eng
Выпуск #1/2015
В.Гелевер, Е.Усачев, А.Манушкин
Нанодиагностический учебно-научный класс на базе гибридных наноскопов
Нанодиагностический учебно-научный класс на базе гибридных наноскопов
Просмотры: 4941
В МГТУ МИРЭА разработан гибридный прибор – наноскоп, предназначенный для исследований небольших наноструктурных объектов с использованием различных методов микроскопии и спектроскопии.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.55.1.60.63
DOI:10.22184/1993-8578.2015.55.1.60.63
В настоящее время предлагается несколько решений для учебно-исследовательских задач, например, классы "Наноэдьюкатор" и "Наноэдьюкатор II", а также малобюджетный учебно-лабораторный комплекс, разработанный в НОЦ "Нанотехнологии" СПбГЭТУ "ЛЭТИ".
Решения на базе однотипных приборов
Учебно-исследовательские классы "Наноэдьюкатор" и "Наноэдьюкатор II", позволяют совмещать обучение с научной деятельностью [2]. Хотя разработчик и производитель – компания "НТ-МДТ" – позиционирует их как комплексные мини-лаборатории, фактически речь идет о комплекте имеющих невысокие параметры сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) с аксессуарами и учебными пособиями. Поэтому можно говорить о сравнительно низкой стоимости таких учебно-исследовательских классов, но не о комплексности, так как используется только один метод исследования поверхности. Тем не менее уже в 2010 году учебно-исследовательскими классами "Наноэдьюкатор" было оборудовано около 50 образовательных институтов за рубежом и почти 130 научно-образовательных центров в России и СНГ.
Курс по разработке СЗМ читается в МИЭТ, а на практикуме студенты собирают микроскопы из 42 деталей и получают на них изображение атомов [3]. Кроме того, практические курсы по обучению работы на сканирующих зондовых и ион-проводящих микроскопах есть в ЦМИТ "Нанотехнологии" при МГУ [4].
Комплексы оборудования
В НОЦ "Нанотехнологии" СПбГЭТУ "ЛЭТИ" разработан малобюджетный учебно-лабораторный комплекс [5], который обеспечивает широкий охват научно-образовательных направлений и объединяет учебно-научные лаборатории по нанотехнологиям (шесть единиц малогабаритного оборудования) и по нанодиагностике, включая исследования и контроль нанообъектов методами капиллярного электрофореза, эллипсометрии, растровой электронной микроскопии (РЭМ), электронного парамагнитного резонанса, атомно-силовой микроскопии с оптической и электрической нанозондовой диагностикой. Установки укомплектованы методическим и программным обеспечением. К сожалению, по факту этот комплекс нельзя считать малобюджетным, так как в его состав входит 12 установок различных типов. При этом в лаборатории нанодиагностики слабо представлены высокоразрешающие электронные микроскопы, по-видимому, из экономических соображений, так как они имеют высокую стоимость. В состав лаборатории включен настольный РЭМ со средним разрешением, работающий в фиксированном режиме. Формально в комплексе имеется несколько методик диагностики объектов, но они не интегрированы друг с другом. Комплексность же подразумевает возможность исследования участка объекта различными методами примерно в одно время.
Комплексами оборудования, которое используется, в том числе в учебных целях, также располагают наноцентры при вузах. Так, в МГТУ МИРЭА на базе отдела нанодиагностики материалов и изделий микроэлектроники, входящего в структуру Инженерно-научного производственного центра "Средства неразрушающего контроля" (ИНПЦ СНК), планируется обучение студентов современным средствам нанотехнологического контроля электронной компонентной базы. В отделе имеется практически полный набор основных типов микроскопов с высокими параметрами, которые позволяют комплексно исследовать интегральные микросхемы. Однако, из-за большой загрузки отдела плановыми работами, на проведение лабораторных занятий может выделяться относительно небольшое время, поэтому обучение будет носить, скорее всего, ознакомительный характер с получением некоторых практических навыков.
Сканирующая зондовая микроскопия: достоинства и ограничения
В принципе, понятно, почему образовательное оборудование сейчас в России ориентировано на СЗМ. У этих микроскопов довольно простой принцип работы: зонд (острие) механически перемещается вблизи поверхности объекта и регистрируется ток, протекающий через поверхность и зонд при небольшой разности потенциалов между ними, либо силы, воздействующие на зонд со стороны поверхности. При этом разрешение СЗМ определяется в основном радиусом острия зонда. Эти микроскопы используются для исследования топологии поверхностей на атомарно-молекулярном уровне и свойств материалов. СЗМ имеют малые габариты, не требуют больших эксплуатационных расходов, довольно просты по конструкции и относительно дешевы, их могут производить небольшие компании при низких капитальных затратах.
Однако, зондовую микроскопию довольно сложно комбинировать с другими методами исследования поверхности, поэтому выпускаются, в основном, специализированные приборы, хотя иногда СЗМ работают в паре, например, с модулями оптической микроскопии или рамановской спектроскопии. Кроме того, СЗМ имеют ряд недостатков, которые значительно сужают возможности их использования. Так, максимальное поле сканирования не превышает нескольких десятков микрон, что соответствует увеличениям в несколько тысяч крат, но для выбора места исследования нет возможности просмотреть объект с меньшим увеличением. Скорость сканирования при этом довольно низкая. Кроме того, изображение поверхности может иметь до 20 типов артефактов, с которыми можно разбираться довольно долго, чтобы определить насколько изображение соответствует реальности.
По некоторым оценкам, около 70% опубликованных исследований проводятся на электронных микроскопах, а на СЗМ – не более 5%. Соответственно, зондовые микроскопы пока нельзя считать главным инструментом современных нанотехнологий, и они мало подходят на роль базовых при создании учебно-исследовательских комплексов. По своей природе и возможностям зондовая микроскопия больше подойдет к технологиям будущего и производству на атомарном уровне.
Растровая электронная микроскопия
Первоначально под нанотехнологиями (НТ) понимали атомарно-точные методы, но в настоящее время к НТ принято относить технологии, позволяющие изучать и производить объекты размером меньше 100 нм. В этой области больше возможностей для исследований и контроля дает нанометровый электронный пучок, и на роль главного исследовательского прибора больше подходит растровый электронный микроскоп (РЭМ).
Инструментом РЭМ является электронный пучок, параметры которого (энергия, размер, ток, скорость и размер области сканирования) могут легко меняться в широких пределах с помощью электроники. При взаимодействии высокоэнергетичного электронного пучка с объектами возникают различные процессы и вторичные излучения, эффективная регистрация которых дает разнообразную информацию об этих объектах. Электронные микроскопы более сложные и дорогие приборы, чем СЗМ. В рабочем объеме надо обеспечить высокий вакуум и подать на различные элементы – катушки магнитных линз, отклоняющие системы и стигматор, электронную пушку и т.п. – напряжения и токи различной величины (около полутора десятка разных значений), часть из которых должна регулироваться в процессе работы. В различных режимах РЭМ можно исследовать практически любые объекты – ограничения связаны только с габаритами. В микроскопах практически нечему ломаться механически, но могут, как в любом приборе с электроникой, выходить из строя электронные блоки. Основным расходным материалом является вольфрамовая нить катода, которая легко меняется. Кроме того, надо периодически чистить от нагара элементы внутри колонны, на которые попадает электронный пучок.
Универсальные РЭМ позволяют исследовать разнообразные наноструктурированные объекты. По желанию заказчика они комплектуются различными наборами модулей – приставок, детекторов и т.д. Однако такие микроскопы стоят дорого и часто имеют высокую степень автоматизации, что неудобно для использования в образовательных целях.
В большинстве РЭМ основным элементом конструкции является камера объектов. Камера и элементы откачной системы закрепляются на раме – эта базовая часть микроскопа имеет довольно большие габариты при значительной металлоемкости и высокой стоимости. Если же универсальный прибор предназначен, в том числе, для полупроводниковой промышленности и металловедения, где исследуются пластины диаметра 100–300 мм и крупные образцы металлов, то размеры и стоимость конструкции дополнительно увеличиваются.
Из-за наличия большой камеры с отверстиями под детекторы и многокоординатного стола объектов с большим диапазоном перемещений РЭМ чувствителен к электромагнитным наводкам и вибрациям, поэтому часто его приходится размещать в специальном помещении. Существенным недостатком универсальных комплексов является также то, что очень сложно обеспечить одновременно предельные параметры во всех режимах, и часто приходится идти на компромиссы – при разработке комплекса выбирают основной режим и для него оптимизируют фокусирующую оптику, ухудшая параметры в других режимах.
Гибридный наноскоп: основные принципы
Надо отметить, что большинство объектов наноиндустрии имеют небольшие размеры в пределах нескольких миллиметров, а некоторые являются наночастицами. В связи с этим целесообразно при разработке приборов ориентироваться в основном на маленькие объекты с размерами в несколько миллиметров, что значительно упрощает конструкцию и удешевляет исследовательское оборудование. Для более полного удовлетворения современных потребностей в исследованиях поверхности и структуры объектов на микро- и наноуровне в ИНПЦ СНК при МГТУ МИРЭА ведется разработка гибридного наноскопа (ГН) экономкласса, предназначенного для исследований небольших наноструктурных объектов с использованием электронной, рентгеновской, ионной, зондовой и оптической микроскопии, а также различных вариантов спектроскопий.
Базовым элементом ГН является электронно-зондовый модуль (ЭЗМ), в котором формируется сфокусированный электронный пучок, характеризующийся широким диапазоном энергий электронов, токов и размеров пучка (зонда). Питание и управление от ПК обеспечивается двумя блоками (примерно 15 плат).
ЭЗМ (рис.1) – это малогабаритная, настольная конструкция, содержащая систему магнитных линз (колонна), электронную пушку, элементы откачной вакуумной системы, детекторы вторичных и обратнорассеянных электронов, а также столики для небольших объектов. Фактически в ЭЗМ нет камеры объектов в традиционном понимании. Основной элемент ЭЗМ – установленная на ножках колонна, к которой крепятся все остальные элементы. Благодаря этому открыт доступ к последней магнитной линзе, фокусирующей пучок на объекте, что позволяет использовать сменные полюсные наконечники, геометрия которых (ширина полюсного зазора и диаметр полюсного отверстия) может быть оптимизирована под различные режимы. В выбранном варианте конструкции колонна и два детектора размещены в одной полуплоскости от объекта, а вторая полуплоскость свободна, и в ней могут размещаться различные детекторы, модули зондовой и оптической микроскопии, причем в некоторых случаях пользователь сможет устанавливать их самостоятельно, в соответствии со своими потребностями и возможностями.
Если под пучок устанавливается объект, то ЭЗМ работает как электронный микроскоп во вторичных, обратнорассеянных и прошедших электронах с возможностью получения минимального диаметра электронного пучка 1 нм.
Режим просвечивающего
рентгеновского микроскопа
Если под пучок устанавливается мишень (тонкий слой металла на вакуумноплотной подложке), а объект и детектор размещаются на воздухе, то можно проводить исследования в рентгеновском излучении. В просвечивающем рентгеновском микроскопе (ПРМ) при фокусировке электронного пучка на поверхности мишени создается область, излучающая рентген. Размер излучающей области (фокусное пятно) определяется диаметром электронного пучка и эффективной длиной пробега электронов в мишени, которая зависит от ускоряющего напряжения и плотности материала мишени. При соответствующем подборе этих параметров можно получать размер фокусного пятна близким к размеру электронного зонда. Возможны проекционный и растровый режимы формирования рентгеновских изображений внутренней структуры объектов. В проекционном режиме электронный пучок неподвижно сфокусирован в точке мишени, а в растровом режиме сканирует поверхность.
Для получения наноразрешений в режиме ПРМ необходимо использовать ускоряющие напряжения в диапазоне 5–15кВ. При мягком рентгеновском излучении наноразмерные детали объектов будут иметь достаточно высокий контраст. Электронные зонды и фокусные пятна с размерами в десятки нанометров удается получить при токах менее 10-9А. Однако коэффициент выхода рентгеновских квантов под воздействием электронного пучка на пять-шесть порядков ниже, чем у вторичных электронов, поэтому возникают проблемы с регистрацией малоинтенсивных рентгеновских потоков, оперативной и точной фокусировкой электронного пучка на мишени и поддерживанием фокусировки пучка при больших временах регистрации рентгеновского излучения.
С целью оперативной и точной фокусировки пучка на мишени при наноразмерных фокусных пятнах было предложено использовать детектор вторичных электронов в пространстве между двумя последними линзами [6]. При работе в режиме ПРМ растровый режим электронной микроскопии используется как вспомогательный для получения изображения поверхности мишени во вторичных электронах. Вторичные электроны от мишени регистрируются встроенным в колонну детектором, что позволяет при сканировании оперативно и точно фокусировать наноразмерный пучок на мишени, контролировать состояние поверхности мишени и выбирать точки фокусировки для ПРМ. В результате можно реализовать большие времена получения рентгеновских изображений без контроля фокусировки рентгеновского излучения.
Для того чтобы обеспечить уровень рентгеновского потока, достаточный для формирования качественных изображений при наноразмерных фокусных пятнах с малыми токами, целесообразно приближать детектор к мишени. При этом для получения высоких увеличений и разрешений необходимо переходить в ближнефокусный режим, когда обеспечиваются микронные и субмикронные расстояния между объектом и фокусным пятном (do-f). В таком случае увеличение и плотность потока рентгеновского излучения на объекте и детекторе возрастают пропорционально 1/d2o-f. Последнее позволяет скомпенсировать уменьшение мощности рентгеновского излучения при переходе на фокусные пятна в несколько десятков нанометров и получить разрешение на уровне 20–30 нм.
В большинстве современных рентгеновских микроскопов do-f составляет от сотен микрон до нескольких миллиметров. В то же время, многие исследуемые и производимые в наноиндустрии объекты типа тонких пленок и наночастиц, могут просто укладываться на подложку (мембрану) со стороны воздуха. Тогда толщина мембраны определяет минимальное do-f, и удобна конструкция, когда электронная пушка находится внизу, а вверху размещена мембрана с мишенью. Современные технологии позволяют получать вакуумноплотные микронные и субмикронные мембраны из Be, Si, Si3N4, C и других материалов.
Комбинирование методов
Предложенный вариант ЭЗМ – электронно-рентгеновский микроскоп [7], в котором оптимально совмещены два типа высокоразрешающих приборов и возможно комплексное исследование одного участка объекта в различных видах электронов и в рентгеновском излучении. Кроме того, координатно-чувствительные детекторы могут сочетаться с детекторами рентгеноструктурного анализа, что позволит одновременно получать информацию о химическом составе объектов.
Надо отметить, что фактически впервые для широкого применения в нанодиагностике предлагается высокоразрешающая (20–30 нм) рентгеновская микроскопия. В настоящее время такие разрешения в рентгеновском излучении достигают на синхротронах с применением дорогостоящих и сложных элементов рентгеновской оптики [8]. Кроме того, есть импортные рентгеновские микроскопы на базе рентгеновских трубок с разрешением 50–100 нм, но эти приборы стоят дорого (некоторые – до 1–3 млн. долл.) и имеют довольно большие габариты.
Большинство методов микроскопии в основном дают информацию о топологии и химическом составе поверхности наноструктурных объектов. Однако, многие свойства наноматериалов определяются распределением частиц и пор в объеме, поэтому приходится применять дорогостоящую и трудоемкую пробоподготовку – делать сколы, изломы, стравливать послойно объект, но и в этих случаях не всегда удается получить полную информацию о внутренней структуре объектов. Рентгеновская микроскопия позволяет исследовать внутреннюю структуру на воздухе и в жидкостях без разрушения объектов и с минимальной пробоподготовкой. В некоторых случаях возможно получение объемных или послойных изображений. В будущем следует ожидать появления рентгеновских микроскопов с разрешением на уровне 5–10 нм.
Очень эффективной может быть комбинация рентгеновской, зондовой и оптической микроскопии. Иногда оптические микроскопы применяются для контроля перемещения зонда и подвода его к заданной точке с высокой точностью. В этом случае можно в оптический объектив видеть острие и в реальном времени наблюдать за сканированием и наноманипуляциями. Если работать зондовым микроскопом с нанообъектами на тонкой пленке, то при размещении с обратной стороны пленки мишени можно будет видеть в рентгеновском излучении острие зонда и объекты.
Совершенствование
и внедрение гибридного наноскопа
Выбранный вариант конструкции ГН, в которой базовым элементом является колонна со встроенными электронными детекторами и набором столиков для небольших объектов, не только позволяет оптимально совмещать различные исследовательские подходы, но и удешевляет прибор. Для изготовления ГН достаточно сборочного производства с механическим участком среднего уровня при небольших капитальных затратах. Использование отечественных блоков питания и управления, которые хорошо отработаны и изготавливаются уже много лет также удешевляет наноскоп – даже при изготовлении в единичных экземплярах эти блоки в два-три раза дешевле импортных.
Разработка ГН ведется в инициативном порядке уже несколько лет. К настоящему времени хорошо отработан электронно-рентгеновский микроскоп [7], изготовлена небольшая опытная серия, на которой опробованы различные варианты конструкции ЭЗМ, получены хорошие предварительные результаты по разрешению. Снимки одного и того же объекта на средних увеличениях (рис.2) показывают возможность получения изображений в рентгеновском излучении и в электронных пучках на близких уровнях. При этом режимы рентгеновской съемки были далеки от оптимальных по параметрам детекторов, подложек и тест-объектов. Так, в проекционном режиме съемка производилась на рентгеновскую пленку, а в растровом – на один полупроводниковый детектор. Сейчас разрабатывается вариант с 20 детекторами, которые одновременно регистрируют изображения под разными углами для получения послойных изображений объектов.
Разработанный исследовательский комплекс обеспечивает интеграцию основных типов микроскопов с возможностью достижения максимальных параметров для каждого из них. Его функциональность с минимальными затратами может быть расширена в нужных направлениях, а специализация конкретного прибора легко изменяется заменой и/или добавлением отдельных модулей. ГН фактически позволяет совмещать возможности большинства импортных микроскопов разных типов при стоимости на уровне настольных электронных микроскопов. Это импортозамещающий прибор высокого уровня, который пока не имеет аналогов.
Сочетание высоких технических возможностей с умеренной ценой дает возможность использовать его для решения научно-образовательных задач на современном этапе развития наноиндустрии. На базе гибридных наноскопов (ГН) могут создаваться нанодиагностические учебно-научные классы, лаборатории и практикумы. Оптимальным может быть комплект из трех-пяти гибридных наноскопов со смешанной комплектацией другими модулями (зондовыми, оптическими, детекторами разных типов и др.). На одном ГН можно исследовать объекты в различных видах электронов, на другом сочетать электроны и рентгеновское излучение, на третьем – рентгеновские, зондовые и оптические методы. При необходимости сочетания всех видов микроскопов в одном комплекте можно постепенно наращивать возможности ГН, комплектуя его дополнительными модулями в процессе использования.
На практике не обязательно иметь полный комплект блоков питания и управления для каждого ЭЗМ. Поскольку откачная система сделана на базе магниторазрядного насоса, для которого только на время запуска нужен форвакуумный насос, то можно обходиться одним насосом на несколько ЭЗМ. Поскольку вряд ли все ЭЗМ будут задействованы одновременно в течение всего рабочего дня, для нескольких ГН можно использовать один источник питания, меняя кабели, соединяющие ЭЗМ с блоками.
ГН (рис.3–4) уже используются для обучения студентов МГТУ МИРЭА. Так, летом на этих приборах была организована практика студентов первых курсов, а в настоящее время два студента проходят преддипломную практику с последующей подготовкой дипломной работы. Первоначально они выполнят полную сборку ЭЗМ, включая намотку обмоток линз и отклоняющих систем, механическую сборку системы магнитных линз, откачной и детекторных систем, получение вакуума, подключение блоков питания, обеспечение прохождения электронного пучка через линзы, получение первых изображений объектов, проведение предварительной юстировки системы линз, оптимизацию режимов электронных детекторов и получение предельных параметров на тест-объектах. Далее каждый из них на одном из ГН проведет исследования наноструктурных объектов. В результате, они на практике ознакомятся с конструкцией прибора и освоят методы работы на нем.
На базе изготовленных ГН будет функционировать научно-образовательный класс, в значительной мере удовлетворяющий современным требованиям к учебно-научным центрам. Ценность такого класса была бы выше при включении в состав ГН зондовых и оптических микроскопов, а также рентгеноструктурных детекторов. Вакуумный вариант СЗМ для работы совместно с электронным пучком, а также атмосферный вариант для работы совместно с ПРМ принципиально уже проработаны.
При некоторой поддержке государства результаты разработки ГН можно использовать более широко, например, организовав выпуск приборов в рамках модных сейчас фаблабов – производственных лабораторий на базе вузов с привлечением студентов, которые способствуют разработке и производству востребованных на рынке инновационных продуктов и оказанию необходимых услуг. Таким образом, можно будет не только обучать студентов, но и решать задачу по производству отечественного исследовательского оборудования для науки и производства.
Литература
1.Лучинин В.В. Наноиндустрия и "человеческий капитал" // Наноиндустрия, № 6, 2007, с. 2–8.
2.Быков В., Васильев В., Голубок А. Наноэдьюкатор – первый шаг к созданию образовательной нанотехнологической сети // Наноиндустрия, Спецвыпуск, 2010, с. 30.
3.Афанасьев А.В., Лучинин В.В. "Малобюджетная" учебно-научная лаборатория "Нанотехнология и нанодиагностика" // Наноиндустрия, 2009, № 3, с. 40–42.
4.Яминский И. ЦМИТ "Нанотехнологии": первые шаги // Наноиндустрия, № 6, 2014, с. 62–68.
5.Логинов Б.А. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия: учебно-методическое пособие. – М.: МИФИ, 2008, с. 224.
6.Гелевер В.Д. Патент РФ № 2452052 от 27.12.12. Рентгеновский микроскоп наноразрешения.
7.Гелевер В. Разработка электронно-рентгеновского микроскопа (ЭРМ) для исследования наноструктурных объектов // Наноиндустрия, № 6, 2008, с. 32–35.
8.Пианетта П. V Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования наноматериалов и наносистем. ИК РАН, Москва, 2005, с. 13.
Решения на базе однотипных приборов
Учебно-исследовательские классы "Наноэдьюкатор" и "Наноэдьюкатор II", позволяют совмещать обучение с научной деятельностью [2]. Хотя разработчик и производитель – компания "НТ-МДТ" – позиционирует их как комплексные мини-лаборатории, фактически речь идет о комплекте имеющих невысокие параметры сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ) с аксессуарами и учебными пособиями. Поэтому можно говорить о сравнительно низкой стоимости таких учебно-исследовательских классов, но не о комплексности, так как используется только один метод исследования поверхности. Тем не менее уже в 2010 году учебно-исследовательскими классами "Наноэдьюкатор" было оборудовано около 50 образовательных институтов за рубежом и почти 130 научно-образовательных центров в России и СНГ.
Курс по разработке СЗМ читается в МИЭТ, а на практикуме студенты собирают микроскопы из 42 деталей и получают на них изображение атомов [3]. Кроме того, практические курсы по обучению работы на сканирующих зондовых и ион-проводящих микроскопах есть в ЦМИТ "Нанотехнологии" при МГУ [4].
Комплексы оборудования
В НОЦ "Нанотехнологии" СПбГЭТУ "ЛЭТИ" разработан малобюджетный учебно-лабораторный комплекс [5], который обеспечивает широкий охват научно-образовательных направлений и объединяет учебно-научные лаборатории по нанотехнологиям (шесть единиц малогабаритного оборудования) и по нанодиагностике, включая исследования и контроль нанообъектов методами капиллярного электрофореза, эллипсометрии, растровой электронной микроскопии (РЭМ), электронного парамагнитного резонанса, атомно-силовой микроскопии с оптической и электрической нанозондовой диагностикой. Установки укомплектованы методическим и программным обеспечением. К сожалению, по факту этот комплекс нельзя считать малобюджетным, так как в его состав входит 12 установок различных типов. При этом в лаборатории нанодиагностики слабо представлены высокоразрешающие электронные микроскопы, по-видимому, из экономических соображений, так как они имеют высокую стоимость. В состав лаборатории включен настольный РЭМ со средним разрешением, работающий в фиксированном режиме. Формально в комплексе имеется несколько методик диагностики объектов, но они не интегрированы друг с другом. Комплексность же подразумевает возможность исследования участка объекта различными методами примерно в одно время.
Комплексами оборудования, которое используется, в том числе в учебных целях, также располагают наноцентры при вузах. Так, в МГТУ МИРЭА на базе отдела нанодиагностики материалов и изделий микроэлектроники, входящего в структуру Инженерно-научного производственного центра "Средства неразрушающего контроля" (ИНПЦ СНК), планируется обучение студентов современным средствам нанотехнологического контроля электронной компонентной базы. В отделе имеется практически полный набор основных типов микроскопов с высокими параметрами, которые позволяют комплексно исследовать интегральные микросхемы. Однако, из-за большой загрузки отдела плановыми работами, на проведение лабораторных занятий может выделяться относительно небольшое время, поэтому обучение будет носить, скорее всего, ознакомительный характер с получением некоторых практических навыков.
Сканирующая зондовая микроскопия: достоинства и ограничения
В принципе, понятно, почему образовательное оборудование сейчас в России ориентировано на СЗМ. У этих микроскопов довольно простой принцип работы: зонд (острие) механически перемещается вблизи поверхности объекта и регистрируется ток, протекающий через поверхность и зонд при небольшой разности потенциалов между ними, либо силы, воздействующие на зонд со стороны поверхности. При этом разрешение СЗМ определяется в основном радиусом острия зонда. Эти микроскопы используются для исследования топологии поверхностей на атомарно-молекулярном уровне и свойств материалов. СЗМ имеют малые габариты, не требуют больших эксплуатационных расходов, довольно просты по конструкции и относительно дешевы, их могут производить небольшие компании при низких капитальных затратах.
Однако, зондовую микроскопию довольно сложно комбинировать с другими методами исследования поверхности, поэтому выпускаются, в основном, специализированные приборы, хотя иногда СЗМ работают в паре, например, с модулями оптической микроскопии или рамановской спектроскопии. Кроме того, СЗМ имеют ряд недостатков, которые значительно сужают возможности их использования. Так, максимальное поле сканирования не превышает нескольких десятков микрон, что соответствует увеличениям в несколько тысяч крат, но для выбора места исследования нет возможности просмотреть объект с меньшим увеличением. Скорость сканирования при этом довольно низкая. Кроме того, изображение поверхности может иметь до 20 типов артефактов, с которыми можно разбираться довольно долго, чтобы определить насколько изображение соответствует реальности.
По некоторым оценкам, около 70% опубликованных исследований проводятся на электронных микроскопах, а на СЗМ – не более 5%. Соответственно, зондовые микроскопы пока нельзя считать главным инструментом современных нанотехнологий, и они мало подходят на роль базовых при создании учебно-исследовательских комплексов. По своей природе и возможностям зондовая микроскопия больше подойдет к технологиям будущего и производству на атомарном уровне.
Растровая электронная микроскопия
Первоначально под нанотехнологиями (НТ) понимали атомарно-точные методы, но в настоящее время к НТ принято относить технологии, позволяющие изучать и производить объекты размером меньше 100 нм. В этой области больше возможностей для исследований и контроля дает нанометровый электронный пучок, и на роль главного исследовательского прибора больше подходит растровый электронный микроскоп (РЭМ).
Инструментом РЭМ является электронный пучок, параметры которого (энергия, размер, ток, скорость и размер области сканирования) могут легко меняться в широких пределах с помощью электроники. При взаимодействии высокоэнергетичного электронного пучка с объектами возникают различные процессы и вторичные излучения, эффективная регистрация которых дает разнообразную информацию об этих объектах. Электронные микроскопы более сложные и дорогие приборы, чем СЗМ. В рабочем объеме надо обеспечить высокий вакуум и подать на различные элементы – катушки магнитных линз, отклоняющие системы и стигматор, электронную пушку и т.п. – напряжения и токи различной величины (около полутора десятка разных значений), часть из которых должна регулироваться в процессе работы. В различных режимах РЭМ можно исследовать практически любые объекты – ограничения связаны только с габаритами. В микроскопах практически нечему ломаться механически, но могут, как в любом приборе с электроникой, выходить из строя электронные блоки. Основным расходным материалом является вольфрамовая нить катода, которая легко меняется. Кроме того, надо периодически чистить от нагара элементы внутри колонны, на которые попадает электронный пучок.
Универсальные РЭМ позволяют исследовать разнообразные наноструктурированные объекты. По желанию заказчика они комплектуются различными наборами модулей – приставок, детекторов и т.д. Однако такие микроскопы стоят дорого и часто имеют высокую степень автоматизации, что неудобно для использования в образовательных целях.
В большинстве РЭМ основным элементом конструкции является камера объектов. Камера и элементы откачной системы закрепляются на раме – эта базовая часть микроскопа имеет довольно большие габариты при значительной металлоемкости и высокой стоимости. Если же универсальный прибор предназначен, в том числе, для полупроводниковой промышленности и металловедения, где исследуются пластины диаметра 100–300 мм и крупные образцы металлов, то размеры и стоимость конструкции дополнительно увеличиваются.
Из-за наличия большой камеры с отверстиями под детекторы и многокоординатного стола объектов с большим диапазоном перемещений РЭМ чувствителен к электромагнитным наводкам и вибрациям, поэтому часто его приходится размещать в специальном помещении. Существенным недостатком универсальных комплексов является также то, что очень сложно обеспечить одновременно предельные параметры во всех режимах, и часто приходится идти на компромиссы – при разработке комплекса выбирают основной режим и для него оптимизируют фокусирующую оптику, ухудшая параметры в других режимах.
Гибридный наноскоп: основные принципы
Надо отметить, что большинство объектов наноиндустрии имеют небольшие размеры в пределах нескольких миллиметров, а некоторые являются наночастицами. В связи с этим целесообразно при разработке приборов ориентироваться в основном на маленькие объекты с размерами в несколько миллиметров, что значительно упрощает конструкцию и удешевляет исследовательское оборудование. Для более полного удовлетворения современных потребностей в исследованиях поверхности и структуры объектов на микро- и наноуровне в ИНПЦ СНК при МГТУ МИРЭА ведется разработка гибридного наноскопа (ГН) экономкласса, предназначенного для исследований небольших наноструктурных объектов с использованием электронной, рентгеновской, ионной, зондовой и оптической микроскопии, а также различных вариантов спектроскопий.
Базовым элементом ГН является электронно-зондовый модуль (ЭЗМ), в котором формируется сфокусированный электронный пучок, характеризующийся широким диапазоном энергий электронов, токов и размеров пучка (зонда). Питание и управление от ПК обеспечивается двумя блоками (примерно 15 плат).
ЭЗМ (рис.1) – это малогабаритная, настольная конструкция, содержащая систему магнитных линз (колонна), электронную пушку, элементы откачной вакуумной системы, детекторы вторичных и обратнорассеянных электронов, а также столики для небольших объектов. Фактически в ЭЗМ нет камеры объектов в традиционном понимании. Основной элемент ЭЗМ – установленная на ножках колонна, к которой крепятся все остальные элементы. Благодаря этому открыт доступ к последней магнитной линзе, фокусирующей пучок на объекте, что позволяет использовать сменные полюсные наконечники, геометрия которых (ширина полюсного зазора и диаметр полюсного отверстия) может быть оптимизирована под различные режимы. В выбранном варианте конструкции колонна и два детектора размещены в одной полуплоскости от объекта, а вторая полуплоскость свободна, и в ней могут размещаться различные детекторы, модули зондовой и оптической микроскопии, причем в некоторых случаях пользователь сможет устанавливать их самостоятельно, в соответствии со своими потребностями и возможностями.
Если под пучок устанавливается объект, то ЭЗМ работает как электронный микроскоп во вторичных, обратнорассеянных и прошедших электронах с возможностью получения минимального диаметра электронного пучка 1 нм.
Режим просвечивающего
рентгеновского микроскопа
Если под пучок устанавливается мишень (тонкий слой металла на вакуумноплотной подложке), а объект и детектор размещаются на воздухе, то можно проводить исследования в рентгеновском излучении. В просвечивающем рентгеновском микроскопе (ПРМ) при фокусировке электронного пучка на поверхности мишени создается область, излучающая рентген. Размер излучающей области (фокусное пятно) определяется диаметром электронного пучка и эффективной длиной пробега электронов в мишени, которая зависит от ускоряющего напряжения и плотности материала мишени. При соответствующем подборе этих параметров можно получать размер фокусного пятна близким к размеру электронного зонда. Возможны проекционный и растровый режимы формирования рентгеновских изображений внутренней структуры объектов. В проекционном режиме электронный пучок неподвижно сфокусирован в точке мишени, а в растровом режиме сканирует поверхность.
Для получения наноразрешений в режиме ПРМ необходимо использовать ускоряющие напряжения в диапазоне 5–15кВ. При мягком рентгеновском излучении наноразмерные детали объектов будут иметь достаточно высокий контраст. Электронные зонды и фокусные пятна с размерами в десятки нанометров удается получить при токах менее 10-9А. Однако коэффициент выхода рентгеновских квантов под воздействием электронного пучка на пять-шесть порядков ниже, чем у вторичных электронов, поэтому возникают проблемы с регистрацией малоинтенсивных рентгеновских потоков, оперативной и точной фокусировкой электронного пучка на мишени и поддерживанием фокусировки пучка при больших временах регистрации рентгеновского излучения.
С целью оперативной и точной фокусировки пучка на мишени при наноразмерных фокусных пятнах было предложено использовать детектор вторичных электронов в пространстве между двумя последними линзами [6]. При работе в режиме ПРМ растровый режим электронной микроскопии используется как вспомогательный для получения изображения поверхности мишени во вторичных электронах. Вторичные электроны от мишени регистрируются встроенным в колонну детектором, что позволяет при сканировании оперативно и точно фокусировать наноразмерный пучок на мишени, контролировать состояние поверхности мишени и выбирать точки фокусировки для ПРМ. В результате можно реализовать большие времена получения рентгеновских изображений без контроля фокусировки рентгеновского излучения.
Для того чтобы обеспечить уровень рентгеновского потока, достаточный для формирования качественных изображений при наноразмерных фокусных пятнах с малыми токами, целесообразно приближать детектор к мишени. При этом для получения высоких увеличений и разрешений необходимо переходить в ближнефокусный режим, когда обеспечиваются микронные и субмикронные расстояния между объектом и фокусным пятном (do-f). В таком случае увеличение и плотность потока рентгеновского излучения на объекте и детекторе возрастают пропорционально 1/d2o-f. Последнее позволяет скомпенсировать уменьшение мощности рентгеновского излучения при переходе на фокусные пятна в несколько десятков нанометров и получить разрешение на уровне 20–30 нм.
В большинстве современных рентгеновских микроскопов do-f составляет от сотен микрон до нескольких миллиметров. В то же время, многие исследуемые и производимые в наноиндустрии объекты типа тонких пленок и наночастиц, могут просто укладываться на подложку (мембрану) со стороны воздуха. Тогда толщина мембраны определяет минимальное do-f, и удобна конструкция, когда электронная пушка находится внизу, а вверху размещена мембрана с мишенью. Современные технологии позволяют получать вакуумноплотные микронные и субмикронные мембраны из Be, Si, Si3N4, C и других материалов.
Комбинирование методов
Предложенный вариант ЭЗМ – электронно-рентгеновский микроскоп [7], в котором оптимально совмещены два типа высокоразрешающих приборов и возможно комплексное исследование одного участка объекта в различных видах электронов и в рентгеновском излучении. Кроме того, координатно-чувствительные детекторы могут сочетаться с детекторами рентгеноструктурного анализа, что позволит одновременно получать информацию о химическом составе объектов.
Надо отметить, что фактически впервые для широкого применения в нанодиагностике предлагается высокоразрешающая (20–30 нм) рентгеновская микроскопия. В настоящее время такие разрешения в рентгеновском излучении достигают на синхротронах с применением дорогостоящих и сложных элементов рентгеновской оптики [8]. Кроме того, есть импортные рентгеновские микроскопы на базе рентгеновских трубок с разрешением 50–100 нм, но эти приборы стоят дорого (некоторые – до 1–3 млн. долл.) и имеют довольно большие габариты.
Большинство методов микроскопии в основном дают информацию о топологии и химическом составе поверхности наноструктурных объектов. Однако, многие свойства наноматериалов определяются распределением частиц и пор в объеме, поэтому приходится применять дорогостоящую и трудоемкую пробоподготовку – делать сколы, изломы, стравливать послойно объект, но и в этих случаях не всегда удается получить полную информацию о внутренней структуре объектов. Рентгеновская микроскопия позволяет исследовать внутреннюю структуру на воздухе и в жидкостях без разрушения объектов и с минимальной пробоподготовкой. В некоторых случаях возможно получение объемных или послойных изображений. В будущем следует ожидать появления рентгеновских микроскопов с разрешением на уровне 5–10 нм.
Очень эффективной может быть комбинация рентгеновской, зондовой и оптической микроскопии. Иногда оптические микроскопы применяются для контроля перемещения зонда и подвода его к заданной точке с высокой точностью. В этом случае можно в оптический объектив видеть острие и в реальном времени наблюдать за сканированием и наноманипуляциями. Если работать зондовым микроскопом с нанообъектами на тонкой пленке, то при размещении с обратной стороны пленки мишени можно будет видеть в рентгеновском излучении острие зонда и объекты.
Совершенствование
и внедрение гибридного наноскопа
Выбранный вариант конструкции ГН, в которой базовым элементом является колонна со встроенными электронными детекторами и набором столиков для небольших объектов, не только позволяет оптимально совмещать различные исследовательские подходы, но и удешевляет прибор. Для изготовления ГН достаточно сборочного производства с механическим участком среднего уровня при небольших капитальных затратах. Использование отечественных блоков питания и управления, которые хорошо отработаны и изготавливаются уже много лет также удешевляет наноскоп – даже при изготовлении в единичных экземплярах эти блоки в два-три раза дешевле импортных.
Разработка ГН ведется в инициативном порядке уже несколько лет. К настоящему времени хорошо отработан электронно-рентгеновский микроскоп [7], изготовлена небольшая опытная серия, на которой опробованы различные варианты конструкции ЭЗМ, получены хорошие предварительные результаты по разрешению. Снимки одного и того же объекта на средних увеличениях (рис.2) показывают возможность получения изображений в рентгеновском излучении и в электронных пучках на близких уровнях. При этом режимы рентгеновской съемки были далеки от оптимальных по параметрам детекторов, подложек и тест-объектов. Так, в проекционном режиме съемка производилась на рентгеновскую пленку, а в растровом – на один полупроводниковый детектор. Сейчас разрабатывается вариант с 20 детекторами, которые одновременно регистрируют изображения под разными углами для получения послойных изображений объектов.
Разработанный исследовательский комплекс обеспечивает интеграцию основных типов микроскопов с возможностью достижения максимальных параметров для каждого из них. Его функциональность с минимальными затратами может быть расширена в нужных направлениях, а специализация конкретного прибора легко изменяется заменой и/или добавлением отдельных модулей. ГН фактически позволяет совмещать возможности большинства импортных микроскопов разных типов при стоимости на уровне настольных электронных микроскопов. Это импортозамещающий прибор высокого уровня, который пока не имеет аналогов.
Сочетание высоких технических возможностей с умеренной ценой дает возможность использовать его для решения научно-образовательных задач на современном этапе развития наноиндустрии. На базе гибридных наноскопов (ГН) могут создаваться нанодиагностические учебно-научные классы, лаборатории и практикумы. Оптимальным может быть комплект из трех-пяти гибридных наноскопов со смешанной комплектацией другими модулями (зондовыми, оптическими, детекторами разных типов и др.). На одном ГН можно исследовать объекты в различных видах электронов, на другом сочетать электроны и рентгеновское излучение, на третьем – рентгеновские, зондовые и оптические методы. При необходимости сочетания всех видов микроскопов в одном комплекте можно постепенно наращивать возможности ГН, комплектуя его дополнительными модулями в процессе использования.
На практике не обязательно иметь полный комплект блоков питания и управления для каждого ЭЗМ. Поскольку откачная система сделана на базе магниторазрядного насоса, для которого только на время запуска нужен форвакуумный насос, то можно обходиться одним насосом на несколько ЭЗМ. Поскольку вряд ли все ЭЗМ будут задействованы одновременно в течение всего рабочего дня, для нескольких ГН можно использовать один источник питания, меняя кабели, соединяющие ЭЗМ с блоками.
ГН (рис.3–4) уже используются для обучения студентов МГТУ МИРЭА. Так, летом на этих приборах была организована практика студентов первых курсов, а в настоящее время два студента проходят преддипломную практику с последующей подготовкой дипломной работы. Первоначально они выполнят полную сборку ЭЗМ, включая намотку обмоток линз и отклоняющих систем, механическую сборку системы магнитных линз, откачной и детекторных систем, получение вакуума, подключение блоков питания, обеспечение прохождения электронного пучка через линзы, получение первых изображений объектов, проведение предварительной юстировки системы линз, оптимизацию режимов электронных детекторов и получение предельных параметров на тест-объектах. Далее каждый из них на одном из ГН проведет исследования наноструктурных объектов. В результате, они на практике ознакомятся с конструкцией прибора и освоят методы работы на нем.
На базе изготовленных ГН будет функционировать научно-образовательный класс, в значительной мере удовлетворяющий современным требованиям к учебно-научным центрам. Ценность такого класса была бы выше при включении в состав ГН зондовых и оптических микроскопов, а также рентгеноструктурных детекторов. Вакуумный вариант СЗМ для работы совместно с электронным пучком, а также атмосферный вариант для работы совместно с ПРМ принципиально уже проработаны.
При некоторой поддержке государства результаты разработки ГН можно использовать более широко, например, организовав выпуск приборов в рамках модных сейчас фаблабов – производственных лабораторий на базе вузов с привлечением студентов, которые способствуют разработке и производству востребованных на рынке инновационных продуктов и оказанию необходимых услуг. Таким образом, можно будет не только обучать студентов, но и решать задачу по производству отечественного исследовательского оборудования для науки и производства.
Литература
1.Лучинин В.В. Наноиндустрия и "человеческий капитал" // Наноиндустрия, № 6, 2007, с. 2–8.
2.Быков В., Васильев В., Голубок А. Наноэдьюкатор – первый шаг к созданию образовательной нанотехнологической сети // Наноиндустрия, Спецвыпуск, 2010, с. 30.
3.Афанасьев А.В., Лучинин В.В. "Малобюджетная" учебно-научная лаборатория "Нанотехнология и нанодиагностика" // Наноиндустрия, 2009, № 3, с. 40–42.
4.Яминский И. ЦМИТ "Нанотехнологии": первые шаги // Наноиндустрия, № 6, 2014, с. 62–68.
5.Логинов Б.А. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия: учебно-методическое пособие. – М.: МИФИ, 2008, с. 224.
6.Гелевер В.Д. Патент РФ № 2452052 от 27.12.12. Рентгеновский микроскоп наноразрешения.
7.Гелевер В. Разработка электронно-рентгеновского микроскопа (ЭРМ) для исследования наноструктурных объектов // Наноиндустрия, № 6, 2008, с. 32–35.
8.Пианетта П. V Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования наноматериалов и наносистем. ИК РАН, Москва, 2005, с. 13.
Отзывы читателей
