Материал: Специальные вопросы микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Трегубов И.М

поля, но и на латеральные размеры формируемых оксидных областей. Это объясняется зависимостью формы мениска воды, соединяющего зонд и подложку, как от толщины слоя адсорбированной воды, так и от расстояния между зондом и подложкой. Природа этой зависимости наглядно иллюстрируется геометрической моделью, представленной на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Схематическое изображение положений иглы зонда относительно поверхности

Видно, что одним из путей уменьшения ширины линий, формируемых при окислении, является увеличение расстояния между зондом и подложкой. Максимально допустимый подъем зонда над поверхностью следует определять по величине силового гистерезиса, устанавливаемого экспериментально для выбранных материалов и внешних условий.

Согласно представлениям о кинетике анодного окисления, толщина образующегося оксида зависит от приложенного потенциала и длительности процесса. На практике в СЗМ удается измерить не толщину оксида, а изменение высоты выступа относительно уровня неокисленной поверхности. Поэтому необходимо различать толщину оксида hox, который формируется, и изменение высоты hоx, которое измеряется. Толщину образующегося при анодной поляризации оксида можно рассчитать на основании закона Фарадея следующим образом:

70

где Аox – молярная масса образующегося вещества; – его удельная плотность; S – площадь окисленной поверхности; F

– постоянная Фарадея; Q – суммарный заряд, затраченный на окисление; J(t) – мгновенное значение силы тока, протекающего в цепи; – выход по току; – число электронов необходимых для протекания реакции окисления.

Так как стимулированное зондовое окисление проводят обычно в режиме постоянного напряжения, то для определения толщины необходимо знать закон изменения тока в процессе роста оксида. Для решения этой задачи удобно привести

мической цепи, за исключением изменения потенциала в самом оксиде. Эта величина в первом приближении характеризует омическое падение напряжения в электрической цепи без учета сопротивления оксида. Она также может включать в себя падение напряжения в естественном оксиде, присутствующем на реальной поверхности. Падение напряжения в растущем оксиде связано с толщиной оксида и напряженностью электрического поля простым соотношением

(6.12)

Если пренебречь изменением напряженности электрического поля в оксиде при изменении плотности протекающего тока и не учитывать изменения сопротивления подложки в ходе образования оксида, то изменение параметров анодирования во времени можно записать в виде

(6.13)

71

Решение уравнения (13) при условии, что в момент времени t = 0 напряжение падает только на сопротивлении электрохимической цепи, имеет вид

(6.14)

Подстановка (14) в (11) дает следующее уравнение для зависимости толщины оксида от времени потенциостатического анодирования:

где к–коэффициент, определяющий изменение положения внешней поверхности растущей пленки относительно исходной поверхности металла, определяемый соотношением

, (6.17)

где , АМe – удельная плотность и молярная масса металла соответственно.

Такой подход к описанию кинетики роста анодного оксида дает хорошее соответствие между теоретическими оценками и экспериментальными результатами в случае массивных образцов. Очевидно, что в случае тонких пленок металла допущение о постоянстве сопротивления цепи справедливо только при достаточно коротких воздействиях тока, когда изменением сопротивления пленки металла можно пренебречь. В общем случае эта задача может быть решена численными методами.

72

6.2. Особенности создания электропроводящих зондов

Практически процесс зондового окисления осуществляется на основе режима ACM с использованием электропроводящего зонда (кантилевера). Часто данный режим именуют как сканирующую электропроводящую микроскопию (СЭПМ). При этом кантилевер является одним из ключевых элементом метода, от характеристик которого в значительной степени зависят результаты измерений.

В настоящее время как у нас в стране, так и за рубежом ведутся интенсивные работы по созданию конструктивнотехнологических вариантов проводящих кантилеверов, способных удовлетворить все возрастающие требования исследователей. Основой для создания проводящих кантилеверов являются кремниевые или нитридные кантилеверы. В качестве покрытий кантилеверов для электропроводящей микроскопии используют в основном благородные металлы и их соединения (Pt, Au и др.), обладающие химической инертностью и, следовательно, обеспечивающие создание покрытий с неокисляемой поверхностью. Однако зонды с указанными покрытиями характеризуются невысокой износостойкостью и низкой электромиграционной стойкостью. В тех случаях, когда исследуемая поверхность покрыта естественной пленкой диэлектрика (например, кремниевая подложка), то используют зонды на основе сверхтвердых материалов, которые могут выдержать высокое давление, необходимое для проникновения через естественную пленку окисла. В этом случае зонды изготовляют из легированного алмаза или используют кремниевые кантилеверы с осажденным на них алмазным покрытием. Но легированные алмазные зонды имеют повышенное по сравнению с металлическими зондами электрическое сопротивление. Кроме того, зонды и кантилеверы на основе алмаза имеют значительный радиус кривизны игл, так как наносимая алмазная пленка имеет толщину около 100 нм, что ограничивает возможности исследования объектов меньших размеров. Наряду с покры-

73

тиями на основе благородных металлов и алмаза исследователи применяют тонкие пленки тугоплавких металлов, таких как молибден и вольфрам. Данные покрытия отвечают требованиям хорошей проводимости, повышенной твердости, электромиграционной стойкости. Но при работе в химически агрессивных средах, например при изучении наноэлектрохимических реакций в кислотах и щелочах, требуется химически стойкое проводящее покрытие. Химически стойкое покрытие должно быть и потому, что при работе в контактном режиме ACM и измерении тока, протекающего через контакт игла — поверхность, возможно осуществление химической реакции материала покрытия с кислородом воздуха или адсорбционными слоями из-за высоких плотностей тока и напряженности электрического поля. Указанные материалы не отличаются химической инертностью, кроме того пленки этих материалов содержат на своей поверхности слой естественного окисла.

Комплексный анализ требований, предъявляемых к проводящим кантилеверам, дал возможность сформулировать условия создания эффективных проводящих кантилеверов.

На рис. 6.4 показано поперечное сечение кремниевого кантилевера с металлическим проводящим покрытием.

Рис 6.4. Схематическое изображение иглы кантилевера с металлическим проводящим покрытием

Первоначальный радиус кантилевера составляет R0 и находится в пределах 10 нм. После нанесения тонкой пленки ме-

74