Кантилеверы для атомно-силовой микроскопии (АСМ) компании АО «Ангстрем»

Новак А.В.

В статье представлены результаты разработки отечественных кремниевых кантилеверов для атомно-силовой микроскопии (АСМ). Изготовляемые кантилеверы предназначены для работы в полуконтактном и контактном режиме сканирования. Приведены основные параметры разработанных кантилеверов, такие как радиус острия иглы, резонансная частота, силовая константа, геометрические размеры консолей и иглы. Проведено сравнение характеристик кантилеверов, производимых на АО «Ангстрем» с основными зарубежными моделями.

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением [1]. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является наиболее используемой методикой среди различных видов СЗМ [1]. Производителями атомно-силовых микроскопов являются как российские, так и зарубежные предприятия, среди которых: ООО «НТ-МДТ Спектрум Инструментс», ООО НПП «Центр перспективных технологий», Bruker, Asylum Research, AIST-NT, Agilent, NovaScan, NanoSurf, Omicron, JEOL.

Зондирование поверхности образцов в атомно-силовом микроскопе производится с помощью специальных зондовых датчиков, представляющих собой упругую консоль кантилевер (cantilever) с острым зондом на конце, от характеристик которого сильно зависит качество получаемых АСМ-изображений. Кантилевер являются расходной деталью, поскольку в процессе сканировании образцов происходит затупление острия иглы.

Наиболее распространенными и используемыми являются модели кантилеверов из монокристаллического кремния. Технология изготовления кремниевых кантилеверов основана на анизотропном жидкостном травлении кремния в растворах гидроксида калия (KOH), тетраметиламмония (TMAH) и этилендиамина (EDP), которая так же широко используется при изготовлении различных элементов микроэлектромеханических систем (МЭМС), например, чувствительных элементов датчиков давления и ускорения, кантилеверов, микрозеркал и др.

В настоящее время в России кантилеверы из монокристаллического кремния для атомно-силовой микроскопии не производятся. Так например примерная стоимость набора из 15 зарубежных кантилверов, производимых в США (AppNano) или в Германии (Nanosensors), составляет 300 евро (сайт - https://tipsnano.com/catalog/afm-standard/semicontact/nsg01/). Цены отечественных кантилеверов могут быть значительно меньше зарубежных аналогов. В рамках программы импротозамещения представляется актуальным разработка технологии изготовления и освоение производства кремниевых кантилеверов для атомно-силовой микроскопии.

На предприятии АО «Ангстрем» были проведены работы по разработке технологии изготовления кремниевых кантилеверов, разработке конструкций и изготовлению опытных моделей кантилеверов, имеющих характеристики, аналогичные основным коммерческим образцам.

Разработка технологии изготовления

При изготовлении кантилеверов использовались кремниевые пластины КДБ 12 с ориентацией (100), диаметром 150 мм, толщиной 500 мкм и отполированные с двух сторон. На первом этапе на лицевой стороне пластины изготавливается маска из толстого SiO₂ (толщиной около 1 мкм) для будущих кремниевых игл и проводится анизотропное травление в сильно-концентрированном растворе KOH для формирования игл кантилеверов, высотой 11‑15 мкм. На Рис 1 показана РЭМ-изображение кремниевой иглы вытравленной в сильно-концентрированном растворе KOH.

Рис. 1. РЭМ-изображение кремниевой иглы вытравленной в сильно-концентрированном растворе KOH.

Лицевая сторона со сформированными иглами легировалась фосфором посредством диффузии и высокотемпературного отжига на глубину 5‑6 мкм. Сформированный p-n переход необходим для проведения процесса электрохимического стоп-травления, в ходе которого формируются кремниевая мембрана, толщина которой определяется n-слоем. Электрохимическое стоп-травление основано на остановке травления в области p-n перехода при приложении положительного потенциала анодной пассивации на слой n-типа, сформированного на подложке p-типа кремния, относительно травящего раствора KOH.

Далее на лицевой стороне пластины изготавливается маска из SiO₂ для консоли кантилевера, а на обратной стороне пластины формируется маска из нитрида кремния Si₃N₄ для последующего вытравливания оснований кантилеверов к которым крепятся консоли. Омические контакты к n- и p-слою кремния формировались посредством магнетронного напыления алюминия. Для защиты лицевой стороны пластин при электрохимическом травлении в KOH использовалась герметичная кассета из фторопласта.

Электрохимическое травление пластин проводилось в 30% растворе гидроксида калия KOH при температуре 70°C, при данной концентрации и температуре скорость травления кремния в направлении <100> составляет приблизительно 44 мкм/час. В процессе травления измерялась временная зависимость тока I_n, протекающего между слоем n-типа кремния и электродом, находящемся в растворе KOH. Из временной зависимости тока I_n определялся момент завершения процесса стоп-травления, т.е. когда остановка травления происходит на самой границе p-n перехода.

На Рис. 2 показана фотография участка кремниевой пластины, которая подсвечена с обратной стороны. Кремниевые мембраны с толщинами менее 22 мкм являются оптически проницаемым и имеют различные оттенки коричневого в зависимости от их толщины, что соответственно видно из фотографии.

Рис. 2. Фотография участка кремниевой пластины с сформированными мембранами, которая подсвечена с обратной стороны.

Далее из полученных мембран производилось вытравливание в 30% растворе KOH балок кантилеверов в ходе которого травление идет с обеих сторон мембраны, так что в результате толщина балок получалась примерно в два раза меньше толщины мембраны. На Рис. 3 показаны РЭМ‑изображения кремниевого кантилевера с толщиной балки ≈ 3 мкм, длиной ≈ 170 мкм и имеющем резонансную частоту около 150 кГц. Геометрические параметры кантилеверов, например такие как длина консоли для различных типов кантилеверов регулируются посредством изменения маски в латеральном направлении.

Для увеличения сигнала отражения от обратной стороны консоли методом магнетронного напыления был напылен слой Al толщиной около 40 нм.

Рис. 3. РЭМ-изображения общего вида консоли кантилевера, изготовленного на АО «Ангстрем».

Также была отработана технология заострения кончиков игл, позволяющая формировать иглы с радиусом острия меньше 5 нм. На Рис. 4 показано РЭМ-изображения иглы с радиусом острия менее 5 нм.

Рис. 4. РЭМ-изображение иглы с радиусом острия менее 5 нм.

Разработка конструкций и изготовление моделей кантилеверов, имеющих характеристики аналогичные основным зарубежным образцам

Были изготовлены модели кантилеверов, которые являются аналогами зарубежных моделей NSG01, NSG10, NSG30, NSG03, предназначенных для полуконтактного (Semicontact) режима сканирования и модели CSG10, CSG01, CSG30 предназначенные для контактного (Contact) режима сканирования.

На Рис. 5 показан схематичный чертеж и фотография основания изготовленного кантилевера в оптическом микроскопе. Основание трапециевидное в поперечном сечении (см. рисунок) с размерами 1.6x3.4x0.5 мм, на чертеже размеры указаны в микрометрах. Основание для всех моделей является одинаковым.

Рис. 5 Схематичный чертеж и фотография кантилевера в оптическом микроскопе.

Ниже приведена сводная таблица (Табл. 1) с характеристиками консолей кремниевых кантилеверов изготовленных на предприятии АО «Ангстрем» с примечанием того каким аналогом зарубежных моделей они являются (NSG01, NSG10, NSG30, NSG03, CSG10, CSG01, CSG30). Такие параметры как резонансная частота и силовая постоянная определяются геометрическими размерами консолей кантилеверов. Приведенные модели кантилеверов предназначены для работы в полуконтактном и контактном режиме работы АСМ.

Табл. 1 Параметры различных моделей кремниевых кантилеверов, изготовленных на АО «Ангстрем» .

Для всех моделей кантилеверов радиус закругления острия иглы кремниевых кантилеверов составляет менее 10 нм, высота иглы составляет 12-15 мкм.

Обратная сторона консолей может быть покрыта высокоотражающим, химически инертным слоем алюминия (отражающая способность в 2-3 раза лучше в сравнении с зондом без покрытия).

Кантилеверы упаковываются и транспортируются в контейнерах GelPak со специальным нанесенным гелем, который удерживает небольшие кристаллы за счет эффекта основанного на поверхностном натяжении.

АСМ-измерения кантилеверами АО «Ангстрем»

Для тестирования характеристик кантилеверов использовался атомно-силовой микроскоп Солвер P47 (компании NT-MDT) в полуконтактном и контактном режиме сканирования, амплитуда колебаний зонда составляла 5–10 нм. В результате АСМ-измерений получали сканы АСМ-изображений размерами 500х500 нм², 1х1 мкм², 10х10 мкм², 12х12 мкм² имеющие 1024х1024 точек. Для полученных АСМ-изображений, представляющих двумерные функции высоты поверхности Z(x_i, y_j), отсчитанной от базовой плоскости XY, вычисляли основные параметры поверхности, определяемые стандартами ISO 25178-2:2012 [16] и ASME B46.1-2009 [17] и характеризующие шероховатость, пространственные и корреляционные свойства поверхности. Расчет параметров морфологии и математическую обработку АСМ-изображений проводили при помощи программных пакетов Image Analysis P9 (NT-MDT).

На Рис. 6 показано РЭМ-изображение, а на Рис. 7 и Рис. 8 АСМ-изображения, измеренные кантилеверами АО «Ангстрем», пленки поликристаллического кремния с полусферическими зернами – «hemispherical-grain polysilicon» (HSG-Si), которые получают на основе метода парофазного химического осаждения (CVD) при специальных условиях. HSG-Si кремний имеет развитую поверхность, площадь которой в 1,5−2,5 раза больше площади поверхности пленок «гладкого» поликристаллического кремния poly-Si. За счет сильно развитого рельефа поверхности HSG-Si пленки используются в элементах динамической памяти (DRAM) [5] в качестве нижнего электрода конденсатора хранения, что позволило увеличить емкость, приходящуюся на единицу площади элемента более чем в 2 раза по сравнению с «гладким» электродом из поликристаллического кремния.

Рис. 6. РЭМ-изображения HSG-Si пленки с сильноразвитым рельефом.

Рис. 7. Трехмерное АСМ-изображение HSG-Si пленки размером 500х500 нм²

а) б)

Рис. 8. Топографическое АСМ-изображение HSG-Si пленки – а) и профиль учаска АСМ-изображения между зернами – б).

С точки зрения АСМ-измерений данный образец интересен тем, что HSG-Si пленка образована зернами расположенными друг от друга на нанометровом расстоянии, поэтому при измерениях можно определять проникает ли острие иглы кантилевера в эти нанометровые зазоры между зернами. На Рис. 6б показан профиль учаска АСМ-изображения, где происходит проникновение зонда до самого плоского участка поверхности, на которую осаждали HSG-Si пленку. Видно, что радиус острия зонда кантилевера составляет меньше 10 нм. Таким образом при помощи данного образца можно производить оценку размеров кончика острия.

Также кантилеверами, изготовленными на АО «Ангстрем» проводились измерения различных стандартных тестовых решеток для оценки характеристик зондов.

На Рис. 9 показаны трехмерное и топографическое АСМ-изображение стандартной калибровочной решетки TGZ1 (размер 12 x 12 мкм²), измеренные кантилеверами АО «Ангстрем». Калибровочная решетка TGZ1 образована полосками термического SiO₂ на кремниевой пластине, период решетки составляет 3 мкм.

а) б)

Рис. 9. АСМ-изображения калибровочной решетки TGZ1), измеренные кантилеверами АО «Ангстрем»: а) трехмерное и б) топографическое».

На Рис. 10 показаны трехмерное и топографическое АСМ-изображение стандартной калибровочной решетки TGT1 (размер 10 x 10 мкм²), измеренные кантилеверами АО «Ангстрем». Решетка TGT1 образована кремниевыми иглами высотой около 500 нм, расположенными в шахматном порядке, период между иглами составляет 3 мкм. Данная решетка предназначена определения формы иглы кантилевера.

а) б)

Рис. 10. АСМ-изображения калибровочной решетки TGT1), измеренные кантилеверами АО «Ангстрем»: а) трехмерное и б) топографическое».

В целом качество АСМ-изображений полученных при помощи кантилеверов (АО “Ангстрем”) сопоставимо с качеством АСМ-изображений измеряемых коммерческими кантилеверами.

АО «Ангстрем» является единственным в России предприятием изготавливающим кремниевые кантилеверы, предназначенные для контактного, полуконтактного и бесконтактного режима работы АСМ.

Изготовляемые модели кантилеверов являются аналогами зарубежных моделей NSG01, NSG10, NSG30, NSG03, CSG10, CSG01, CSG30 и могут использоваться во всех основных видах коммерческих АСМ-микроскопов.

Радиус закругления острия иглы составляет менее 10 нм. Высота кремниевой иглы составляет 11÷15 мкм, параметры иглы одинаковые для разных моделей кантилеверов, имеющих различные консоли.

Возможны варианты с алюминиевым Al отражающим покрытием на обратной стороне консоли и без отражающего покрытия.

Цены отечественных кантилеверов значительно меньше зарубежных аналогов.