Исследование взаимодействия нанорельефа с поверхностью основы

3. СКАНИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП (СЭМ)
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — это многофункциональное оборудование, которое далеко выходит за рамки устройства для получения увеличенных изображений. На рис. 1 фото типичного сканирующего электронного микроскопа, который состоит из электронно-оптической колонны, блока электроники и управляющего компьютера (иногда колонна и блок электроники объединены). У всех современных СЭМ изображения формируются сразу в цифровом формате, окуляров нет.

В колонне СЭМ есть, сверху вниз: электронная пушка, где формируется пучок электронов; набор электромагнитных катушек, которые этот пучок фокусируют; камера образцов, где размещаются образцы. В наименовании СЭМ есть слово «сканирующий», потому что при построении СЭМ-изображений тонко сфокусированный пучок электронов сканирует поверхность образца, т.е. закрашивает образец точку за точкой. СЭМ-изображение формируется вслед за движением электронного пучка последовательно во времени, пиксель за пикселем. Для сравнения, фотографирование на фотоплёнку — это параллельный способ формирования изображения, потому что все зёрна фотоплёнки засвечиваются одновременно. Чем меньше диаметр электронного пучка, тем лучшего пространственного разрешения СЭМ можно добиться. Типичный диаметр электронного пучка < 10 нм, хотя эта величина сильно зависит от конструкции и настроек СЭМ.

При взаимодействии сфокусированного электронного пучка с поверхностью образца генерируется множество ответных сигналов, как то: электроны различных энергий и углов разлёта, характеристическое и тормозное рентгеновское излучение, иногда наведённый ток и излучение в оптическом диапазоне. Каждый тип сигнала особенно чувствителен к определённому свойству образца, для регистрации каждого типа сигнала нужна своя конструкция детектора. Свойства образца, наблюдение которых возможно в СЭМ, это: топография поверхности образца, композиционный контраст, состав микрокомпонентов, ориентационный контраст, а также более тонкие особенности, которые труднее выявить, такие как различия в проводимости, в магнитных свойствах, наличие дефектов кристаллической структуры, наличие микропримесей.

Рисунок 3. Общий принцип формирования электронного изображения в сканирующем электронном микроскопе на примере работы некоего условного детектора.
Разновидностей ответных сигналов много и детекторов для их регистрации много, но общий принцип построения СЭМ-изображений один (рис. 3). Пусть пучок электронов закрашивает на образце площадку размера l, и синхронно с этим на экране монитора строится изображение размера L, для построения изображения выбран какой-либо СЭМ-детектор из доступного набора детекторов (назовём его детектор «1»). Яркость в градациях серого на получающемся изображении «1» пропорциональна уровню сигнала «типа 1» от соответствующей точки образца. Например, на рис. 3 первый пиксель изображения L получился тёмным, это значит, что детектор «1» диагностировал слабый сигнал «типа 1» от данной точки образца. Перейдя к следующим точкам поверхности образца, пучок электронов возбудит более сильный ответный сигнал «типа 1» от этих точек, и это найдёт отражение в более светлых оттенках соответствующих пикселей СЭМ-изображения «1». Отсюда ясно, почему изображения со сканирующего электронного микроскопа чёрно-белые (если только к ним не применили цифрового псевдоокрашивания), ведь шкала яркостей в градациях серого используется для модуляции ответного сигнала, поступающего на СЭМ-детектор. Способ построения СЭМ-изображений может показаться сложным и необычным, но при этом, как правило, СЭМ-изображения легко интерпретируются, объекты на них выглядят вполне узнаваемо.
Совместное использование лазера и сканирующего туннельного микроскопа в нанолитографии
При всех своих преимуществах СТМ как литографический прибор имеет некоторые недостатки. Чтобы сообщить туннелирующим электронам энергию, достаточную для модификации молекул резиста, необходимо прикладывать высокое ускоряющее напряжение и поддерживать ток выше некоторого критического значения. Типичное значение энергии деструкции молекул резиста типа РММА составляет примерно 25 эВ. Чтобы достичь таких энергий, приходится, увеличивая напряжение, смещаться из области туннелирования в область автоэмиссии, что затрудняет работу в воздушной среде. В то же время большое значение тока может привести к нежелательным эффектам, например разогреву резиста и острия иглы, накоплению заряда в резисте. Избавиться от этого недостатка можно путем совместного использования лазера и СТМ. При совместном применении прецизионного, но маломощного СТМ и мощного лазера с широким пучком на лазер возлагается функция возбуждения молекул резиста, которые затем могут быть легко разрушены под действием туннельного тока.

При облучении резиста светом видимой части спектра или мягким ультрафиолетовым светом энергии фотонов, которая в этом случае составляет 2—20 эВ, недостаточно для фотодеструкции или фотоионизации полимерных молекул. Постоянно приложенное напряжение к игле СТМ сообщает электронам недостающую энергию, что вызывает деструкцию молекул резиста. Выбирая соответствующим образом рабочую частоту лазера, получаем возможность селективного возбуждения и разрыва связей в молекулах резиста.

Существует несколько факторов, способствующих реализации описанного метода. Во-первых, поглощение острием иглы СТМ электромагнитного поля (фотонов) приводит к фотоэмиссии электронов. Поскольку значение туннельного тока поддерживается постоянным, то данный эффект вызывает увеличение средней энергии туннелирующих электронов, которые теперь способны вызвать ударную ионизацию молекул резиста. Во- вторых, вблизи острия иглы СТМ имеет место эффект усиления электромагнитного поля на несколько порядков, что дает возможность не только использовать лазер меньшей мощности, но и локализовать его влияние в активной области вблизи острия иглы СТМ.

Рассмотренный выше метод литографии предъявляет повышенные требования к стабильности лазерного излучения ввиду сильного влияния последнего на характер туннелирования электронов.

Если обобщить все сказанное о применении СТМ в нанолитографии, то в итоге можно сформулировать следующее: формирование и сборка наноструктур с помощью сканирующего зонда по существу перспективна, но есть два ограничения — она относительно дорогая и медленная. Хотя достигнуты значительные успехи в построении машин, в том числе и СТМ, использующих сотни или даже тысячи зондов одновременно, создание наноструктур с применением методов зондового сканирования все еще очень похоже на ручную сборку.