решетки с периодом 20 микрометров, измеренная СЗМ (слева); схематическое представление структуры образца (справа).

Для выяснения оптимальных условий производства периодических структур, изготавливается большой образец, в котором одновременно изменяются два параметра. Такой образец содержит четыре ряда полимерных решеток с различным периодом (5, 10, 20 и 40 микрометров). Каждый ряд, в свою очередь,  содержит 11 областей, приготовленных при разных условиях (например при различных значениях интенсивности света или температуры) (Рис. 3, справа).
Общая площадь образца составляет 25x102мм. Автоматический анализ с СЗМ позволяет определить оптимальные условия приготовления образцов, при которых достигается, например, максимальное аспектное отношение полимерной решетки. На Рис.4 показана зависимость высоты решетки от интенсивности света при облучении (такой образец получается при применении шаблона с градиентом интенсивности). Образец содержит 44 области, соответствующих 4 различным периодам и 11 значениям интенсивности облучения. СЗМ измерения выполнялись в полуконтактном режиме. Результатом измерений являются 4 кривые, показывающие зависимость глубины решетки от интенсивности света. Полученная информация позволяет определять оптимальные условия изготовления образцов.

Рис. 4 Результаты автоматических измерений массива образцов. Зависимость высоты полимерной решетки от интенсивности света (дозы облучения) для четырех периодов решетки: 5, 10, 20, 40 микрометров.

Анализ макроскопических областей.
Измерения больших областей с СЗМ возможны только при перемещении измерительной головы по поверхности образца при помощи системы позиционирования (так как максимальный размер сканирования ограничен обычно 100-150 микронами). В приведенном ниже примере, с помощью автоматизированного СЗМ выполнен анализ толщины полимерной пленки, нанесенной вращением (spin-coating). Полимерная пленка была процарапана скальпелем (Рис. 5) и, затем, толщина пленки была измерена в 19 позициях вдоль царапины на протяжении 3.5см (Рис. 6). Координаты каждой позиции были занесены в программу перед сканированием. Толщина пленки была определена как расстояние между максимумами на распределении пикселей по высотам (Рис. 6, в центре). Анализ толщины пленки (Рис. 6, справа) показывает, что она постоянна в центральной части образца, в то время как 7мм около края пленки неоднородны по толщине, что отражает движение материала к краю во время нанесения.

Рис. 5 Серия оптических изображений царапины (она указана красными стрелками), полученных с помощью оптического микроскопа, вмонтированного на СЗМ SOLVER LS.

 

 

 

Рис. 6 СЗМ изображение царапины (слева); определение толщины пленки как расстояния между пиками на распределении пикселей по высотам (в центре); окончательный результат: зависимость толщины пленки от расстояния вдоль царапины (справа).

Нанолитография на макроскопических областях.
Монослой октадецилтрихлорсилана (ОТС), нанесенный на кремниевую подложку, может быть электрохимически окислен в пленке воды, существующей на поверхности при нормальных условиях, с помощью проводящего СЗМ зонда 2. При этом концевые группы -CH3 превращаются в –COOH при наличии разности потенциалов между подложкой и зондом. Миниальный размер модифицированной области достигает размеров зонда (около 20нм) (он зависит также от влажности, приложенного напряжения и т.д.). Результат окисления хорошо виден на изображении сил трения, полученном в контактном режиме. Трансляция литографического рисунка по области с макроскопическими размерами  формирует макроскопическую модифицированную область с минимальным размером, лежащим в нанометровой области. На Рис. 7 показано распределение сил трения на оксидированной пленке ОТС. Базовый элемент рисунка (Рис. 7, слева) транслировался посредством перемещения системы позиционирования с закрепленным на ней образцом. Рис. 7 (справа) показывает только часть модифицированной области, которая больше максимального размера скана. В сумме, 100 базовых элементов на области 0.2x0.2 мм были нанесены автоматизированным СЗМ менее чем за 2 часа.

 

Рис. 7 Распределение сил трения на оксидированной поверхности: базовый элемент (слева), 9 элементов (справа).

Благодарности
Авторы благодарят К. Санчеса, К.В.М. Бастиансена и Проф. Д.И. Брура за образцы, использованные в этой работе, Й. Лооса за полезные обсуждения.

Литература

  1. R. Nefatti, A. Alexeev, S. Saunin, J.C.M. Brokken-Zijp, D. Wouters, S. Schmatloch, U.S. Schubert, J. Loos, Macromol. Rapid Commun. 24, 113-117 (2003).
  2. a.) R. Maoz, E. Frydman, S. R. Cohen, J. Sagiv, Adv. Mat. 12, 424 – 429 (2000). b.) S. Hoeppener, R. Maoz, S. R. Cohen, L. Chi, H. Fuchs, J. Sagiv, Adv. Mat. 14, 1036 – 1041 (2002). c) D. Wouters, U.S. Schubert, Langmuir 19, 9033-9038 (2003).

 

 
 
Copyright © 2015 - 2017, NT-MDT SI