Инструментальные средства нанотехнологий: электронная микроскопия
Содержание
Введение
1. Анализ состояния сканирующей электронной микроскопии
1.1 Назначение, типы, марки, классификация сканирующей электронной
микроскопии
1.2 Устройство и работа сканирующего электронного микроскопа
2. Основные характеристики современных сканирующих электронных
микроскопов
2.1 Микроскоп VEGA 3 LM
3. Перспективы совершенствования сканирующих электронных
микроскопов
Заключение
Список использованных источников
Введение
Для современной электроники характерен постоянно ускоряющийся
переход к применению мате риалов, элементной базы и комплектующих изделий,
использующих свойства на пользующих свойства наноразмерных структур. Все
большее значение приобретают изделия и устройства, в которых не менее двух
координатных измерений соответствуют размерам, на которых проявляются квантовые
эффекты. Обычно такие размеры составляют от единиц до десятков нанометров.
Одним из направлений получения наноструктур является их
синтез в ходе эпитаксиального выращивания кристалла. Ярким примером может
служить бурно развивающееся в последние годы направление по выращиванию
полупроводниковых структур с массивами "квантовых точек".
Продемонстрированные здесь преимущества и гибкость метода молекулярно-пучковой
эпитаксии позволили получить приборные светоизлучающие структуры для
поверхностно-излучающих лазеров. Разнообразие получаемых нанообъектов с каждым
днем растет, причем часть нанообъектов неожиданны, но чрезвычайно востребованы.
Так, разработка эпитаксиального роста вискеров для трехмерных схем привела к
появлению нового продукта - нановолокон, заметно увеличивающих прочность
композиционных материалов, а также находящих применение при производстве
косметики.
Вторым направлением получения электронных нанообъектов
являются локальные методы воздействия на планарную структуру, к которым, прежде
всего, относятся зондовые методы, а также фокусированный ионный пучок.
Указанные методы обеспечивают ранее недостижимые возможности
программируемого локального воздействия на кристалл в наноразмерном и даже
атомном масштабе в сочетании с уникальной визуализацией процесса воздействия в
масштабе до единиц ангстрем [5].
В связи с этим в настоящее время широко применяют сканирующие
зондовые микроскопы. Они установлены в ведущих нанотехнологических центрах
России, таких как:
Институт кристаллографии РАН;
Московский физико-технический институт (государственный
университет);
Южный Федеральный университет (бывший Таганрогский
радиотехнический университет).
В связи с разработкой новых материалов и технологий в
последние годы резко возрос интерес к исследованию особенностей физических свойств
и структуры малых частиц. Отличие свойств малых частиц от свойств массивных
образцов было замечено уже давно и используется в самых разнообразных
технических приложениях, спектр которых очень широк. Порошки из малых частиц
работают в качестве катализаторов несравненно лучше, чем массивные образцы из
тех же материалов, а введение малых металлических частиц внутрь керамических
материалов придаёт этим материалам уникальные механические свойства. Обилие
возможных технических приложений привело к тому, что изучение малых частиц
трансформировалось в целое научное направление, ставшее связующим звеном между
физикой твёрдого тела и атомной физикой. На ряд возникающих в рамках данного
научного направления вопросов и способна ответить сканирующая электронная микроскопия.
В настоящее время основными способами получения малых металлических частиц
являются нуклеация из газовой фазы с использованием различных методов
физического и химического осаждения паров на подложку, а также их рост из
расплава или раствора электролита. Однако наиболее перспективным способом
получения малых металлических частиц является электрокристаллизация металлов.
Основным достоинством этого способа является сравнительно простая технология,
низкая себестоимость, возможность автоматизации и практически неограниченные
возможности варьирования свойств получаемых объектов. Развитие представлений о
механизме формирования при электрокристаллизации малых частиц, а также
обоснование путей их создания требует для исследования наличия объектов с
разнообразной исходной структурой. В свою очередь структура, формирующаяся при
электрокристаллизации, зависит от состава электролита, а так же технологических
факторов электроосаждения. В этой связи возрастает значение структурных методов
исследования, поскольку именно структура электроосаждённых металлов определяет
их свойства. Детальное изучение структуры позволит понять характер различных
физико-химических процессов, происходящих при электроосаждении металлов, а
также выяснить роль технологических факторов, влияющих на протекание этих
процессов [1].
1.1
Назначение, типы, марки, классификация сканирующей электронной микроскопии
Электронная микроскопия - совокупность
электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их
локального состава и микрополей (электрических, магнитных и др.) с помощью
электронных микроскопов - приборов, в которых для получения увеличения
изображений используют электронный пучок. Различают два главных направления
электронной микроскопии: трансмиссионную (просвечивающую) и растровую
(сканирующую). Они дают качественно различную информацию об объекте
исследования и часто применяются совместно. Известны также отражательная,
эмиссионная, электронная, лоренцова и иные виды электронной микроскопии,
реализуемые, как правило, с помощью приставок к трансмиссионным и растровым
электронным микроскопам [6].
Сканирующая электронная микроскопия (CЭМ) позволяет
одновременно исследовать размеры и форму зерен, распределение зерен и фаз по
размерам, определить состав фазы и распределение химических элементов по ее
площади и по площади исследуемого образца, химическую неоднородность по площади
шлифа, а также получить изображение объекта в широком диапазоне увеличений во
вторичных и отраженных электронах [3].
Электронные микроскопы позволяют добиться гораздо большего
увеличения, чем оптические. Все дело в использовании пучка электронов вместо
светового потока, благодаря чему электронный микроскоп обеспечивает увеличение
до 200 000 раз. Что касается разрешающей способности, то она в 1000 раз превосходит
разрешающую способность оптического светового микроскопа. В конструкцию
электронного микроскопа входят специальные магнитные линзы, которые управляют
движением электронов.
Таким образом, электронный микроскоп в общих чертах повторяет
конструкцию оптического микроскопа - меняется лишь принципиальное
технологическое решение. Устройство его можно представить лишь схематически -
нарисовать каждый его компонент таким, каким он выглядит на самом деле, просто
не хватит ни места, ни терпения.
Существуют несколько видов электронных микроскопов:
просвечивающий электронный микроскоп; просвечивающий растровый (сканирующий)
электронный микроскоп; растровая (сканирующая) электронная микроскопия.
В просвечивающем электронном микроскопе используется
высокоэнергетический электронный пучок для формирования изображения.
Электронный пучок создается посредством катода (вольфрамового, LaB6,
Шоттки или холодной полевой эмиссии).
Полученный электронный пучок ускоряется обычно до +200 кэВ
(используются различные напряжения от 20кэВ до 1мэВ), фокусируется системой
магнитных линз
<#"783745.files/image001.gif">
Рисунок 1 - Сканирующий электронный микроскоп серии VEGA 3
Варианты исполнения микроскопов моделей VEGA 3 LM: VEGA 3 LMH и VEGA 3
LMU.3 LMH - модель микроскопа с большой камерой и увеличенным моторизованным
столиком для работы в режиме высокого вакуума. Подходит для широкого диапазона
технических применений при исследовании проводящих образцов.3 LMU - сохраняющая
преимущества модели с высоким вакуумом, модель микроскопа VEGA 3 LMU
предназначена для работы с переменным давлением, с дополнительными техническими
возможностями для исследования непроводящих образцов в их естественном
состоянии (без напыления).
Основные преимущества VEGA 3 LM:
Современная электронная оптика: уникальная четырехлинзовая
электронная оптика Wide Field Optics™, предназначенная для получения
изображений в различных режимах. Запатентованная промежуточная электромагнитная
линза (IML) выполняет функции устройства для смены финальной апертуры. Линзы и
катушки изготовлены из высококачественных материалов, что обеспечивает
ультравысокую скорость сканирования (вплоть до 20 нс/пиксель) с
минимизированными динамическими эффектами искажения. Обновленная технология
In-Flight Beam Tracing™ для контроля и оптимизации рабочих характеристик и
параметров электронного пучка в реальном времени. Исполнение колонны без
механически центрируемых элементов позволяет сделать настройку и регулировку
электронно-оптической системы полностью автоматической. Уникальное
"живое" стереоскопическое изображение, использующее технологию 3D
Beam Technology, открывает удивительные возможности для 3D исследований микро -
и наномира.
Аналитический потенциал: большая камера образцов и 5-ти
осевой полностью моторизованный столик образцов. 11 интерфейсных портов камеры
с оптимизированной аналитической геометрией для детекторов EDX, WDX и EBSD.
Чувствительные детекторы электронов с высококлассными YAG кристаллами. Широкий
выбор детекторов и аксессуаров. Мощные турбомолекулярный и форвакуумный насосы
обеспечивают достижение рабочего вакуума за несколько минут 3D-измерения
реконструированной поверхности с использованием интегрированного ПО.
Автоматизированный анализ: тщательный и надежный автоматический анализ с
помощью быстрого и точно позиционируемого столика, управляемого компьютером.
Коммуникация с оборудованием сторонних производителей осуществляется по
протоколу TCP/IP, что позволяет проводить автоматический элементный анализ,
управление манипуляторами и т.д. Расширение программного обеспечения по
автоматизации анализа частиц, получения изображения с большой площади образца и
морфологического анализа. Встроенный язык программирования (Python) открывает
возможности для создания собственных процедур автоматизации. Удобное
программное обеспечение: Многопользовательский интерфейс, локализованный под
много языков, включая русский. Четыре уровня прав доступа для пользователей
разной степени подготовки; режим EasySEM™ для быстрых рутинных
исследований. Обработка и хранение изображений; создание отчетов. Встроенная
система самодиагностики для ежедневной автоматической сервисной проверки.
Возможность удаленного доступа по сети для управления, настройки и диагностики
[11].
3.
Перспективы совершенствования сканирующих электронных микроскопов
Для современной электроники характерен постоянно ускоряющийся
переход к применению материалов, элементной базы и комплектующих изделий,
использующих свойства наноразмерных структур. Все большее значение приобретают
изделия и устройства, в которых не менее двух координатных измерений
соответствуют размерам, на которых проявляются квантовые эффекты. Обычно такие
размеры составляют от единиц до десятков нанометров. Одним из направлений
получения наноструктур является их синтез в ходе эпитаксиального выращивания
кристалла. Ярким примером может служить бурно развивающееся в последние годы
направление по выращиванию полупроводниковых структур с массивами
"квантовых точек". Продемонстрированные здесь преимущества и гибкость
метода молекулярно-пучковой эпитаксии позволили получить приборные
светоизлучающие структуры для поверхностно-излучающих лазеров. Разнообразие
получаемых нанообъектов с каждым днем растет, причем часть нанообъектов
неожиданны, но чрезвычайно востребованы. Так, разработка эпитаксиального роста
вискеров для трехмерных схем привела к появлению нового продукта - нановолокон,
заметно увеличивающих прочность композиционных материалов, а также находящих
применение при производстве косметики. Вторым направлением получения
электронных нанообъектов являются локальные методы воздействия на планарную
структуру, к которым, прежде всего, относятся зондовые методы, а также
фокусированный ионный пучок.
Указанные методы обеспечивают ранее недостижимые возможности
программируемого локального воздействия на кристалл в наноразмерном и даже
атомном масштабе в сочетании с уникальной визуализацией процесса воздействия в
масштабе до единиц ангстрем. Аппаратурное объединение двух указанных подходов в
единый приборный комплекс дает поистине уникальные возможности по разработке и
созданию трехмерных нанообъектов. При этом особые требования должны
предъявляться к системе позиционирования образца. Она должна не только
обеспечивать высокую точность трехкоординатного позиционирования, но и
выполнять роль объединяющего (сопрягающего) фактора, т.е. гарантировать
обработку разными методами одного и того же участка образца. При соблюдении
этих требований можно обеспечить более эффективную разработку традиционных
приборов микро - и оптоэлектроники: сверхбыстродействующих транзисторов и
микросхем, диодов Ганна, эффективных светоизлучающих диодов и лазеров и т.п., в
основе работы которых лежат квантовые эффекты в слоях материалов с
пространственной протяженностью в единицы нанометров.
Для эффективной разработки и производства перспективных
приборов на основе наногетероструктур базовым инструментом исследования,
контроля и формирования нанообъектов предполагалось сделать комплекс, состоящий
из технологического модуля МПЭ и аналитико-технологических модулей сканирующего
зондового микроскопа и фокусированного ионного пучка. Сочетание перечисленных
методик дает возможность не только исследовать морфологию поверхности,
дислокационную структуру на поверхности, наличие кластеров и включений, образование
доменов, развитие прорастающих дислокаций, но и в сочетании с возможностями
технологии МПЭ активно формировать приборную наногетероструктуру, внося
контролируемые модификации в границы разделов слоев кристалла. Существенно, что
любые примеси и загрязнения из окружающей среды (воздуха), попадающие на
поверхность кристалла в область действия квантовых эффектов, могут значительно
исказить свойства и характеристики материала и изделия в целом. Поэтому
изначально как для исследовательских, так и для технологических целей
закладывалась возможность переноса кристалла из технологической камеры в камеру
исследования или другого технологического процесса без нарушения состояния
поверхности, т.е. в условиях сверхвысокого вакуума [5].
Заключение
В начале 90-х годов прошлого века в России были прекращены
перспективные разработки и серийный выпуск технологического оборудования,
предназначенного для применения в прорывных технологиях микроэлектроники и
наноэлектроники, в значительной мере на сегодня определяющих научно-технический
потенциал государства [6].
В настоящее время идет активное изучение наномира. В связи с
этим очень востребованы приборы позволяющие изучать нанообъекты. Сканирующие
электронные микроскопы являются незаменимыми в крупных
исследованиях, поэтому их производство очень перспективно и
необходимо современной науке.
Список
использованных источников
1.
Ясников И.С., Нагорнов Ю.С. Сканирующая электронная микроскопия как метод
изучения микроскопических объектов электролитического происхождения //
Фундаментальные исследования. Пенза. 2013. Вып.1. - С.758-764.
.
Фоменко О.Ю., Ледяева О.Н. Применение сканирующей электронной микроскопии в
решении актуальных проблем материаловедения // Журнал сибирского федерального
университета. Красноярск. 2009. Вып.2. - С.287-293.
.
Хохряков С.В., Валеев Р.Г. Электронно-микроскопические и рентгенодифракционные
исследования наноструктур на основе zns в пористых матрицах оксида алюминия //
Вестник удмурдского университета.
Ижевск.
2011. Вып.2. - С.8-11.
.
Быков В.А. Разработка и освоение производства приборов и оборудования для
нанотехнологии // Российские нанотехнологии. Москва. 2007. Вып.1. - С.32-36.
6. Российская
национальная нанотехнологическая сеть [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
<http://www.rusnanonet.ru>. - Инструменты нанотехнологий.
. Российская
национальная нанотехнологическая сеть [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
<http://www.rusnanonet.ru>. - Просвечивающие электронные микроскопы.
. Российская
национальная нанотехнологическая сеть [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
<http://www.rusnanonet.ru>. - Сканирующие гелиево-ионные микроскопы.
. Российская
национальная нанотехнологическая сеть [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
<http://www.rusnanonet.ru>. - Сканирующие электронные микроскопы.
. Видеть
невидимое - все о микроскопах [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
<http://www.mikroskope.ru>. - Электронный микроскоп.
. Российская
национальная нанотехнологическая сеть [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.rusnanonet.ru. - VEGA 3 LM - сканирующий электронный микроскоп.