Объектно-ориентированное сканирование для зондовой микроскопии и нанотехнологии

Актуальность работы.

Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) способен как измерять рельеф с атомарным разрешением, так и поатомно модифицировать его, что позволяет рассматривать данный прибор как один из базовых инструментов нанотехнологии. Однако, существующие микроскопы и применяемые в них методы управления всё ещё недостаточно совершенны. В частности, критическим узлом современных СЗМ является система позиционирования зонда, на работу которой оказывают влияние многочисленные негативные факторы: внешние вибрации, шумы, термодрейфы, нелинейность, гистерезис, ползучесть (крип) и паразитные взаимные связи (кауплинг) используемых пьезоманипуляторов. В результате /худшается точность измерений, уменьшается их достоверность, снижается предельное разрешение прибора. Искажения ведут к неправильной интерпретации экспериментальных данных, ограничивают область применения микроскопа.

На сегодняшний день задача получения адекватного изображения рельефа поверхности решается посредством использования компенсирующих/исправляющих моделей, эписывающих соответствующее искажение, и/или следящих измерительных систем, оснащённых линейным датчиком положения. Для построения модели и определения её па-эаметров необходимо чёткое разделение искажающих факторов друг от друга. Однако, эазделение искажающих факторов не всегда осуществимо по причине того, что разные источники часто ведут к схожим искажениям.

Применение следящих измерительных систем натолкнулось на ограничения, связанные с погрешностью косинуса, ошибкой смещения Аббе и с шумами датчиков положения. Аз-за более сложной конструкции, юстировки и эксплуатации СЗМ, оборудованных следящими системами, необходимости использования высокоточных технологий обработки деталей этих приборов, применения материалов с исключительными механическими свойствами стоимость данных микроскопов оказалась достаточно большой. В этой связи при разработке высокопрецизионных устройств всегда следует помнить об экономиче-жой составляющей, поскольку трудно ожидать быстрого и широкого внедрения в промышленность дорогих уникальных приборов.

В настоящее время СЗМ из разряда приборов, обеспечивающих получение в большей степени качественных результатов, переходит в разряд приборов, способных производить точные количественные измерения. Соответственно возрастает значение задачи салибровки сканера микроскопа, решение которой должно настолько поддаваться формализации, чтобы обеспечить полную автоматизацию этого процесса. Причём, как пока-?ывает практика измерений, предпочтение при выборе эталона длины необходимо отдавать природным мерам — высокоупорядоченным кристаллическим решёткам веществ со стабильной поверхностью, а для полной компенсации нелинейностей сканера следует искать распределение локальных калибровочных коэффициентов в пространстве сканирования.

Фактически нереализованной функцией СЗМ-нанолитографа, лежащей в основе технологии манипулирования и избирательного воздействия на отдельные атомы, молекулы и кластеры из них, остаётся позиционирование рабочего органа микроскопа — зонда как непосредственно в месте операции, так и по большому полю грубого манипулятора. На сегодняшний день практически отсутствуют такие важные функции СЗМ-нанолитографа как: автоматическое удержание места измерения/воздействия в поле зрения прибора, автоматический возврат в технологическую зону после отвода зонда от поверхности или снятия образца, автоматическое перемещение между разными технологическими зонами на поверхности образца.

На современном этапе развития нанотехнология располагает целым набором специализированных аналитических и технологических инструментов — зондов. Однако, поочерёдное их применение к одному и тому же нанообъекту на поверхности невозможно, если взаимное положение зондов точно не известно, и СЗМ-нанолитограф не обладает способностью в автоматическом режиме находить среди других объектов заданный объект. Чтобы увеличить производительность СЗМ-нанолитографа, следует использовать линейки или массивы зондов, функционирующих параллельно. Однако, не имея точной информации о том, как расположены зонды относительно друг друга, невозможно правильно собрать целое изображение из фрагментов, полученных каждым из зондов. Таким образом, задача организации измерений/воздействий в многозондовых системах является на сегодняшний день весьма актуальной.

Цель работы состояла в создании и экспериментальной апробации способа объектно-ориентированного сканирования (ООС) поверхности. Применяя процедуру распознавания и ряд специальных приёмов, производится поочерёдное многократное сканирование небольших расположенных по соседству друг с другом окрестностей топографических объектов (особенностей) поверхности. После чего из полученных фрагментов собирается искомое изображение рельефа свободное от шумов и от искажений, связанных с дрейфом зонда микроскопа относительно исследуемой поверхности. Для достижения поставленной цели были разработаны:

• методы итеративного и прямого распознавания особенностей поверхности в реальном масштабе времени;

• способ связывания особенностей путём обхода контура с присоединением новых элементов цепи и способ связывания с использованием вспомогательных квазистрок особенностей;

• функции компенсации, учёта и мониторинга дрейфа микроскопа посредством периодической «привязки» зонда к особенности поверхности;

• процедура многократного скиппинга между текущей и следующей особенностями цепочки с усреднением полученных данных;

• методика автоматической распределённой калибровки сканера микроскопа;

• алгоритм сборки сегментного изображения рельефа поверхности;

• способы прецизионного позиционирования зонда по локальным особенностям поверхности в поле точного манипулятора;

• способ прецизионного переноса поля точного манипулятора в поле грубого;

• методика повышения чувствительности спектроскопических измерений и точности их локализации на поверхности;

• функции сбора и накопления статистической информации, характеризующей особенности исследуемой поверхности.

Совокупность предложенных методов должна обеспечить широкое внедрение СЗМ в практику особоточных измерений, метрологию, нанолитографию, кристаллографию, мо-пекулярную биологию и в другие области науки и техники. Научная новизна.

Предложен метод активного сканирования рельефа, основанный на использовании эсобенностей исследуемой поверхности в качестве опорных точек при выполнении относительных перемещений. Применяя распознавание особенностей поверхности в реальном масштабе времени и встречные перемещения зонда, компенсируется негативное злияние термодрейфа головки микроскопа и ползучести пьезоманипуляторов, что позво-пяет повысить точность СЗМ-измерений, а также снять ограничения на размеры получаемых сканов. Осуществляя периодическую привязку зонда микроскопа-нанолитографа < объекту поверхности, возможно произвольно долго удерживать зонд в некоторой облас-ги на поверхности, где проводятся измерения и технологические воздействия, а также трецизионно размещать поле точного позиционера в поле грубого.

Посредством выполнения больших усреднений данных продемонстрированы: возможность получения рельефа поверхности с предельным для используемого типа прибо-эа латеральным и вертикальным разрешениемспособность измерять постоянные ре-иётки и кристаллографические направления на 2−3 порядка точнее, чем при обычном жанированиивозможность осуществления точно локализованной туннельной и атомно—иловой спектроскопии с низким уровнем шумов.

Распределённая автоматическая калибровка, при которой в каждой точке пространства сканирования, используя высокоупорядоченные поверхностные структуры природных эталонов, ищется тройка локальных калибровочных коэффициентов, открывает перепективу почти полного исправления искажений вносимых нелинейностью, неортогональностью и паразитными связями пьезоманипуляторов микроскопа. Причём, калибровка всего поля точного манипулятора производится лишь небольшой заранее выбранной лишённой дефектов областью поверхности эталона.

Практическая ценность.

Создан полный комплект программ, реализующих предложенный метод. Комплект включает: модуль реального/виртуального сканирования поверхности, маршрутизатор, стилизёр, сборщик поверхности, калибровщик, экстрактор подцепочек, конвертер. Модуль сканирования интегрирован в управляющую программу микроскопа Solver™ Р4, изготавливаемого серийно. Модуль обеспечивает построение «затравки», сканирование поверхности с использованием нескольких методов распознавания и нескольких способов связывания, позиционирование зонда по локальным особенностям поверхности, измерение постоянных решётки и кристаллографических направлений, получение точно локализованных спектрограмм с малым уровнем шума, автоматическую калибровку микроскопа, непрерывный мониторинг дрейфа прибора. Для хранения и эффективного использования данных предложен специальный цепочечный формат.

Разработанный метод может использоваться в различных областях науки и техники для решения широкого круга экспериментальных и производственных задач нанотехноло-гии, часть из которых (автоматический поиск и «залечивание» дефектов, непосредственное слежение за движением отдельных объектов по поверхности, автоматический возврат зонда в операционную зону после снятия образца, автоматическое определение взаимного положения аналитических и технологических зондов, удержание заданного направления при перемещении по поверхности кристалла или упорядоченной структуры манипуляция нанообъектами при комнатной температуре в автоматическом режиме, модификация поверхности в автоматическом режиме и др.) была ранее трудно осуществима, а в некоторых случаях и принципиально невыполнима в рамках общепринятого подхода к сканированию и позиционированию. Предлагаемая методика обеспечивает высокую точность СЗМ-измерений и высокий уровень их автоматизации при сохранении обычных требований к оборудованию. Универсальность развиваемого подхода позволяет применять метод на любом сканирующем зондовом приборе.

На защиту выносятся следующие положения и результаты: • методология объектно-ориентированного сканирования, заключающаяся в том, чтс рельеф поверхности измеряется по частям — небольшими расположенными по соседству сегментами в относительной системе координат, а основная доля перемещений в апер турах, в сегментах, между текущей и следующей особенностями, при движении по квази строкам особенностей содержит встречную комплементарную составляющую так, что ис кажения от дрейфа, рассматриваемые как линейные, могут быть учтены и скомпенсированы в процессе сканирования;

• способы локального связывания особенностей поверхности в цепочку посредством обхода затравки с присоединением новых элементов цепи, а также с использованием вспомогательных квазистрок из особенностейв обоих способах траектория перемещения зонда заранее неизвестна и определяется динамически в процессе ООС, изначально в общем виде задаётся только характер поведения системы при выборе следующей особенности цепи;

• способы позиционирования зонда микроскопа-нанолитографа по локальным особенностям поверхности, обеспечивающие прецизионное перемещение в поле точного манипу-пятора, а также способ прецизионного размещения поля точного манипулятора в поле грубого, при котором удаётся резко снизить требования, предъявляемые к грубому манипулятору, по точностипрецизионность достигается за счёт перемещения от одной осо-эенности к другой соседней и использования следящей системы в горизонтальной плоскости на основе процедуры привязки зонда к особенностиэксперименты, подтверждающие базовые принципы, преимущества и потенциальные возможности ООС, по измерению рельефа высокоупорядоченной, квазиупорядоченной и полностью разупорядоченной поверхностипо измерению рельефа атомной поверхности з высоким вертикальным и латеральным разрешениемпо высокоточному измерению постоянных решетки и направлений на поверхности кристаллапо перемещению на боль-иие расстояния от атома к атому на упорядоченной поверхности кристалла и по выявлению нелинейности сканера или крупномасштабных искажений решётки, кристаллапо измерению точно локализованных на поверхности вольтамперных характеристик туннельного зазора с низким уровнем шумапо определению величины дрейфа и характера его проявления в СЗМпо определению статистических параметров особенностей исследуемой поверхностипакет прикладных программ, функционирующих по принципам ООС.

Структура работы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели диссертационной работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведены краткие аннотации лав.

Первая глава посвящена описанию метода ООС. В первом параграфе дана классификация, выполнен анализ и указаны принципиальные недостатки существующих на се-одняшний день способов борьбы с погрешностями СЗМ-измерений.

Во втором параграфе кратко изложена главная идея предлагаемого метода. После чего очерчен класс поверхностей, объектно-ориентированное сканирование которых при данном развитии зондовой микроскопии и средств вычислений может быть в принципе осуществлено. В третьем параграфе введены базовые понятия и определения: локальность, связность, особенность, цепочка особенностей, область сканирования, распознавание особенностей.

В четвёртом параграфе, главным образом на примере упорядоченной поверхности графита, описан способ итеративного распознавания, основу которого составляют операция сегментации изображения поверхности и итеративный поиск положения горизонтальной плоскости разреза рельефа поверхности. Здесь же введена численная характеристика основания особенности — компактность.

Пятый параграф содержит описание того, как производится измерение рельефа поверхности в процессе ООС. На нескольких показательных примерах демонстрируется связывание посредством обхода затравки с присоединением новых элементов цепи к растущему контуру. Детальное описание алгоритма сканирования, состоящего из четырёх основных процедур: привязки зонда к особенности поверхности, сканирования и распознавания апертуры, локального связывания, измерения разностей и сегментов, дано е виде отдельных пунктов. Описание сопровождается блок-схемами используемых процедур. В частности показано, каким образом можно исключить негативное влияние термодрейфа и ползучести на работу зондового микроскопа, а также реконструировать рельеф, предельные латеральные и вертикальные подробности в котором мельче чем те, чтс способен обнаружить микроскоп при обычном сканировании. По ходу изложения раскрываются нюансы метода, возможные ограничения и источники погрешностей.

В шестом параграфе приведён способ автоматического определения распределённы> в пространстве сканирования калибровочных коэффициентов, используемых для коррекции нелинейности, остаточной неортогональности, а также паразитных связей между манипуляторами. В описании даны конкретные рекомендации по увеличению производительности и точности процедуры распределённой калибровки, обсуждаются «подводные камни» методики.

В седьмом параграфе показано, каким образом из полученных в процессе ООС данных сборщик и стилизёр строят изображение реальной поверхности и стилизованной, соответственно. Подробно изложена методика сборки изображения с одновременной егс коррекцией по интерполированным калибровочным параметрам.

В заключительном восьмом параграфе главы описан предназначенный для сканирования произвольной поверхности способ прямого распознавания особенностей. Показано, что прямое распознавание может быть осуществлено через поиск обобщённых сед-ловых точек рельефа либо путём «травления» локальных экстремумов рельефа. По ход описания приводятся примеры виртуального сканирования разупорядоченных поверхностей с использованием различных способов локального связывания особенностей. В конце параграфа обсуждаются вопросы повышения надёжности распознавания на разупоря-цоченной поверхности в реальном режиме ООС: правильный выбор порогового значения используемого признака, применение дополнительных признаков особенностей и другие приёмы.

Вторая глава посвящена описанию различных способов позиционирования зонда сканирующего микроскопа по локальным особенностям рельефа поверхности. В первом параграфе представлен метод перемещения зонда по сетке особенностей вдоль задаваемой оператором трассы. Реализацию этой важнейшей функции обеспечивает процедура маршрутизации. Относительные координаты для выполнения перемещений берутся из данных, предварительно полученных в процессе ООС того участка поверхности, на котором требуется произвести точное позиционирование.

Во втором параграфе показано, как через «привязку» зонда микроскопа к особенности поверхности можно осуществить совместное передвижение в латеральной плоскости точного и грубого позиционеров, обеспечивающее прецизионное размещение поля точного позиционера в поле грубого. Здесь же приведён краткий обзор трёх основных типов грубых манипуляторов, используемых в современных СЗМ: «шагающих», «ползущих» и инерционных. Сделан выбор наиболее подходящего для решаемой задачи манипулятора, а также указаны характерные погрешности предлагаемого позиционирования и способы борьбы с ними.

В третьем параграфе дано описание возможного решения часто возникающей на практике задачи возврата зонда СЗМ-нанолитографа в операционную зону. Возврат осуществляется в полностью автоматическом режиме. Подход обобщается на случай перемещения между несколькими технологическими зонами, расположенными в разных местах поля грубого позиционера. В четвёртом параграфе приведён способ, с помощью которого можно точно определить относительные координаты зондов многозондового мик-эоскопа-нанолитографа, что позволяет собирать целое изображение из отдельных фрагментов, полученных каждым из зондов, а также применять по очереди разные типы зон-цов к одному и тому же нанообъекту на поверхности.

В третьей главе представлены результаты проведения целого ряда экспериментов, подтверждающих возможности, заложенные в метод ООС. Проверка работы алгоритма в эеальном режиме сканирования осуществлена в достаточно широком классе поверхностей, куда вошли: высокоупорядоченная поверхность пиролитического графита, разупо-эядоченная, а местами и квазиупорядоченная поверхность электрохимически полированного алюминия, полностью разупорядоченная поверхность осаждённой из плазмы плёнки углерода. Демонстрация работы метода выполнена на разных типах зондовых приборов: сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) и сканирующем атомно-силовом микроскопе.

ACM). Размеры особенностей и расстояния между особенностями на используемых поверхностях охватывают диапазон от отдельных атомов до нескольких сотен нанометров, причём разупорядоченные поверхности имеют ещё и разные дисперсии этих величин.

В заключение диссертации обсуждаются основные результаты, делаются общие выводы, а также перечисляются направления, в которых предложенный метод может быть усовершенствован и развит в ближайшей перспективе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Предложен, разработан и подтверждён экспериментально объектно-ориентированный подход к сканированию и позиционированию на поверхности образца. Развиваемый метод без какой-либо переделки микроскопа может применяться на любом сканирующем зондовом приборе для изучения широкого класса упорядоченных, частичнс упорядоченных и разупорядоченных поверхностей. Предложенные решения носят комплексный характер, помимо прецизионного позиционирования в поле точного манипулятора рассматриваются не менее важные вопросы перемещения зонда на большом поле грубого манипулятора, автоматического возврата зонда в операционную зону, связывания зондов в многозондовом микроскопе, автоматизации измерений, сбора статистической информации о поверхности и др.

Отличительной чертой предложенного алгоритма ООС является его способность подавлять шумы микроскопа, что приводит к существенному увеличению точности СЗМ измерений. Многократное усреднение сегментов поверхности, а также относительного расстояния между ними позволяет избавиться от воздействия шумов как в системе стабилизации туннельного тока (силы), так и в системе латерального позиционирования. Причём, при возникновении случайного сбоя, вызванного внешними сейсмическими, акустическим электромагнитными и другими источниками, испорченные данные автоматически отбрасываются, и производится повторное сканирование, что делает результаты измерения рельефа также нечувствительными к однократным возмущениям случайного характера.

К принципиальному недостатку метода следует отнести свойственное всем цепочкам накопление погрешности. Очевидно, что единственным способом её ограничения является увеличение числа усреднений при определении относительных координат следующей особенности, а также установление «поперечных» связей (см. ниже). Однако не следует думать, что накопление погрешности в цепочке особенностей есть свойство присущее только предложенному методу. Элементы изображения в обычном растре это тоже цепочка (слабосвязанная): цепочка из элементов строки и цепочка из самих строк.

Другим общим недостатком цепочек, последовательностей и т. п. структур является свойственная им ненадёжность как системы в целом: достаточно порвать одно звено I/ можно потерять всю конструкцию. Тем не менее, в технике и в живой природе мы чаете наблюдаем высокую устойчивость цепочечных систем. В технике хорошим примером может служить современный компьютер фон-неймановской архитектуры, который при работе оперирует последовательностями бит, байт, слов. Длины последовательностей — ог ромные, исчисляются триллионами элементов, а надёжность вычислений за счёт применения специальных методов контроля остаётся высокой. В биосистемах гигантские молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), представляющие собой цепочки элеменгов, также демонстрируют высокую системную устойчивость.

В предложенном методе ООС достижение структурной устойчивости и высокой надёжности связывания может быть получено как за счёт увеличения числа используемых в методе признаков особенности, так и за счёт дальнейшего развития и оптимизации механизмов связывания. В первую очередь следует обратить внимание на возможность установления и контроля поперечных связей в получаемых сетях. Создание поперечных связей переводит цепочку из одномерной структуры в более стабильную двумерную структу-эу — сеть, вводя некоторую избыточность. Переход к сети требует выполнения дополни-гельных циклов поперечного скиппинга, поэтому повышение надёжности произойдёт здесь по цене более продолжительного времени сканирования. В качестве примера зновь можно привести молекулу ДНК, состоящую из двух спиралей — цепочечных струк-гур, скреплённых поперечными связями.

Если в процессе ООС возникает ошибка связывания, то она легко обнаруживается тибо по отсутствию особенности в заданной позиции цепочки, либо по большому смещению относительно этой позиции, либо по несоответствию других признаков особенности. Щля устранения ошибки связывания существующий алгоритм следует снабдить специальным механизмом автоматического восстановления правильного связывания. Выполнив в месте сбоя привязку к ближайшей особенности, а затем сканирование апертуры с последующим анализом признаков захваченной особенности, а также признаков и струк-гуры её ближайших соседей, отыскиваются совпадения в цепи. Если данных в текущей апертуре недостаточно для уверенной идентификации места «повреждения», то размер апертуры увеличивается, и описанная последовательность действий повторяется. Определив ближайшую к месту сбоя особенность цепи, производится переход к этой особенности и привязка, после чего проверяется целостность цепи путём перемещения от одно-о её элемента к другому. Достигнув последней особенности цепочки, ООС возобновля-этся.

Следует отметить, что восстановление правильного связывания возможно только на эазупорядоченной поверхности либо на упорядоченной, если последняя имеет дефекты.

19 60 63 99 ~.

1ли некоторую сверхструктуру, сверхрешётку и т. п., ' ' ' размеры которой превосходят размеры используемой апертуры. Обсуждаемые вопросы повышения надёжности ЭОС особенно актуальны в тех случаях, когда в процессе измерения существует вероятность непреднамеренной модификации поверхности, что обычно происходит на мягких образцах, на легко разрушаемых хрупких образцах, а также на образцах, имеющих значи-" ельный слой слабосвязанного адсорбата.

Изначально искажающие факторы в предложенном методе были разделены на две руппы, в первую временную вошли термодрейф и крип, а во вторую пространственнуюнелинейность, кауплинг, неортогональность. В пределах каждой из групп дальнейшее.

разделение не требуется и, по-видимому, в полной мере невозможно. Так как в данном алгоритме гистерезис никак не компенсирован, то измерения будут содержать погрешности. Учитывая сказанное, метод рекомендуется применять в микроскопах, где гистерезис гЮО 101,102 либо устранен, либо мал.

Анализ экспериментального материала показывает, что в сравнении с обычным сканированием алгоритм ООС не порождает больших крипов и связанных с ними погрешностей: малые размеры апертур и сегментов, короткие плавные переходы между особенностями, взаимно-встречные перемещения в апертуре, в сегменте, при скиппинге и в квазистроках, возможность задания после перемещения паузы любой длительности посредством введения последовательности циклов привязки к особенности.

С целью дальнейшего уменьшения абсолютной величины крипа, самогенерируемогс в процессе ООС, возможно осуществить оптимизацию траектории связывания. Необходимо уметь так связывать особенности в группе, чтобы развиваемый результирующий дрейф был бы минимальным, приблизительно постоянным по величине и по направлению. При выполнении анализа следует учитывать предыдущие перемещения в цепочке и будущие на некоторую глубину от текущего положения. Учёт перемещений можно вести, хотя и менее эффективно, «вслепую» — динамически в процессе сканирования, либо выполнить сканирование поверхности обычным способом, а затем производя на полученной картинке виртуальное сканирование и соответствующий анализ. В последнем случае можно найти некоторую оптимальную или близкую к ней траекторию связывания, после чего попытаться реализовать её в реальном режиме.

Другой вид искажений, всё ещё присутствующий в изображениях, полученных методом ООС, вызван эффектами взаимодействия зонда с поверхностью, размерами зонда и.

— 5 20 60 61 66 85 88 89 90 103 104,105 106 о его Среди возможных причин появления временных нестабильностей, наблюдавшихся в процессе ООС атомной поверхности графита, следует отметить: наличие у использовавшихся механически срезанных игл многих окончаний, сложную динамику этих окончаний, нежелательную модификацию кончика иглы во время эксперимента, загрязнение и окисление кончика иглы при работе на воздухе.

Способы получения стабильных игл, оканчивающихся одним атомом, были описаны в работах Ватанабе90 и Финка.107 Финк, в частности, отмечал, что изготовленные в ионном микроскопе вольфрамовые иглы с моноатомным кончиком обладают долговременной стабильностью и позволяют проводить длительные эксперименты, связанные с накоплением статистических данных, что как раз и имеет место в ООС. Следовательно, для увеличения надёжности ООС атомного рельефа необходимо использовать высокий вакуум, чтобы предотвратить загрязнение и окисление иглы, а также встроить в вакуумную камеру ионный микроскоп, с помощью которого формировать и контролировать совершенный кончик металлической иглы.

В настоящее время интенсивно развиваются работы по использованию нанотрубок в <ачестве зонда кантилевера.108,109 Исследования нанотрубок показали, что они обладают целым рядом преимуществ по сравнению с обычными кремниевыми зондами. Зонд на эснове одностенной нанотрубки имеет малый радиус кончика ~1 нм, большое аспектное этношение, механически более прочен и износоустойчив. Применение зонда-нанотрубки, а ООС представляется перспективным в АСМ-измерениях, где требуется получить рель-эф поверхности с нанометровым и субнанометровым разрешением.

В представленной работе было показано, что пьезосканер микроскопа не может быть охарактеризован тремя фиксированными калибровочными коэффициентами, поскольку, строго говоря, данные параметры являются величинами распределёнными по пространству сканирования.

Усреднённая по нескольким областям величина компактности является полезной чис-пенной характеристикой формы основания особенности. Если форма основания особенности a priori известна, то по изменению компактности можно судить о шумах и искажениях, возникающих в процессе сканирования. Компактность может служить также критерием соразмерности особенности в латеральной плоскости и дополнительным признаком при эаспознавании.

Следует отметить, что виртуальное и реальное сканирование в настоящей работе эыло выполнено с использованием сегментов фиксированного размера. В случае, когда эасстояния между особенностями и/или размеры самих особенностей имеют большой зазброс, размер сегмента становится переменным и должен определяться динамически з процессе сканирования. При этом необходимо помнить, что, начиная с определённой 1лотности особенностей, эффективность применения метода ООС в реальном режиме i/южет оказаться низкой: затраты времени сканирования большие, а увеличение точности 1змерений незначительное,.

Поскольку в способе ООС высокая точность измерений достигается ценой резкого снижения производительности сканирования: большое число усреднений, дополнительные перемещения зонда, высокая избыточность данных, то использование алгоритма на трактике во многом определяется долговременной стабильностью микроскопа и его быстродействием. Чем быстрее происходит сканирование, тем более медленным на его {зоне выглядит процесс изменения термодрейфа, и тем, в свою очередь, меньшую по-решность вносит применяемая схема линеаризации. Следует отметить, что точные из-лерения, выполняемые обычным строчным сканированием, часто также имеют продол-кительный характер.13″ 16.

По причине высокой избыточности проводимых измерений объём данных в приборе юзрастает многократно (в 5−15 и более раз, в значительной степени зависит от задавае-лого количества усреднений, устанавливаемого числа точек в апертуре и в сегменте, режимов работы и т. п.), поэтому управляющий компьютер должен обладать большим объёмом оперативной и массовой памяти. Управляющий компьютер также должен иметь высокопроизводительный процессор, для того чтобы обеспечить распознавание особенностей в реальном масштабе времени. Так как задача распознавания легко распараллеливается, то для достижения предельного быстродействия следует использовать пару процессоров (один процессор распознаёт холмы, а другой — ямы), разделяющую общую область памяти. Современное развитие средств вычислений вполне удовлетворяет тем требованиям, которые предъявляет к ним предлагаемый метод измерений.

СЗМ представляет собой механическое устройство последовательного действия и способен считывать рельеф поверхности или производить воздействие на поверхность шаг за шагом последовательно во времени. В связи с избыточным характером измерений предлагаемого метода сканирования, а также, учитывая размеры площадей атомарно-гладких поверхностей, доступных исследователю в настоящий момент, низкие скорости сканирования современных микроскопов и объёмы литографических работ, остро встаёт вопрос о возможных путях повышения быстродействия однозондовых микроскопов-нанолитографов.74,100,110.

Известно, что в существующих СЗМ критическими элементами при попытке достижения высокой скорости сканирования оказываются пьезоманипулятор и система стабилизации вертикального положения зонда. Поэтому для создания быстродействующего мик-роскопа-нанолитографа следует разработать манипулятор с малым временем отклика и систему стабилизации с минимальной задержкой управляющего сигнала в петле обратной связи.

Для того чтобы увеличить быстродействие манипулятора необходимо сделать его как можно более миниатюрным. Основная цель миниатюризации это уменьшение инерционной массы манипулятора и времени распространения в нём звуковой волны. Современная технология позволяет изготавливать не только миниатюрные, но даже микромеханические приводы.70,86,111 Так как рабочий диапазон подобных манипуляторов оказывается небольшим (единицы нанометров), то следует использовать промежуточные ступени для согласования перехода от мили/микрометрового масштаба к нанометровому при подводе зонда, компенсации в процессе сканирования среднего наклона поверхности и г-составляющей дрейфа. Причём для достижения наибольшей производительности сканирования промежуточные манипуляторы должны образовывать чёткую иерархию — диапазон перемещения/быстродействие.100.

Следует подчеркнуть, что предельную скорость сканирования можно развить толькс на атомарно-гладких поверхностях. Попытка измерения рельефа с большей шероховатостью приведёт к тому, что в работу будут вовлечены более грубые медленные ступени сканера, в результате чего производительность упадёт до уровня сравнимого с обычными системами, и выигрыш по времени от применения быстродействующего микроскопа получен не будет. Поэтому под используемой в нанолитографии поверхностью необходимо понимать именно атомарно-гладкую или близкую к ней поверхность.

Как было показано ранее, метод ООС достигает предельной точности при использовании в качестве особенностей атомов и междоузлий поверхности кристаллического тепа, а надёжность ООС в сильной степени зависит от наличия загрязнений на поверхности. Поскольку атомарно-гладкую свободную от адсорбированных атомов и молекул по.

10 11 верхность можно получить только в сверхвысоком вакууме (10 .10 тор), то сверхвы-зоковакуумный СЗМ92,112,113 является тем прибором, на котором метод ООС может показать наилучшие результаты.

Эксперименты по ООС, выполненные на воздухе, позволили сделать следующие вы-зоды. Первое, существующее оборудование способно обеспечить непрерывное многосу-гочное измерение/манипулирование на поверхности. Однако, для того чтобы ООС стало эолее надёжным, стабильность микроскопа во времени при изображении атомов должна 5ыть увеличена вдвое и доведена до одного сбоя, приводящего к потере зондом текуще-" о атома поверхности, на 106 привязок. Рост стабильности сканирования предполагается произвести путём переноса измерений в высокий вакуум и применения игл с хорошо оп-эеделённым кончиком.

Второе, для устойчивого сканирования и получения качественной реконструкции изображения атомного рельефа при небольшом числе циклов скиппинга (3−10) средняя ве-пичина полного дрейфа в процессе измерения должна быть не более 0.5 А/с в латеральной плоскости и 0.05 А/с в вертикальной плоскости.

Максимальный по продолжительности непрерывный эксперимент по сканированию эазупорядоченной поверхности продолжался около 30 часов. ООС может быть приостановлено путём непрерывно повторяемой привязки зонда к текущей особенности, а затем продолжено. ООС может быть также полностью остановлено, а затем через некоторое зремя возобновлено, для чего необходимо только вручную найти последнюю особенность цепочки. В перспективе поиск последней особенности может быть автоматизиро-зан. Опыт, приобретённый в процессе реального ООС, показывает, что время работы на эдном и том же участке стабильной поверхности образца в полуконтактном режиме без ютери разрешения может составлять месяцы.

Повысить производительность СЗМ можно, идя по пути одновременного использова-мя множества зондов — линеек или матриц.86,114 Основная проблема, с которой столкну-1ись разработчики многозондовых устройств, заключается в том, что каждый зонд дол-кен иметь, по крайней мере, 7-манипулятор со своей собственной системой регулирова-шя, чтобы выполнить локальное измерение/воздействие, не повредив себя и поверх-юсть. Для того чтобы использовать метод ООС в многозондовом микроскопенанолитографе необходимо, чтобы каждый зонд обладал ещё и своими собственными ХУ-манипуляторами. Однако наличие ХУг-манипулятора у каждого зонда значительно усложняет конструкцию многозондового СЗМ. Из-за многократного увеличения и без тоге большого объёма получаемых данных управление многозондовым СЗМ становится ещё более сложным и должно осуществляться с применением многих процессоров, обслуживающих зонды в режиме разделения времени.

В современных аналитических системах, предназначенных для изучения поверхности возможно получение изображений одного и того же участка различными методами. Причём, чем больше было задействовано методов, тем более адекватной будет интерпретация полученных данных. Однако нужно быть уверенным, что представленные данные относятся к одному и тому же участку поверхности. Очевидно, что некоторые особенности на некоторых изображениях различной физической природы будут либо менее контрастно выражены, либо будут даже отсутствовать вообще. Если число подобных особенностей невелико, то при использовании объектно-ориентированного подхода множестве изображений может быть достаточно просто совмещено.

Способность микроскопа автономно перемещать зонд в заданном направлении от одного атома к другому, можно использовать для автоматического поиска на поверхности различных дефектов: вакансий, включений, дислокаций, моноатомных ступенек, областей разупорядоченности и т. п. Одновременно с поиском может быть выполнено накопление статистической информации. Причём, траекторию перемещения при сборе статистики можно установить «блуждающей», для чего последовательно случайным образом нужно задавать длину подцепочки и направление движения. Обладая соответствующими процедурами сорбции и десорбции, представляется совершенно реальным выполнить «залечивание» дефектов поверхности в полностью автоматическом режиме.

Удерживая направление движения так, чтобы оно постоянно совпадало с кристаллографическим направлением на поверхности, по искривлению цепочки можно выявлять присутствие микродефектов и напряжений в кристаллическом теле. Если представить себе цепочку атомов, молекул или иных особенностей37,115,116,117 в качестве последовательности информационных бит, то данный принцип может быть использован при построении зондового запоминающего устройства (ЗЗУ) большой ёмкости117,118 для целей стабилизации положения зонда на информационной дорожке.119 Метод может также найти применение на начальном этапе проектирования ЗЗУ для натурного моделирования и идентификации процесса считывания/записи, 120 исследования механизмов записи, нахождения разброса размеров элементов памяти и их положений на дорожке, анализа дефектов дорожки, определения латеральной ориентации, локального тренда и взаимного положения дорожек и т. п. 116.

Так как негативное воздействие термодрейфа и ползучести практически сведено на нет, а нелинейность, неортогональность и кауплинг могут быть исправлены в процессе сборки изображения, то снимаются ограничения на размеры скана. Теперь последние эпределяются только диапазоном перемещения грубого пьезосканера, а также площадью поверхности образца, пригодной для сканирования и/или модификации. При этом дости-" аемая методом ООС точность позволяет применять сканирующий зондовый микроскоп в качестве метрологического средства измерения и контроля.

Располагая информацией о пространственных положениях атомов, значительно уп-эощается обмен данными между СЗМ и существующими системами компьютерного мо-пекулярного моделирования. Привязав зонд микроскопа к интересующему нас объекту, зозможно in situ проследить за его движением по поверхности. Так, можно изучать миграцию отдельных атомов, молекул, подвижных кластеров, различного рода островков, следить за перемещениями и транспортом микробиологических объектов, исследовать дви-кение дефектов в кристаллах и т. п.

Рассмотрим разработанный в университете Северной Каролины121 США наноманипу-пятора DP-100 Phantom™.122,123 Данное устройство стоимостью в несколько десятков ты—яч долларов представляет собой ручной манипулятор с шестью степенями свободы, подключаемый к микроскопу фирмы ThermoMicroscopes.124 Оператор перемещает ручку манипулятора в пространстве, а зонд СЗМ синхронно в соответствующем масштабе по-зторяет это движение на/вблизи поверхности образца. Причём три перемещения манипулятора имеют так называемую обратную реакцию (force feedback), что позволяет экспериментатору буквально почувствовать силы, с которыми поверхность притягивает/отталкивает зонд, почувствовать пластичность/упругость материала поверхности, ад-езию, силы трения и т. п.

Так же как и наноманипулятор, предлагаемый в настоящей работе метод ООС ком-юнсирует термодрейф и ползучесть, но делает это автоматически без всякого участия) ператора (анализатор зрения человека заменён процедурой распознавания) и значи-" ельно более точно. Безусловно, предложенный наноманипулятор способен помочь экс-юриментатору особенно на самых ранних этапах исследования, когда на поверхности) ужно что-то собрать или разобрать вручную.125 Однако для продвижения наноманипули-ювания как промышленной технологии данное устройство, разумеется, нельзя считатьритически важным элементом оборудования.

Благодаря постоянно действующей в методе ООС активной компенсации дрейфов и юзможности эффективного подавления шумов, часть экспериментов по манипулирова-шю атомами и молекулами, выполняемая ранее только на уникальных: риоСЗМ, 54,69,113,126 теперь может быть проделана на обычных аппаратах при комнатной емпературе, а СЗМ измерения нагреваемых/охлаждаемых образцов можно выполнять с юльшим увеличением и с меньшими искажениями результатов. Непрерывный монито.

90 ринг дрейфа прибора полезен как при проведении экспериментов, так и при конструировании, испытании и анализе работы узлов самого микроскопа.

Перечисленные выше новые возможности, предоставляемые ООС, связанные с измерением, позиционированием, воздействием и манипулированием на поверхности можно сочетать посредством составления сценариев с целью автоматизации сложны*.

24 продолжительных экспериментов или технологических процессов.

Как было показано, особенности определены в методе ООС в достаточно общем виде, что позволяет, в принципе, просканировать этим методом практически любую поверхность. Вопрос при применении метода состоит лишь в том, насколько применение данного подхода выгодно (эффективно) по сравнению с обычным сканированием, т. е. насколько велики преимущества метода ООС на данной поверхности, в заданных условиях и на данном приборе. На сегодняшний день решение этого вопроса полностью возлагается нг плечи экспериментатора. Однако возможно создание методики, которая автоматически после пробного ООС исследуемой поверхности и анализа полученных результатов могла бы «посоветовать» оператору, опираясь на сделанные ею оценки, наиболее оптимальный для данного частного случая метод измерения рельефа.