Корнилов В.М., Галиев А.Ф.. Основы сканирующей зондовой микроскопии

5.В высветившемся окне управления микроскопом, нажмите кнопку «Frame», после чего появится изображение максимально возможной площади сканирования.

6.Нажмите кнопку «лупа», в левом нижнем углу этого окна, и переведите указатель мыши в центр окна-сетки. Изображение стрелки должно поменяться на лупу. Нажмите дважды левую кнопку мыши, после чего изображение сетки увеличится. Затем нажмите кнопку «лупа» еще раз, чтобы отключить увеличение.

7.Щелкните дважды левой кнопкой мыши в левом верхнем углу сетки. Нажмите левую кнопку еще раз, и, удерживая ее, перетащите указатель к нижнему правому углу. Если все сделано правильно, после отпускания кнопки, должна остаться квадратная фигура над поверхностью сетки.

8.Нажмите кнопку «Z appr», после чего запустится подвод иглы к образцу, что можно определить по появлению характерного потрескивания от микроскопа. В случае достижения необходимого туннельного зазора, подвод иглы закончится, и компьютер выдаст короткий звуковой сигнал.

9.Запустите сканирование нажатием кнопки «Scan», после чего появится окно будущего кадра, которое тут же начнет постепенно прорисовываться строчка за строчкой.

10.Проанализируйте полученный кадр, опишите структуру поверхности.

Запрещается производить какие-либо операции с микроскопом в процессе сканирования!

Упражнение №2. Определение среднего диаметра зерен

1.По полученному в первом упражнении кадру измерьте n=10 раз диаметр 10 различных зерен d, с помощью функции «S».

2.Определите средний диаметр dср по формуле:

dср ndi ,

3. Вычислите отклонение di каждого измерения от среднего значения:

di dср di ,

4. Оцените абсолютную погрешность измерения диаметра по формуле:

d 2

d i

n(n 1)

5. Вычислите относительную погрешность :

11

7. Напишите подробный и обоснованный вывод. Результат измерения диаметра представьте в виде:

d (d d ) .

Контрольные вопросы

1.В чем заключается туннельный эффект?

2.Почему в качестве микродвигателей в микроскопе применяются пьезокерамические трубки?

3.Почему микроскоп ставится на массивную плиту?

4.Перечислите основные виды помех и искажений, возникающих при сканировании.

5.Как наличие воздушной среды влияет на качество получаемых изображений?

12

Лабораторная работа №3

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ

Цель работы

1)исследование поверхности нержавеющей стали,

2)измерение локальной шероховатости поверхности.

Оборудование: сканирующий зондовый мультимикроскоп СММ2000, оптический бинокулярный микроскоп МБС-10, персональный компьютер с программным обеспечением ScanMaster.

Образец представляет собой пластинку нержавеющей стали, отполированную с применением пасты ГОИ.

Шероховатость поверхности — совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине. Измеряется в микрометрах (мкм). Шероховатость относится к микрогеометрии твёрдого тела и определяет его важнейшие эксплуатационные качества. Прежде всего износостойкость от истирания, прочность, плотность (герметичность) соединений, химическую стойкость, внешний вид. В зависимости от условий работы поверхности назначается параметр шероховатости при проектировании деталей машин, также существует связь между предельным отклонением размера и шероховатостью. На рис. 1. представлено изображение сечения поверхности, по которому определяется шероховатость.

Рис.1. Профиль сечения поверхности

где: l — базовая длина; m— средняя линия профиля; — средний шаг неровностей профиля; — средний шаг местных выступов профиля;

— отклонение пяти наибольших максимумов профиля; —

отклонение пяти наибольших минимумов профиля; — расстояние от высших точек пяти наибольших максимумов до линии параллельной

средней и не пересекающей профиль; — расстояние от низших

13

точек пяти наибольших минимумов до линии параллельной средней и не

пересекающей профиль; — наибольшая высота профиля; — отклонения профиля от линии m; p— уровень сечения профиля; bn— длина отрезков, отсекаемых на уровне p.

 Основные виды шероховатостей: Ra—среднее арифметическое отклонение профиля;

или

Rz—высота неровностей профиля по десяти точкам;

Rmax— наибольшая высота шероховатостей профиля;

Порядок выполнения работы:

Упражнение №1.

Изучение морфологических особенностей поверхности стали

Внимание! При работе с микроскопом будьте предельно внимательны и осторожны.

1.Включите осветительную лампу оптического микроскопа. Снимите крышку микроскопа.

2.Регулируя увеличение и положение оптического микроскопа, получите четкое изображение зазора между иглой и стальной пластинкой.

3.Аккуратно передвигая столик в горизонтальном направлении, установите иглу над чистой и ровной поверхностью стали. Закройте крышку.

4.Включите микроскоп нажатием кнопки «Z», в меню программы

ScanMaster.

5.Получите 3 изображения в соотношении размеров 4:2:1.

6.Проанализируйте полученные кадры, опишите структуру поверхности.

Запрещается производить какие-либо операции с микроскопом в процессе сканирования!

14

Упражнение №2.

Определение шероховатости стальной поверхности

1.По полученному в первом упражнении кадру измерьте n=10 раз локальную среднеарифметическую шероховатость с помощью функции

«R».

2.Определите среднюю шероховатость Rср по формуле:

Rср nRi ,

3. Вычислите отклонение Ri каждого измерения от среднего значения:

7. Напишите подробный и обоснованный вывод. Результат измерения диаметра представьте в виде:

Rср (R R) .

Контрольные вопросы

1.Перечислите основные параметры, сечения поверхности, применяемые при определении шероховатости.

2.Отчего зависит шероховатость поверхности?

3.Какие макроскопические параметры объекта определяются шероховатостью поверхности?

15

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МИКРОСХЕМЫ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Цель работы

1)ознакомление с устройством и принципом работы атомносилового микроскопа (АСМ),

2)изучение строения микросхемы.

Оборудование: сканирующий зондовый мультимикроскоп СММ- 2000-15Е, столик с кантилевером (зондом) для атомно-силовой микроскопии, оптический бинокулярный микроскоп МБС-10, персональный компьютер с программным обеспечением ScanMaster.

Образец представляет собой кусочек микросхемы Intel D27512. Стираемая УФ-излучением микросхема памяти типа EPROM с 28 выводами. Объем памяти 512 Кбит.

Теория метода: В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце (рис. 1). Сила, действующая на зонд (так называемый кантилевер) со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Рис. 1.Схематическое изображение кантилевера

Характер данного взаимодействия в общем случае достаточно сложен, поскольку определяется свойствами зонда, образца и среды, в которой проводится исследование. В случае исследований незаряженных поверхностей в естественной атмосфере (на воздухе) основной вклад в

16

силовое взаимодействие зонда и образца дают: силы отталкивания, вызванные механическим контактом крайних атомов зонда и образца, силы Ван-дер-Ваальса, а также капиллярные силы, связанные с наличием пленки адсорбата (воды) на поверхности образца. Качественно работу АСМ можно пояснить на примере Ван-дер-Ваальсовых сил. Наиболее часто энергию ан-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, описывают степенной функцией – потенциалом Леннарда-Джонса:

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее притяжение, обусловленное, в основном, дипольдипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр r0 – равновесное расстояние между атомами, U0 – значение энергии в минимуме (рис. 2).

Рис. 2 Качественный вид потенциала Леннарда – Джонса

Потенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца.

В АСМ-режиме применяются кантилеверы фирмы Veeco, США марки MSCT-AUHV или MSCT-AUNM Они имеют пять балок с одной стороны и одну балку с другой стороны. Жёсткость самого длинного кантилевера 0.01 Н/м (рис. 5). Из рисунка видно, что длина кантилевера более 20 делений, что соответствует приблизительно 300 мкм.

17

Порядок выполнения работы:

Упражнение №1.

Изучение структуры поверхности микросхемы

Внимание! При работе с микроскопом будьте предельно внимательны и осторожны.

1.Включите осветительную лампу оптического микроскопа. Снимите крышкумикроскопа.

2.Регулируя увеличение и положение оптического микроскопа, получите четкоеизображениекантилеверанадповерхностьюобъекта.

3.Аккуратно передвигая столик в горизонтальном направлении, установите самый длинный кантилевер над чистой поверхностью объекта, контролируя её положениеспомощьюоптическогомикроскопа.

4.Выключитеосветитель.

5.Включите микроскоп нажатием кнопки «Z», в меню программы

ScanMaster.

6.В высветившемся окне управления микроскопом, нажмите кнопку «Frame», после чего появится изображение максимально возможной площади сканирования.

7.Щелкнитедваждылевойкнопкоймышивлевомверхнемуглусетки.

8.Нажмите левую кнопку еще раз, и, удерживая ее, перетащите указатель к нижнему правому углу. Если все сделано правильно, после отпускания кнопки, должнаостатьсяквадратнаяфигуранадповерхностьюсетки.

9.Нажмите кнопку «Z appr», после чего запустится подвод кантилевера к образцу, что можно определить по появлению характерного потрескивания от микроскопа. В случае достижения необходимого туннельного зазора, подвод иглызакончится, икомпьютервыдасткороткийзвуковойсигнал.

10.Запустите сканирование нажатием кнопки «Scan», после чего появится окно будущего кадра, которое тут же начнет постепенно прорисовываться строчказастрочкой.

11.Проанализируйтеполученныйкадр, опишитеструктуруповерхности.

Запрещается производить какие-либо операции с микроскопом в процессесканирования!

Упражнение№2.

Определениеплощади, занимаемойотдельнымтранзистором.

Примечание: один транзистор отвечает за 1 бит информации. Таким образом, зная объем памяти микросхемы и площадь, занимаемую одним транзистором, можнонайтиплощадьмикросхемы.

Пополученному впервомупражнении кадруизмерьтеn=10 разпродольныеa и поперечныеb размерыодноготранзистора, спомощьюфункции«S».

19

1. Определитесредниеa и b поформуле:

aср nai ,

2. Вычислите отклонение ai и bi каждого измерения от среднего значения:

ai aср ai ,

3. Оценитеабсолютнуюпогрешностьизмеренияa иb поформуле:

4.Вычислитеотносительнуюпогрешностьξ:

a 100% a

5.Заполнитетаблицу:

6. Напишите подробный и обоснованный вывод. Результат измерения размеров a и b представьте в виде:

a (a a) .

Контрольные вопросы

1.Поясните принцип работы АСМ.

2.Какие виды искажений изображений наблюдаются в АСМ-режиме?

3.Поясните формулу для потенциала Леннарда-Джонса.

4.Какому участку графика потенциала Ленннарда-Джонса приходится работа АСМ в контактном режиме?

5.Как наличие воздушной среды влияет на качество получаемых изображений?

6.По полученным и паспортным данным определите размер рабочей области микросхемы

20