Методика измерения
СЗМ Solver P47H предназначен для количественных и качественных измерений приповерхностных характеристик различных объектов и сопутствующих им физических полей с разрешениями вплоть до атомарных.
Одним из основных элементов прибора Solver P47H является СЗМ головка, которая сама по себе является универсальным, многофункциональным СЗМ, наиболее важными элементами которого являются зонд, система регистрации отклонения зонда, пьезосканер, и система управления сканером.
Кроме СЗМ головки в состав прибора входит основание с системой автоматического сближения зонда с поверхностью образца, оптическая система с микроскопом, виброзащитный столик, электронный контроллер и компьютер.
Схема регистрации отклонений кантилевера основана на оптической следящую системе типа «оптический рычаг». Регистрирующая система позволяет определять угловое отклонение кантилевера с разрешением менее 0.1", что обеспечивает разрешение по вертикали 0.05 нм. Регистрирующая система состоит из источника излучения, позиционно‑чувствительного фотоприемника и оптической системы. Источником излучения является полупроводниковый лазер с длиной волны 670 нм и мощностью 0.9 мВт. Позиционно‑чувствительным фотоприемником является четырехсекционный фотодиод. Оптическая система состоит из фокусирующего объектива, двух зеркал, зеркальной поверхности кантилевера и линзы. Луч лазера фокусируется объективом в эллиптическое пятно размером ~50 микрон на обратной стороне кантилевера в районе острия. Отраженный от кантилевера свет попадает на четырехсекционный фотодиод. Отклонение кантилевера вызывает перемещение лазерного пятна относительно сегментов (см. рис. 11) фотодиода, что вызывает изменение электрических сигналов поступающих с этих сегментов. Сигналы предварительно обрабатываются (усиливаются, складываются и вычитаются) и с выхода регистрирующей системы поступают три сигнала:
‑ «DFL» ‑ сигнал пропорциональный отклонению кантилевера в вертикальном направлении. «DFL» является разностным сигналом между верхней и нижней половинами фотодиода;
‑ «LF» ‑ сигнал, пропорциональный боковому отклонению луча. Регистрирующая система прибора позволяет измерять крутильную деформацию кантилевера, которую могут вызывать боковые силы. Крутильная деформация смещает отраженный луч в боковом направлении. «LF» является разностным сигналом между правой и левой половинами фотодиода;
‑«LASER» ‑ сигнал пропорциональный суммарной интенсивности света, отраженного от кантилевера. «LASER» является суммарным сигналом от всех четырех сегментов фотодиода. Данный сигнал используется при юстировке лазера.
При сканировании пятно лазерного луча остаётся неподвижным относительно кантилевера, в то время как кантилевер закреплен на подвижной части головки, а лазер на неподвижной части. Это достигается благодаря использованию специально разработанной оптической следящей системе.
В СЗМ головке используется сканер, обеспечивающий максимальное поле сканирования размером приблизительно 65 микрон на 65 микрон. Сканер состоит из двух пьезотрубок разного диаметра, вставленных одна в другую. Нижний конец большой трубки закреплен на головке, к верхнему концу крепится пьезотрубка, имеющая меньший диаметр. К нижнему концу последней крепится держатель кантилевера. Пьезотрубка меньшего диаметра обеспечивает сканирование в плоскости образца, большего ‑ перемещение кантилевера по нормали.
В режиме «полуконтактной» АСМ сканирование производится кантилевером, колеблющимся около поверхности образца. Особенность состоит в том, что колеблющееся острие находится настолько близко к поверхности, что оно слегка «стучит» по поверхности образца при сканировании, контактируя с поверхностью в нижней части своего размаха. При этом большую часть периода колебаний острие зонда не касается поверхности и вообще относительно слабо взаимодействует с образцом. И только при сближении иглы с поверхностью вплоть до попадания в область отталкивающего потенциала взаимодействие резко усиливается, и при этом соударении кантилевер теряет избыток энергии, накопленный за остальную часть периода. В зависимости от характера взаимодействия может меняться сдвиг фазы основной гармоники колебаний относительно возбуждающего сигнала, а также амплитуда и фаза высших гармоник. Кантилевер колеблется в вертикальном направлении на своей резонансной частоте или вблизи ее. Кантилевер является резонансной системой с большой добротностью и достаточно высокой резонансной частотой, обычно более 100 кГц. Амплитуда колебаний кантилевера имеет обычно величину в интервале примерно от 1 нм до 100 нм.
Возбуждение механических колебаний кантилевера производится при помощи пьезодрайвера, с которым непосредственно контактирует подложка кантилевера.
Лазерный луч регистрирующей системы отражается от кантилевера, колеблющегося в вертикальном направлении. Колебания кантилевера вызывают осциллирующее движение лазерного пятна относительно верхней и нижней половины фотодиода. Это приводит к появлению на выходе регистрирующей системы переменного электрического сигнала на частоте осцилляций кантилевера, амплитуда которого пропорциональна амплитуде колебаний острия кантилевера. В нашем случае этим сигналом является переменная составляющая сигнала «DFL» на частоте колебаний кантилевера. Таким образом, регистрирующая система измеряет величину амплитуды колебаний кантилевера и преобразует ее в электрический сигнал в виде переменной составляющей сигнала «DFL». Далее, производится обработка переменной составляющей сигнала «DFL» ‑ фильтрация, усиление и детектирование.
В приборе имеется несколько возможных вариантов обработки переменной составляющей сигнала «DFL», любой из которых может быть выбран по желанию оператора. Переменная составляющая сигнала «DFL» может быть направлена на вход синхронного усилителя (Lock-In amplifier), среднеквадратичного детектора (RMS detector) или фазового детектора (Phase detector). Синхронный усилитель формирует на выходе три электрических сигнала: «MAG»‑сигнал, соответствующий амплитуде переменной составляющей сигнала «DFL» на частоте модуляции; «MAG*sin» ‑ сигнал, пропорциональный произведению амплитуды переменного сигнала на частоте модуляции на синус сдвига фазы колебаний кантилевера относительно опорного сигнала; «MAG*cos» ‑ сигнал, пропорциональный произведению амплитуды переменного сигнала на частоте модуляции на косинус сдвига фазы колебаний кантилевера относительно опорного сигнала. Выбор производится оператором путем подключения соответствующего сигнала в цепь обратной связи на графическом интерфейсе программного управления прибором.
Использование сигнала «MAG» в качестве входного сигнала системы обратной связи является более предпочтительным, поскольку в этом случае можно достичь более низкого уровня шумов и, как следствие, получить более высокое разрешение, поскольку используется синхронное детектирование.
Работа прибора при измерении топографии поверхности в «полуконтактном» режиме производится в режиме поддержания постоянной амплитуды колебаний кантилевера, что обеспечивается поддержанием постоянного уровня сигнала «MAG». Предполагается, что именно этот сигнал («MAG») выбран в качестве сигнала обратной связи. Вначале, перед сканированием, оператор производит подвод образца к зонду на расстояние, при котором острие кантилевера начинает взаимодействовать с поверхностью. Оператор устанавливает начальную величину «MAG» посредством установки параметра «Set point».Тем самым он устанавливает определенную величину амплитуды колебаний кантилевера и, соответственно, определенный уровень взаимодействия острия и поверхности. Установка и поддержание заданной величины «MAG», равной значению «Set point» происходит благодаря работе системы обратной связи. Так как «MAG» является сигналом обратной связи, то при включении обратной связи этот сигнал поддерживается равным параметру «Set point», установленному оператором. При сканировании величина амплитуды колебаний кантилевера изменяется в каждой точке из-за рельефа поверхности. Соответственно, текущее значение сигнала «MAG» в каждой точке поверхности изменяется относительно уровня «Set point». Это отклонение от «Set point» при работе с обратной связью воспринимается, как сигнал ошибки. В каждой точке поверхности система обратной связи при помощи сканера перемещает зонд по нормали к поверхности таким образом, чтобы вернуть текущую величину «MAG» к значению «Set point», т.е. текущую величину амплитуды колебаний кантилевера к исходной величине. Одновременно, сигнал, пропорциональный вертикальному перемещению сканера, подается на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. После усилителя сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь и далее через интерфейсную плату записывается в память компьютера, формируя топографический образ поверхности образца.
Подготовку прибора к работе в режиме АСМ можно разделить на следующие основные операции:
‑включение прибора, запуск программы управления;
‑подготовка зонда (выбор и установка кантилевера);
‑настройка лазера, настройка фотодиода (наведение лазерного луча на кантилевер, установка максимального значения сигнала «LASER», нулевых значений сигналов «DFL» и «LF»);
‑подготовка и установка образца;
‑установка СЗМ головки на блок подвода (установка, проверка параллельности, начальный подвод образца).