Скануючий атомно-силовий мікроскоп

Принцип дії скануючого атомно-силового мікроскопа (АСМ) (зовнішній вигляд одного з типів приладу наведено на рис. 4.11) можна зрозуміти з наступних міркувань. Між голкою та зразком, якщо їх наблизити на певну відстань, виникають механічні сили або відштовхування,

Рисунок 4.11 – Зовнішній вигляд АСМ

або притягування. Величина сили становить 10^-8-10^-9 Н, а природа обумовлена ван-дер-ваальсівською взаємодією між атомами. Ці сили можна виміряти за допомогою мікроскопічних інструментів, наприклад, пружини із жорсткістю 1 Н/м. Така пружина під дією 10^-8-10^-9 Н може відхилитися на відстань декілька нанометрів. Величину зміщення можна визначити за допомогою оптичного і ємнісного методів або за допомогою скануючого тунельного мікроскопа. В останньому випадку прилад є тандемом із двох п’єзосканерів, один з яких несе зразок, а інший – голку СТМ. Зовнішній вигляд та спрощена блок-схема АСМ, де для реєстрації зміщення пружини використовується оптичний метод, проілюстровано на рисунку 4.12.

Метод атомно-силової мікроскопії є досить зручним для дослідження топології поверхні матеріалів мікроелектроніки. Для ілюстрації на рис. 4.13 наведено зображення двошарового плівкового зрізка Сu/Сr. Параметри атомного силового мікроскопа у першу чергу визначаються жорсткістю пружини.

Деформація пружини під дією атомних сил повинна бути значною. Як правило, пружину виготовляють зі стрічки алюмінію розміром 0,8 х 0,25 х 0,5 мм або з оксиду

Рисунок 4.12 – Спрощена блок-схема АСМ: 1 - зразок; 2 - п’єзосканер;3 - пружина з голкою; 4 - напівпровідниковий лазер; 5 - детектор; 6 - антивібраційна підкладка

Рисунок 4.13 – Зображення поверхні (а) та профіль топології впродовж лінії (б) для плівкового зразка

кремнію, нанесеного на кремній. Перевагою атомного силового мікроскопа є можливість дослідження поверхні діелектричних матеріалів. Прилад дає можливість спостерігати кристалічну решітку з атомним збільшенням.

Якщо прилад має голку з провідного матеріалу, то такий мікроскоп об’єднує в собі АСМ та СТМ і є універсальним приладом. При виготовленні голки з феромагнітних матеріалів можна вивчати магнітну структуру феромагнетиків з роздільною здатністю декілька нанометрів з одночасним вивченням рельєфу та електронних характеристик.