Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2019, № 10, стр. 88-93

ВВЕДЕНИЕ

Облучение диэлектриков электронным пучком активно исследуется научным сообществом в различных направлениях. Например, хорошо известно, что во время сканирования возможно образование углеродного депозита на поверхности подложки за счет разложения электронным лучом паров органики, присутствующих в камере микроскопа [1, 2]. Еще одно направление исследований посвящено модификации поверхности подложки под воздействием электронного луча с образованием нанокластеров кремния [3] или поверхностных дефектов в структуре подложки. Эффект формирования заряда в поверхностных слоях диэлектрических материалов под воздействием электронного пучка также давно известен и довольно подробно изучен [4–6].

Недавно нами была показана возможность селективного роста графеноподобных пленок (ГПП) на окисленном кремнии за счет увеличения скорости роста углеродной пленки на участках, экспонированных электронным лучом [7]. Обнаруженное явление не обусловлено образованием углеродных частиц на поверхности подложки, а связано (скорее всего) с наличием аккумулированного заряда на поверхности облученной подложки. В данной работе поверхность образцов, облученных различными дозами до и после синтеза, изучалась с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ).

Атомно-силовая микроскопия является одним из наиболее перспективных методов, позволяющих удовлетворить как научный, так и практический интерес в развитии физики наноразмерных систем, поскольку этот метод высокоинформативен, недеструктивен, позволяет получать большие объемы экспериментальных данных.

В данной работе исследование свойств ГПП сопровождается изучением возможностей зондовой микроскопии. Методики, позволяющие получить больше информации о поверхности в одном сканировании, вызывают особый интерес. Примером такой методики является метод точечных контактов, описанный в [8].

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Для исследования ГПП в настоящей работе использовался метод АСМ, в котором реализован метод точечных контактов [8]. При сканировании с помощью данного метода игла кантилевера взаимодействует с поверхностью только точечно. После контакта с поверхностью игла отводится на расстояние, на котором силы со стороны поверхности на нее не действуют. При подводе и отводе запоминаются некоторые точки на кривой изменения силы (изгиба кантилевера) в зависимости от расстояния от поверхности. Алгоритм позволяет избежать разрушения иглы кантилевера при контактах с поверхностью и одновременно измерять серию параметров, характеризующих как поверхностные, так и объемные свойства образца. На рис. 1 представлены типичная силовая кривая в зависимости от времени нагружения (1) и смещение зонда относительно поверхности (2). Кроме того, на этих кривых показаны точки, в которых записываются значения положения иглы кантилевера или силы при сканировании образца:

Рис. 1.

Схематическое изображение различных рабочих режимов атомно-силового микроскопа в пространственно-временно-силовых координатах: 1 – типичная силовая кривая в зависимости от времени нагружения, 2 – смещение зонда относительно поверхности. А – точка, в которой градиент сил притяжения становится равным жесткости кантилевера. Б – точка достижения заданной нагрузки на зонд. В – точка отрыва зонда от поверхности (максимальная сила притяжения).

А – точка, в которой градиент сил притяжения становится равным жесткости кантилевера. Здесь происходит скачок кантилевера к поверхности. Изображение, полученное из значений положения иглы кантилевера в этих точках, называют изображением в режиме “градиента”.

Б – точка достижения заданной нагрузки на зонд. Изображение, полученное из значений положения иглы кантилевера в этих точках, называют топографией.

В – точка отрыва зонда от поверхности (максимальная сила притяжения). Изображение полученное из значений положения иглы кантилевера в этих точках называют изображением в режиме “адгезии”. Расстояние по оси Z между точками А и Б пропорционально наклону кривой надавливания. Эта величина показывает, на каком расстоянии зонд “чувствует” поверхность.

Таким образом, этот метод позволяет в течение одного сканирования получить не только данные о рельефе поверхности, но и ряд других характеристик. В работе [7] после экспонирования электронами подложки, было проведено АСМ-исследование образца методом точечных контактов. В результате не обнаружилось никаких изменений в топографии подложки, облученной электронами (рис. 2а). Однако при сканировании поверхности в специальном режиме градиента отчетливо проявляется контраст (рис. 2б) между облученным (темные квадраты) и необлученным участками. Такое поведение может быть вызвано наличием у поверхности подложки встроенного электрического заряда. Этот пример наглядно демонстрирует возможность получения дополнительной информации за счет измерения дополнительных параметров взаимодействия иглы кантилевера с поверхностью.

Рис. 2.

АСМ-изображение поверхности окисленного кремния, подвергнутого избирательному экспонированию: топография (а) и “градиент” (б) (из работы [7]).

В работе [9] было показано, что качество ГПП, осаждаемой на предварительно экспонированной поверхности SiO₂/Si, зависит от дозы экспонирования. В данной работе такие пленки, полученные при варьировании дозы предварительного экспонирования, исследовали методом точечных контактов. На основании полученных данных изучали возможности данного метода как источника дополнительной информации.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для предварительного экспонирования образцов электронным лучом энергией 5 кэВ использовали лабораторный литограф на основе сканирующего электронного микроскопа марки ZEISS Evo 50 и программного обеспечения Nanomaker. Дозу экспонирования варьировали в диапазоне 100–3000 мкКл/см². Для позиционирования облученных участков была создана маркерная структура, состоящая из 10 квадратов, разделенных никелевыми дорожками, каждый размером 150 × 150 мкм (рис. 3).

Рис. 3.

РЭМ-изображение тестовой структуры из никеля на SiO₂/Si для позиционирования участков, экспонированных дозой различной величины.

Экспериментальная установка по осаждению ГПП состояла из системы контролируемой подачи газа и жидкого реагента, горизонтального кварцевого реактора, помещенного в трубчатую печь и соединенного на выходе с форвакуумным насосом. Процесс проводили при пониженном давлении (около 10³ Па) в токе аргона высокой чистоты. В качестве прекурсора использовалась водно-спиртовая смесь (96%-ный этанол и дистиллированная вода) в объемном соотношении 1 : 1. При достижении температуры 950°С систему выдерживали в стационарных условиях в течение 30 мин.

Поверхность образцов исследовалась с помощью атомно-силового микроскопа оригинальной конструкции, изготовленного в ИПТМ РАН, с оптической схемой контроля изгиба кантилевера (регистрация смещения отраженного луча света). В качестве зондов использовались вольфрамовые иглы на конце прямоугольной кремниевой консоли (кантилевера). Исследование проводили с помощью метода точечных контактов [8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Эксперимент проводили в несколько этапов: 1 этап – экспонирование заданных областей подложки и синтез графеноподобной пленки; 2 этап – повторное экспонирование (доза экспонирования для каждого участка подложки соответствовала дозе первого экспонирования); 3 этап – повторный синтез на дважды экспонированной подложке.

После каждого этапа поверхность образца исследовали с помощью АСМ в различных режимах. Для каждого участка оценивали разницу между величинами “адгезии” на экспонированных и неэкспонированных участках. Полученные данные систематизировали в соответствии с дозой экспонирования для каждого этапа. То же самое было сделано и для “градиента”. Результаты представлены в табл. 1, из которых следует, что значение “градиента” на каждом этапе практически не изменяется в зависимости от дозы. Тогда как с каждым этапом эта величина незначительно увеличивается (при любой дозе экспонирования). А именно, после первого синтеза на экспонированной подложке (1 этап) среднее значение “градиента” варьируется в диапазоне 2–3 нм, после повторного экспонирования (2 этап) это значение составляет величину около 5 нм, а после повторного синтеза (3 этап) – около 10 нм. Следует отметить, что на втором этапе топография не изменяется, и значения “градиента” характеризуют изменения, произошедшие с ГПП после экспонирования.

Величина “адгезии” на каждом этапе также практически не изменяется в зависимости от дозы. Однако после каждого этапа ее значения сильно меняются. На рис. 4 представлены трехмерные АСМ-изображения топографии, “адгезии” и “градиента”, полученные после первого (сверху) и второго (снизу) этапов для структуры, экспонированной дозой 3000 мкКл/см². Таким образом, на втором этапе (экспонирование осажденной пленки) топография поверхности не изменилась. В то время как в режиме “градиента” произошли небольшие изменения, а в режиме “адгезии” – значительные. Следовательно, режим “адгезии” более чувствителен к поверхностным процессам, произошедшим в результате данного этапа.

Рис. 4.

АСМ-изображения, полученные в режиме топографии (слева), “адгезии” (в центре) и “градиента” (справа) для участка с дозой экспонирования 3000 мкКл/см² после первого (верхний ряд) и второго (нижний ряд) этапа.

Как видно из табл. 1, после третьего этапа с “адгезией” происходят значительные изменения, и разность величин “адгезии” на экспонированных и неэкспонированных участках из отрицательной становится положительной. На рис. 5а, б представлены трехмерные АСМ-изображения топографии и “адгезии”. Видно, что ГПП выросла как на экспонированных, так и на неэкспонированных участках. Более того, на изображении топографии очень трудно отличить одни участки от других, а в режиме “адгезии” их различие очевидно. Следует отметить, что трудность в определении экспонированных и неэкспонированных участков на изображении топографии вызвана шероховатостью, величина которой сравнима с толщиной ГПП. Причина, по которой в режиме “адгезии” эти области легко различимы, требует дополнительных исследований.

Рис. 5.

АСМ-изображение, полученное в режиме топографии (а) и “адгезии” (б) для участка с дозой экспонирования 3000 мкКл/см² после третьего этапа.

Из вышесказанного следует, что режим “адгезии” довольно чувствителен к изменениям, происходящим с образцом на каждом из этапов. Однако, полагаясь только на значения “адгезии”, сложно понять природу этих изменений. Следует отметить, что данные, получаемые в режиме “адгезии”, зависят от многих внешних факторов (угол наклона зонда, влажность, диаметр иглы кантилевера). Например, на рис. 6 приведены изображения ГПП на предварительно экспонированной SiO₂/Si-подложке, полученные в режиме “адгезии” с помощью иглы кантилевера диаметром 270 нм (рис. 6а) и 50 нм (рис. 6б). Видно, что при сканировании поверхности более толстой иглой разница между величинами “адгезии”, полученными от ГПП структуры и от подложки для иглы кантилевера диаметром 270 нм существенно больше. По-видимому, для большей чувствительности необходимо использовать иглы кантилевера большего диаметра.

Рис. 6.

АСМ-зображения, полученные в режиме “адгезии”, графеноподобной пленки, осажденной на поверхности предварительно экспонированного SiO₂/Si: а – диаметр иглы кантилевера 270 нм, б – диаметр иглы кантилевера 50 нм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ГПП структуры, выращенные на подложке SiO₂/Si, были исследованы с помощью АСМ методом точечных контактов. Благодаря этому удалось получить не только данные о рельефе поверхности, но и ряд других характеристик, для обозначения которых в данном методе применяются термины “адгезия” и “градиент”. Анализ полученных данных позволил установить, что режим “адгезии” выявляет особенности образцов, которые трудно различимы, либо вообще не заметны на изображении топографии.

Однако, полагаясь только на данные “адгезии”, невозможно понять природу этих особенностей. Поэтому требуются дальнейшие исследования (например, с помощью проводящего кантилевера), которые позволят получать больше информации и об образцах и об интерпретации данных режима “адгезии”.