АСМ МИКРОСКОП

В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) атомно-силовой микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдотрёхмерное изображение поверхности образца, АСМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, непроводящая поверхность, рассматриваемая с помощью АСМ, не требует нанесения проводящего металлического покрытия, которое часто приводит к заметной деформации поверхности. Для нормальной работы РЭМ требуется вакуум, в то время как большинство режимов АСМ могут быть реализованы на воздухе или даже в жидкости. Данное обстоятельство открывает возможность изучения биомакромолекул и живых клеток. В принципе, АСМ способен дать более высокое разрешение, чем РЭМ. Так, было показано, что АСМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоковакуумный АСМ по разрешению сравним со сканирующим туннельным микроскопом и просвечивающим электронным микроскопом.

К недостатку АСМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. Р ЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У АСМ максимальный перепад высот составляет несколько микрон, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150×150 мкм². Другая проблема заключается в том, что при высоком разрешении качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда приводит к появлению артефактов на получаемом изображении.

Нелинейность, гистерезис и ползучесть (крип) пьезокерамики сканера также являются причинами сильных искажения АСМ-изображений. Кроме того, часть искажений возникает из-за взаимных паразитных связей, действующих между X, Y, Z-манипуляторами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные АСМ используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование) либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некоторые АСМ вместо сканера в виде пьезотрубки используют XY и Z-элементы, механически несвязанные друг с другом, что позволяет исключить часть паразитных связей. Однако в определённых случаях, например, при совмещении с электронным микроскопом или ультрамикротомами конструктивно оправдано использование именно сканеров на пьезотрубках.

Немного истории

Микроскопия ещё со времен Левенгука является неотъемлемой частью научных исследований в области биологии, физики и материаловедения, — ведь недаром говорят, что «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». Однако возможности методов оптической микроскопии не безграничны, и в какой-то момент все уперлось в физические ограничения — разрешающая способность не может превзойти 0,2 мкм, что связано с так называемым дифракционным пределом.

Естественным выходом из ситуации было бы уменьшить длину волны, однако более коротковолновое излучение (например, рентгеновские лучи) губительно для биологических объектов. Впрочем, если не ставить целью наблюдение исключительно за живым объектом, то оказывается, что изучение «фиксированного» препарата способно дать чрезвычайно подробную информацию о внутреннем устройстве клетки.

Дифракционный предел оптической микроскопии — это невозможность различить два объекта, разделённые расстоянием меньшим, чем половина длины волны света.

где d — латеральное разрешение, λ — длина волны, NA — числовая апертура объектива. Подставив в эту формулу длины волн видимого света (500–800 нм) и наибольшее значение NA на воздухе (0,95), получим максимально достижимое латеральное разрешение — 200 нм. Это и есть дифракционный предел.

Для подробного ознакомления с атомно-силовыми микроскопами компании Agilent посетите наш каталог или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам.

Туннельный эффект — преодоление квантовой частицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Это явление исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее классической механике. Туннельный эффект можно объяснить соотношением неопределенностей, которое можно представить в виде:

Данное выражение показывает, что при ограничении квантовой частицы по координате x (уменьшении неопределенности в положении), её импульс p становится менее определённым. Случайным образом неопределённость импульса Δp может добавить частице энергии для преодоления барьера, но средняя энергия частицы при этом все равно останется неизменной.

Кроме того, в 80-х годах были заложены основы популярной в настоящее время дисциплины — нанотехнологий, для которой возможность изучать свойства и взаимодействия отдельных молекул или атомов — не прихоть, а самая насущная потребность. Мало того, ученые хотели не только «почувствовать» молекулы или атомы, получив спектры или измерив характеристики частиц, но и в прямом смысле слова увидеть их. Сама идея нанотехнологий — конструирование наноразмерных структур — позволяет придать уже известным веществам новые свойства или усилить их действие. Перед инженерами и учеными встала задача разработать новый метод визуализации c нанометровой и даже субнанометровой разрешающей способностью.

Концепция и предпосылки для разработки методов сканирующей зондовой микроскопии появились еще в 1960-х годах. В 1981 году швейцарец Герд Бинниг (G. Binning) и немец Генрих Рорер (G. Rohrer) разработали технологию сканирующей туннельной микроскопии. Этих двух талантливых ученых-физиков свела вместе работа в лаборатории IBM в Цюрихе, где представленная ими в 1982 году модель первого типа сканирующих зондовых микроскопов — сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) — стала ключом, открывшим ученым дверь в мир атомов. За эту работу они были удостоены в 1986 году Нобелевской премии по физике (рис. 1).

В 1986 году Рорер разработал и первый атомно-силовой микроскоп (АСМ) — продолжатель рода сканирующих зондовых микроскопов. Принципиальное отличие АСМ от СТМ заключается в регистрации не туннельного эффекта, а сил межмолекулярных взаимодействий, что позволило использовать АСМ для работы с непроводящими образцами. Вклад Биннинга и Рорера в разработку методов сканирующей зондовой микроскопии был столь высок, что сегодняшние сканирующие туннельные микроскопы (помимо перехода к использованию цифровых технологий) мало чем принципиально отличаются от модели, представленной научной публике в 1982 году.

Рисунок 1. Герд Бинниг и Генрих Рорер вместе с первой моделью сканирующего туннельного микроскопа, за которую они и были удостоены Нобелевской премии в 1986 году.

Принцип действия атомно-силового микроскопа

Если вы сравните оптический микроскоп с человеком, обладающим супер-зрением, то сканирующий зондовый микроскоп можно описать как слепого человека с супер-чувствительными пальцами. Как следует из названия метода, принцип сканирующей зондовой микроскопии заключается в сканировании поверхности образца сверхтонким зондом. Зонд с толщиной кончика порядка нескольких нанометров позиционируется непосредственно над образцом, позволяя регистрировать взаимодействие с ним. В процессе сканирования (перемещения зонда относительно образца) значение взаимодействия поддерживается постоянным за счет изменения расстояния между образцом и зондом, регистрация которого и формирует изображение (рис. 2).

Рисунок 2. Принципиальная схема устройства сканирующего зондового микроскопа. Зонд подводится к образцу на расстояние порядка нескольких нанометров. В зависимости от регистрируемого сигнала различают сканирующую туннельную микроскопию (сигнал — туннельный ток между зондом и проводящей поверхностью) и атомно-силовую микроскопию (сигнал — силы молекулярных взаимодействий).

Сканирующая туннельная микроскопия

Рисунок 3. Схема устройства сканирующего туннельного микроскопа. Когда зонд подходит к образцу на расстояние, достаточно малое для возникновения туннельного тока, начинается регистрация «полезного» сигнала. Этот сигнал представляет собой расстояние, пройденное опускающимся зондом из исходной точки до позиции, где возникает туннельный ток. Сигналы, полученные в каждой точке образца, складываются в цельное изображение поверхности.

Углеродные нанотрубки — крошечные цилиндры диаметром 0.5–10 нм и длиной примерно 1 мкм — являются особой кристаллической формой углерода, открытой в 1991 году. Углеродные нанотрубки стали новым материалом, чрезвычайно перспективным технически — стоит упомянуть хотя бы полупроводниковую технику и аккумуляцию водорода.

лавным недостатком сканирующей туннельной микроскопии является возможность исследования только проводящих образцов и невозможность работы в жидкостях, что зачастую исключает работу с биологическими объектами. Однако благодаря разработке метода атомно-силовой микроскопии ученые смогли перенести исследования биологических объектов на субнанометровый уровень.

Квантовые точки — наноскопический фрагмент проводника или полупроводника, содержащий электроны проводимости, причем число этих электронов напрямую зависит от размера частицы. Использование квантовых точек открывает возможности для миниатюризации полупроводниковых устройств и снижения их энергопотребления за счет уменьшения количества электронов, используемых для переноса заряда, с сотен тысяч (в современных транзисторах) до очень небольшого числа.

Атомно-силовая микроскопия

Рисунок 5. С ЭМ-фотография кантилевера, использующегося для контакта с образцом в атомно-силовой микроскопии. На тонкой балке помещен зонд, кончик которого (диаметром лишь несколько нанометров) приходит во взаимодействие с поверхностью образца. Кантилеверы изготовляют из кремния, нитрида кремния или полимеров путем химического травления.

Рисунок 6. Принцип регистрации сигнала в методе атомно-силовой микроскопии. Лазерный луч отражается от кончика кантилевера и попадает в центр детектора, разделенного на 4 сектора. При приближении зонда, находящегося на кончике балки, к поверхности образца возникают силы притяжения или отталкивания, отклоняющие зонд. В качестве регистрируемого сигнала используется расстояние, на которое надо сдвинуть кантилевер, чтобы вернуть отклонившийся луч лазера в центральную точку.

Не только микроскоп

Помимо базовых возможностей исследования размеров и морфологии обьектов на нано- и субнаноуровнях (в случае СТМ), сканирующая зондовая микроскопия получила ряд модификаций. Наиболее ярким примером таких модификаций являются методы анодно-окислительной и силовой литографии, которые позволяют создавать или изменять не только форму или размеры наноструктур, но и влиять на электрохимические свойства образца (рис. 7).

На сегодняшний день методы атомно-силовой микроскопии нашли широкое применение в физике, электронике и метериаловедении. Возможность исследования размеров, структуры, магнитных и электрических свойств объектов сделала данные методы важной частью современной микро- и наноэлектроники. Например, использование такого метода позволяет контролировать или модифицировать расположение элементов на миниатюрных чипах (рис. 8).

Одно из основных направлений развития современной электроники — миниатюризация. Уменьшение размеров микросхем и проводящих элементов напрямую связано со снижением энергозатрат и увеличением производительности современной техники. Уже в ближайшем будущем в отдельных наноразмерных контактах и проводящих элементах для переноса зарядов будут использоваться не более десятка электронов (в современных микросхемах эта цифра на несколько порядков выше). Именно для работы со столь малыми структурами идеально подходят методы сканирующей зондовой микроскопии.

Сканирующая микроскопия применяется и в фундаментальных исследованиях: ученые смогли «пощупать» структуру отдельных молекул, получая изображения, на которых видно расположение отдельных атомов (рис. 9)! Если провести параллель с историей, то можно сказать, что СЗМ открыла ученым, до этого пользовавшимся «рисунками» молекул, мир фотографии на атомарном уровне, как это случилось в начале XIX века в макромире.

Рисунок 7. Изображение Mерлин Монро, полученное точечным окислением титана методом анодно-окислительной литографии. Изображение 7×11 мкм получено сотрудниками компании НТ-МДТ, Россия.

На службе биологии

Еще одним важным шагом вперед была разработка модификаций сканирующих модулей, позволяющих проводить сканирование в жидкости, что сделало доступным применение методов СЗМ для исследования биологических объектов. Метод АСМ нашел применение в биохимии и молекулярной биологии во всем диапазоне размеров исследуемых объектов — от целых бактерий и клеток различных живых организмов до отдельных белковых молекул. Цели, решаемые методом АСМ в этом диапазоне размеров, чрезвычайно разнообразны: идентификация микроорганизмов по их морфологии, исследование влияния различных веществ на жизнедеятельность клеток, визуализация и контроль образования фермент-субстратных комплексов, контроль размеров, структуры и стабильности различных наноструктур, использующихся для доставки лекарственных средств, визуализация единичных биомолекул и многое другое. Гибкость методик АСМ позволяет ученым находить все новые и новые приложения в биохимии, молекулярной биологии и биотехнологии.

Рисунок 8. А СМ-изображение участка поверхности чипа. А СМ и СТМ позволяют проверять чипы на наличие дефектов, а в ряде случаев использоваться и для создания микро- или наноструктур из проводящих элементов. Это очередной шаг на пути к миниатюризации электроники и повышению производительности вычислительных систем.

Для иллюстрации перечисленных выше биологических возможностей АСМ спустимся вниз по лестнице размеров, рассматривая конкретные примеры. С помощью данного метода проводятся исследования антибактериального действия различных препаратов: на рисунке 10 представлены изображения бактерий E. coli до и после обработки низкомолекулярным и высокомолекулярным хитозаном — биополимером, который обладает антибактериальной активностью. На рисунке можно видеть, как с течением времени происходит изменение морфологии бактерий вплоть до полного разрушения.

АСМ используется для изучения действия различных лекарств или изменения внешних условий на клетки; на рисунке 11 приводится изображение симпатической нервной клетки человека. В ходе данного исследования ученые наблюдали изменение морфологии и механических свойств нервных клеток при воздействии различных нейротоксинов. А СМ сейчас применяется для исследований широкого спектра клеток человека, в том числе и клеток раковых опухолей, нейронных сетей, стенок сосудов и многих других объектов человеческого организма.

АСМ позволяет определять размеры, стабильность и морфологию различных наноструктур, использующихся для доставки лекарственных препаратов, а также контролировать «степень загрузки» лекарственным препаратом, склонность к аггрегации и некоторые другие параметры, способные помочь ученым при дальнейшей работе с исследуемым носителем. На рисунке 12 представлены наночастицы на основе хитозана и галактоманнана до загрузки лекарственным препаратом лактоферрином (А), после загрузки (Б), а также случай агрегации таких наночастиц (В) и модель агрегата, созданная на основе данных АСМ (Г).

Рисунок 11. Изображение симпатической нервной клетки человека, полученное методом АСМ.

Переходя к структурным компонентам клетки, АСМ позволяет визуализовать конформационные и структурные изменения молекул ДНК, позволив изучить влияние внешних факторов (например, УФ-излучения или радиации, рис. 13) на молекулу и определить места связывания различных ферментов и кофакторов, участвующих в транскрипции и репликации ДНК. Еще один интересный вариант использования метода при работе с ДНК — секвенирование с помощью СЗМ, основанное на регистрации зондом единичных азотистых оснований в нити ДНК. Специальная модификация кончика зонда позволяет поочередно фиксировать положения нуклеотидов каждого типа в цепочке ДНК, а потом объединить информацию о местоположении нуклеотидов в непрерывную последовательность генетического кода. Однако такой вариант секвенирования сейчас находится лишь в стадии разработки: ученым предстоит преодолеть еще целый ряд серьезных препятствий — в первую очередь, это стремление к соотношению цена/скорость/точность, сравнимому с классическими методами секвенирования, — прежде чем такой метод сможет найти коммерческое применение.

Зачастую в околонаучной прессе можно увидеть статьи о различных миниатюрных устройствах, микрофабриках или нанороботах, однако описывается это больше с точки зрения научной фантастики. На самом же деле ученые уже вплотную приблизились к разработке технологий, позволяющих воплотить в жизнь такие задумки. Прекрасной иллюстрацией служит работа американских ученых, которые с помощью сканирующей туннельной микроскопии показали, что молекулы антрахинона, размещенные на очень ровной поверхности, двигаются по прямой линии и способны переносить с собой одну или две молекулы СО2 (рис. 14). При этом размер такого «молекулярного переносчика» составляет не многим более 10 Å и является ярким примером детали биологических наномеханизмов, которые будут разрабатываться в ближайшем будущем.

Рисунок 13. А СМ-изображения молекул ДНК до (А) и после (В) УФ-облучения. Хорошо видны конформационные изменения в структуре молекул после облучения (цепочки ДНК значительно сильнее скручены). Изображения компании НТ-МДТ.

И это далеко не все

На сегодняшний день развитие методов СЗМ идет в направлении совершенствования технических нюансов приборов, что позволит значительно увеличить разрешение и эффективность СЗМ. Например, разработка методов создания кантилеверов с толщиной зонда менее 1 нм позволит увеличить разрешающую способность микроскопов вплоть до ее максимума в случае, когда кончик зонда будет иметь толщину в один атом.

Увеличение скорости сканирования (на сегодняшний день время получения одного изображения составляет от нескольких минут до нескольких десятков минут) позволит следить за движениями молекул в растворах вплоть до визуального изучения, например, ферментативных реакций.

Модификация кончиков зондов различными биомолекулами позволит исследовать физико-химические характеристики взаимодействий фермент—субстрат или антиген—антитело. Так, например, к иммобилизованному на поверхности субстрату на достаточное для взаимодействия расстояние подводится кантилевер, модифицированный субстратсвязывающим доменом фермента. Величина силы, которую необходимо приложить для разрыва образовавшегося комплекса, может много сказать о взаимодействиях в таком комплексе. Выше перечислены лишь немногие из возможных улучшений метода, позволяющих расширить его возможности.

При сегодняшних темпах развития науки и технологий уже в ближайшее десятилетие произойдет значительное усовершенствование сканирующих зондовых микроскопов и упрощение технологий их производства, что приведет к снижению цен на данную продукцию. Уже вскоре СЗМ станет таким же рутинным методом, каким сегодня является оптическая микроскопия, однако фронт работ будет переброшен уже на новый уровень — исследований отдельных молекул и атомов.

Атомно-силовые микроскопы купить

Атомно-силовые микроскопы (АСМ) – это инновационное оборудование, которое позволяет исследовать структуру и свойства материалов на атомном уровне. Эти приборы используются в различных областях науки и промышленности, таких как физика, химия, биология, нанотехнологии и многие другие. Благодаря своей высокой разрешающей способности и возможности работать в условиях вакуума или жидкости, АСМ являются неотъемлемой частью современных научных исследований.

Покупка атомно-силового микроскопа может быть значительной инвестицией для лаборатории или учебного заведения. Важно правильно подходить к выбору модели, учитывая требуемые характеристики и цели использования. Однако на рынке представлено огромное количество различных моделей АСМ разной ценовой категории и функциональности. В данной статье мы рассмотрим основные аспекты выбора атомно-силового микроскопа и дадим рекомендации по покупке этого важного научного оборудования.

Введение в атомно-силовые микроскопы

Атомно-силовые микроскопы (АСМ) представляют собой одно из наиболее передовых и мощных инструментов для исследования поверхности материалов на атомарном уровне. Они позволяют наблюдать и изучать структуру и свойства различных материалов с высокой точностью и разрешением.
Принцип работы АСМ основан на использовании зонда, который сканирует поверхность образца. Зонд состоит из иглы с очень тонким кончиком, который приближается к поверхности образца до расстояния нескольких ангстремов. При этом возникают взаимодействия между зондом и образцом, которые регистрируются и преобразуются в изображение.

Основные преимущества АСМ заключаются в высокой чувствительности к изменениям поверхностных свойств материала, возможности проведения измерений в широком диапазоне условий (вакуум, газообразная среда, жидкость) и способности получать информацию о физических, химических и электрических свойствах материала.

При выборе атомно-силового микроскопа для покупки необходимо учитывать ряд факторов, включая разрешение, скорость сканирования, тип зонда, возможности работы в различных условиях и доступность соответствующего программного обеспечения

Принцип работы атомно-силовых микроскопов

Атомно-силовые микроскопы (АСМ) являются одним из наиболее точных и мощных инструментов для изучения поверхности материалов на атомном уровне. Они позволяют получать трехмерные изображения с разрешением до атомного масштаба, что открывает широкие возможности в области науки и технологий.
Принцип работы АСМ основан на использовании зонда, который сканирует поверхность образца. Зонд представляет собой неподвижную иглу или кончик с острым наконечником размером всего несколько атомов. Когда зонд приближается к поверхности образца, между ними возникают электростатические или ван-дер-ваальсовы силы притяжения, которые можно измерить.

Для получения изображений АСМ использует два основных режима работы: контактный и неконтактный. В контактном режиме зонд физически касается поверхности образца и измеряет изменение силы, происходящее при этом. В неконтактном режиме зонд подходит к поверхности на расстояние нескольких ангстремов, измеряя изменение резонансной частоты или амплитуды колебаний.

Для того чтобы приобрести атомно-силовой микроскоп, необходимо обратиться к специализированным поставщикам и производителям

Технические характеристики атомно-силовых микроскопов

Атомно-силовые микроскопы являются современными приборами, которые позволяют исследовать поверхность материалов на атомном уровне. Они широко используются в научных исследованиях, промышленности и нанотехнологиях. При выборе атомно-силового микроскопа необходимо обратить внимание на его технические характеристики.

Одним из ключевых параметров является разрешение микроскопа. Чем выше разрешение, тем более детальное изображение можно получить. Разрешение может быть определено как вертикальное (по оси Z) так и горизонтальное (по осям X и Y). Также следует учитывать размер сканирующей зондовой иглы – он должен быть достаточно маленьким для точного сканирования поверхности.

Другим важным параметром является скорость сканирования. Быстрая скорость позволяет проводить измерения в более короткие сроки, что особенно актуально при работе с большим количеством образцов. Некоторые модели микроскопов имеют функцию автоматического сканирования, что упрощает и ускоряет процесс.

Также обратите внимание на тип детектора, который используется в микроскопе

Практическое применение атомно-силовых микроскопов

Атомно-силовые микроскопы (АСМ) представляют собой невероятно тонкие и точные инструменты, которые нашли широкое практическое применение в различных областях. Они позволяют исследовать поверхность материалов на атомном уровне, открывая новые возможности в науке и технологиях.
В научной сфере АСМ используются для изучения свойств различных материалов, таких как полупроводники, металлы и полимеры. С помощью АСМ можно определить форму и размеры атомов, а также провести анализ электрических, магнитных и оптических свойств материала. Это позволяет исследователям более глубоко понять структуру вещества и его поведение при различных условиях.

В области нанотехнологий АСМ являются неотъемлемой частью процесса создания новых материалов и устройств. Они используются для контроля качества наноструктур, измерения толщин слоев материала, регистрации дефектов и оценки механических свойств наноматериалов. А СМ также активно применяются в процессе разработки и оптимизации различных наноустройств, таких как солнечные батареи, полупроводниковые чипы и микромашины

Как выбрать и где купить атомно-силовые микроскопы

При выборе и покупке атомно-силового микроскопа необходимо учитывать ряд важных факторов. Во-первых, следует определить цель использования прибора и его технические характеристики. Например, нужно ли вам сканирование поверхности или измерение электромагнитных свойств материалов.
Во-вторых, стоит обратить внимание на бренды и производителей атомно-силовых микроскопов. Лучше всего выбирать приборы от известных компаний с хорошей репутацией. Это гарантирует качество и надежность микроскопа.

Также стоит уделить внимание цене и доступности приобретения. Можно обратиться к официальным дилерам производителей или поискать специализированные интернет-магазины, где предлагается широкий ассортимент атомно-силовых микроскопов различных моделей и ценовых категорий.
Перед покупкой рекомендуется прочитать отзывы пользователей, чтобы получить представление о работе конкретного микроскопа. Также полезно проконсультироваться с профессионалами в области нанотехнологий, которые смогут дать рекомендации и помочь определиться с выбором

Схема работы атомно-силового микроскопа

График зависимости силы Ван-дер-Ваальса от расстояния между кантилевером и поверхностью образца

Принцип работы атомно-силового микроскопа основан на регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.

Под силами, действующими между зондом и поверхностью образца, подразумевают дальнодействующие силы Ван-дер-Ваальса, которые при малых расстояниях являются силами отталкивания, а при дальнейшем увеличении расстояния переходят в силы притяжения.
В зависимости от расстояния и вида сил между кантилевером и поверхностью образца можно разделить три режима работы атомно-силового микроскопа:

На приведённом рисунке справа расстояние принятое за ноль соответствует нулевому расстоянию между ядрами поверхностных атомов и наиболее выступающего атома кантилевера. Поэтому равновесная точка с минимумом потенциальной энергии находится на конечном расстоянии, соответствующем «границе» электронных оболочек атомов.

Контактный режим работы атомно-силового микроскопа

При перекрытии оболочек атомов, которое возникает при контактном режиме работы атомно-силового микроскопа возникает отталкивание, аналогичное режиму работы профилометра. Наиболее выступающий атом кантилевера находится в непосредственном контакте с поверхностью. Обратная связь позволяет осуществлять сканирование в режиме постоянной силы, когда система поддерживает постоянной величину изгиба кантилевера. При исследовании чистой поверхности с перепадами высот порядка 10−10 м возможно использовать сканирование при постоянном среднем расстоянии между зондом и поверхностью образца. Движение кантилевера, в этом случае происходит на средней высоте над поверхностью образца. Изгиб кантелевера ΔZ, который пропорционален силе, действующей на зонд, измеряется для каждой точки. А изображение в этом режиме показывает пространственное распределение силы взаимодействия зонда с поверхностью.

Можно выделить несколько достоинств метода:

А также недостатки метода:

Бесконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в бесконтактном режиме зонд находится на расстоянии где действуют притягивающие силы. Пьезокерамика возбуждает резонансные колебания зонда. При этом особенности поверхности, посредством сил Ван-дер Ваальса приводят к сдвигу амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик колебаний. Возможно также измерять изменение высших гармоник сигнала.

Благодаря обратной связи, поддерживается постоянная амплитуда колебаний зонда, и измеряется частота и фаза в каждой точке поверхности. В другом режиме возможно использовать обратную связь для поддержания постоянной величины частоты или фазы колебаний.

Выделяют следующие достоинства метода:

А к недостаткам относят:

В связи с множеством сложностей и недостатков метода, этот режим работы АСМ не нашёл широкого применения.

Полуконтактный режим работы атомно-силового микроскопа

При работе в полуконтактном режиме, кантилевер также колеблется. В нижнем полупериоде колебаний кантилевер находится в области отталкивающих сил. Поэтому этот метод занимает промежуточное положение между контактом и бесконтактным методами.

Среди достоинств метода можно выделить:

Несмотря на то что при описании работы атомно-силового микроскопа очень часто упоминаются лишь силы Ван-дер-Ваальса, в реальности со стороны поверхности действуют такие силы, как упругие силы, силы адгезии, капиллярные силы. Их вклад особенно очевиден при работе в полуконтактном режиме, когда вследствие «прилипания» кантилевера к поверхности возникают гистерезисы, которые могут существенно усложнять процесс получения изображения и интерпретацию результатов.

Кроме того, со стороны поверхности возможно действие магнитных и электростатических сил. Используя определённые методики и специальные зонды, можно узнать их распределение по поверхности.

Дифференциальная C-AFM для анализа отказов полупроводниковых схем

Такие устройства невозможно тестировать традиционным методом C-AFM в режиме постоянного тока, так как оксидный слой будет препятствовать протеканию электрического тока между зондом и образцом. Данное ограничение обходят путем специальной пробоподготовки с помощью систем со сфокусированным ионным пучком (FIB).

Разработанная авторами система позволяет сократить время локализации отказов интегральных схем, а также обеспечивает успешное тестирование устройств с КНИ, из-за того, что вместо напряжения смещения постоянного тока прикладывается напряжение смещения переменного тока.

Напряжение смещения подается в виде меандра, у которого верхняя часть имеет положительное значение напряжения, а нижняя – отрицательное. Сканирование осуществляется с той же скоростью, как и в случае C-AFM постоянного тока. Частота сигнала переменного тока зависит от скорости сканирования и количества пикселей сканируемого изображения.

Рисунок 3 – а) Упрощенная структурная схема дифференциальной системы C-AFM, б) Примеры временных диаграмм сигналов, считанных с контактов (a) исправного p-n-перехода. Здесь: (i) напряжение переменного тока, (ii) входной сигнал синхронного усилителя, (iii) выход X синхронного усилителя, (iv) выход Y синхронного усилителя

Из-за периодической смены полярности подаваемого на образец переменного напряжения, применяемые для формирования изображений сигналы синхронного усилителя дают возможность получить информацию о поведении образца как при положительном, так и отрицательном напряжении смещения, за один проход сканирования.

Дифференциальная система имеет преимущество перед традиционным методом C-AFM постоянного тока, в котором тестирование выполняется в два этапа сканирования – один этап для подачи положительного напряжения смещения, второй – отрицательного.

Рисунок 4 – Изображения устройства, имеющего дефект утечки n-области транзистора, полученные с помощью традиционной C-AFM постоянного тока: (a) изображение рельефа, (б) вольтамперная характеристика исправной и дефектной n-областей, (в) результат подачи положительного напряжения – дефект не обнаружен, (г) результат подачи отрицательного напряжения – дефект обнаружен

Рисунок 5 – Изображения устройства, имеющего дефект утечки n-области транзистора, полученные с помощью дифференциальной системы C-AFM: (a) изображение с выхода Y синхронного усилителя – дефект обнаружен, (б) изображение с выхода X синхронного усилителя – дефект обнаружен

Рисунок 6 – Изображения устройства, имеющего дефект утечки p-области транзистора, полученные с помощью традиционной C-AFM постоянного тока: (a) изображение рельефа, (б) вольтамперная характеристика исправной и дефектной p-областей, (в) результат подачи положительного напряжения – дефект обнаружен, (г) результат подачи отрицательного напряжения – дефект не обнаружен

Рисунок 7 – Изображения устройства, имеющего дефект утечки p-области транзистора, полученные с помощью дифференциальной системы C-AFM: (a) изображение с выхода Y синхронного усилителя – дефект обнаружен, (б) изображение с выхода X синхронного усилителя – дефект обнаружен

АСМ FM-Nanoview 1000 AFM

Современный рынок предоставляет большую номенклатуру атомно-силовых микроскопов, ориентированных на различные ценовые сегменты и исследовательские задачи. Для измерений шероховатости поверхности существует недорогое решение от китайского производителя SUZHOU FLYINGMAN PRECISION INSTRUMENTS CO., LTD. ( FSM-PRECISION) — атомно-силовой микроскоп FM-Nanoview 1000 AFM (рис.3).

Применение АСМ FM-Nanoview 1000 AFM

Атомно-силовой микроскоп FM-Nanoview 1000 AFM используется для анализа шероховатости, как в контактном, так и в полуконтактном режиме. Использование микроскопа в полуконтактном режиме позволяет анализировать образцы как твердотельные, так и порошкообразные.

Рисунок 3 — Атомно-силовой микроскоп FM-Nanoview 1000

Данный микроскоп хорошо продемонстрировал свои возможности при работе с различными поверхностями (рис. 4-6). Помимо конструктивных особенностей, он также обладает быстрой скоростью сканирования и прост в использовании (посмотрите демонстрационное видео исследовательской лаборатории ООО «Серния Инжиниринг»).

Рисунок 4 – Поверхность алюминия на сапфире

Рисунок 5 – Исследование поверхности кварцевой линзы

Рисунок 6 (а) – Исследование наноалмаза на поверхность кремния

Рисунок 6 (б) – Исследование наноалмаза на поверхность кремния

Особенности работы на АСМ FM-Nanoview 1000 AFM

Требование к подготовке образцов для эффективной работы FM-Nanoview 1000 AFM — локальный перепад высоты не должен превышать 2/3 высоты иглы зонда АСМ (может быть различной).

Использование кантилевера для образцов с большими перепадами высот (свыше 500 нм) приводит к затуплению острия кантилевера, что не позволяет в дальнейшем приблизиться к нижней части топографической структуры образца.

Данный эффект вносит искажение в анализ параметров поверхности. Соответственно, по мере увеличения радиуса закругления кантилевера значение шероховатости уменьшается. По этой причине во время измерений шероховатости необходимо сохранять остроту кантилевера.

*При подготовке статьи были использованы следующие материалы:

ЧИТАЙТЕ ПО ТЕМЕ:

Применение АСМ в анализе отказов

Анализ отказов — это ряд действий для определения местонахождения дефекта микросхемы и установления причины его возникновения. Применение АСМ позволяет значительно улучшить качество локализации отказов.

Анализ отказов  — один из важнейших этапов производства полупроводниковых приборов. Благодаря анализу отказов производители могут изменить технологический процесс, и тем самым избежать причины появления отказа. Своевременное выявление отказов позволяет значительно сократить количество микросхем, вышедших из строя в процессе эксплуатации, и, соответственно, повысить выход годных микросхем.

Атомно-силовой микроскоп — один из важнейших инструментов в поиске неисправностей. Развитие АСМ не остановилось на уровне своего создания, установки постоянно модифицируются, специализируясь для решения более узких и профильных задач. В данной статье представлено два примера применения АСМ для улучшения качества анализа отказов.

C-AFM — потоковый анализ в наноразмерных полупроводниковых приборах

C-AFM сканирование поверхности полупроводникового устройства осуществляется проводящим зондом (кантилевером) в контактном режиме. Как правило, верхние слои микросхемы предварительно удаляются вплоть до вольфрамовых контактов, подключенных к транзисторам. На подложку микросхемы подается напряжение смещения постоянного тока относительно кантилевера. Протекающий через острие кантилевера электрический ток измеряется и представляется в виде изображения.

Таким образом, на карте распространения токов можно идентифицировать контакты, подключенные к областям транзисторов с аномальной электропроводностью (рис.1).

Рисунок 1 — C-AFM анализ структуры ячейки DRAM: (а) эквивалентная схема структуры ячейки DRAM; (б) структура образца и схема анализа C-AFM структуры DRAM.

Диагностика отказов в мобильных структурах DRAM

Благодаря C-AFM удалось выделить новый способ неразрушающей диагностики резистивных отказов в мобильных структурах DRAM. В частности, исследователи сосредоточились на процессе самонастраивающегося контакта (англ. S AC — Self-Aligned Contact), поскольку отказ, возникающий в процессе SAC является одним из доминирующих факторов, вызывающих ухудшение выхода годных изделий DRAM, при этом являясь физически невидимым дефектом.

Благодаря установлению точных значений параметров SAC-процесса с помощью встроенного анализа C-AFM, был предложен метод контроля и снижения доли бракованных изделий при изготовлении DRAM.

Рисунок 2 — Анализ отказов структур SAC с использованием C-AFM: (a) топография C-AFM-изображения нормального SAC; (б) соответствующее текущее изображение C-AFM при смещении 4,0 В для нормального SAC; (в) текущее изображение C-AFM при смещении 4,0 В для SAC без процесса PNC; (г) соответствующее цветовое отображение текущего изображения C-AFM для определения критериев отказа (синий цвет: нормальное состояние, зеленый цвет: условие потенциального отказа, красный цвет: условие отказа); (д) соответствующий профиль линии поперечного сечения текущего уровня с критериями отказа; (е) схемы анализа C-AFM для определения случаев нормальных, предельных и отказавших структур SAC.

В результате проделанной работы были предложены точные значения параметров для отображения резистивных отказов при изготовлении SAC-структур и установлено, что причиной отказов SAC является нижний слой оксида кремния. Кроме того, было обнаружено, что процесс PNC (англ. Plasma Native Oxide Cleaning), проводимый на установках плазмохимического травления, имеет решающее значение для определения электрического качества SAC-структур. P NC используют для удаления нижнего оксидного слоя, приводящего к дефектам в SAC-структурах.

Предложенные параметры измерений и граничные значения характеристик SAC-структур с помощью встроенного анализа C-AFM, позволили получить метод увеличения выхода годных структур с пластины, предотвращая возникновение tRDL (tRDL – англ. Trench ReDistrbution Layers) отказов (вызывает нарушения допустимого интервала времени между вводом данных и отправкой на шину данных).

• R. Wiesendanger. Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy (англ.). — Cambridge: Cambridge Universtiy Press, 1994.
• D. Sarid. Scanning Force Microscopy, Oxford Series in Optical and Imaging Sciences (англ.). — New York: Oxford University Press, 1991.
• V. J. Morris, A. R. Kirby, A. P. Gunning. Atomic Force Microscopy for Biologists (англ.). — Imperial College Press, 1999.
• P. Hinterdorfer, Y. F. Dufrêne, Nature Methods, 3, 5 (2006)