СКАНИРУЮЩАЯ БЛИЖНЕПОЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ, СПЕКТРОСКОПИЯ И НАНОЛИТОГРАФИЯ

June 28, 2012 by admin Комментировать »

Дряхлушин В. Ф. Институт физики микроструктур РАН, ГСП-105, Н. Новгород-603950, Россия Тел.: (8312)675535; e-mail: dvf(8>jpm.sci-nnov.ru

Аннотация В работе приведен обзор последних достижений в области сканирующей ближнепольной оптической микроскопии, спектроскопии и нанолитографии. Показана возможность получения изображения различных полупроводниковых, микроэлектронных и микробиологических структур с разрешением, существенно превышающим дифракционный предел. Рассмотрены возможности изучения локальных энергетических и геометрических свойств поверхности образца концентрации, диффузионных длин и спектра носителей заряда, картирования излучающих поверхностей полупроводниковых лазеров, распространения и преобразования поверхностных плазмонов с разрешением < 100 нанометров. Исследованы методы создания различных латеральных объектов с размерами < 30 50 нанометров с помощью ближнепольной оптической нанолитографии.

Возможности оптики в получении изображения с высоким разрешением определяются дифракционным пределом и не могут превышать 1.22 Х/2п (X длина волны света, п показатель преломления). Создание сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) позволило лишь частично решить данную проблему, так как он может быть применен только для исследования проводящих образцов и для его работы необходим высокий вакуум, что создает сложности для некоторых применений. Кардинальный шаг в исследовании физических явлений был сделан двадцать лет назад созданием принципиально новых изображательных систем, основанных на детектировании и использовании нерадиационных полей: сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), атомно-силового микроскопа (ACM), сканирующего ближнепольного оптического микроскопа (СБОМ) и ряда других. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп был предложен и реализован вскоре после создания сканирующего туннельного микроскопа [1,2]. Принцип работы СБОМ, как и других сканирующих зондовых микроскопов, заключается в сканировании поверхности образца источником (или приемником) оптического излучения с размерами, много меньшими длины волны света, на малом расстоянии от поверхности (в ближней зоне излучения). Отличительной особенностью СБОМ по сравнению с СТМ и ACM является необходимость независимой системы подвода и удержания зонда вблизи поверхности, поэтому, как правило, СБОМ комбинируется совместно с ACM, который обеспечивает удержание зонда вблизи поверхности так называемым “shearforce” методом [3]. Это усложняет и удорожает СБОМ, но, с другой стороны, позволяет одновременно получить СБОМи АСМ-изображения, что дает более полную информацию о поверхности образца.

Уступая СТМ и ACM в разрешении, СБОМ имеет свою область применения в научных исследованиях. Кроме получения оптического изображения с высоким разрешением, это прежде всего локальная оптическая спектроскопия микроэлектронных, микробиологических и полупроводниковых объектов и модификация поверхности для сверхплотной записи информации и нанолитографии. Подробно различные конструкции СБОМ описаны в обзоре [4].

Особый интерес представляет сканирующий безапертурный интерференционный микроскоп (СБИМ), который позволяет получить изображение с разрешением до 1 нанометра [5]. Его принцип работы заключается в измерении интерференции опорной волны и оптической волны, отраженной от зонда ACM. Для данного метода необходимо измерение фазы с крайне высокой точностью (до 10′7 рад/гц1/2) и очень сложная система выделения сигнала. Повидимому, по этой причине СБИМ не нашел широкого применения, несмотря на замечательные результаты, полученные с его помощью.

СБОМ позволил радикально улучшить разрешение оптического изображения. В настоящее время с его помощью получено разрешение до 12 нм (Х/43) [6], что существенно превышает дифракционный предел. Это позволило получить оптическое изображение широкого класса объектов (больших органических молекул, вирусов, отдельных элементов приборов микрои наноэлектроники), что невозможно методами обычной оптики. Развитие ближнеполной оптики стало причиной возникновения новых областей научных исследований локальной спектроскопии и локальной модификации поверхности с разрешением 30100 нанометров.

Локальная модификация поверхности с помощью СБОМ (NF-lithography) может найти применение в сверхплотной записи информации и создании приборов наноэлектроники. Прямая ближнепольная оптическая литография с использованием фоторезиста позволяет получить рисунок с минимальным размером только ~ 100 нм [7] вследствие быстрого уменьшения коэффициента прохождения оптического излучения через зонд ~ а6 (а апертура зонда). По нашему мнению, более интересные результаты были получены при прямом взаимодействии излучения, выходящего из зонда СБОМ, с поверхностью некоторых образцов. В [8] исследована возможность реверсивной записи и считывания информации с помощью малых магнитооптических доменов. Фазовые изменения в пленке полупроводника GeSbTe при фототермическом воздействии были рассмотрены в [9]. Наименьший размер бита информации, полученный в этом эксперименте, был равен 60 нм, что соответствует плотности записи ~ 170 Gb/in2. Другой метод изготовления нанометровых элементов с помощью ближнепольной литографии (NF lithogrtaphy), предназначенный для создания приборов наноэлектроники, предложен в [10]. Метод включает нанесение тонкопленочного двухслойного защитного покрытия полимер металл, непластическую деформацию верхнего слоя металла нагретым зондом СБОМ, перенос рисунка через полимер на поверхность образца методом сухого травления и создание различных нанометровых элементов через изготовленную таким образом маску. Метод позволяет создавать произвольный рисунок (в виде вытравленных в поверхности ямок, канавок, металлических, диэлектрических точек, линий или их комбинации) на поверхности различных образцов. Показана возможность создания латеральных элементов с характерными размерами 30 50 нм.

Другая область научных исследований, возникшая на основе СБОМ сканирующая ближнепольная оптическая спектроскопия является чрезвычайно полезным инструментом для исследования локальных свойств физических, микробиологических и химических объектов с разрешением < 100 нм. В микробиологии метод применен для исследования свойств одиночных вирусов, нейронов, больших органических молекул. В частности, их поляризация и флуоресценция изучены в [11]. Привлекательной является возможность локальной модификации одиночных микробиологических объектов или их элементов, т. е. генная инженерия. Несколько замечательных результатов были получены с помощью СБИМ [5] при исследовании отдельных органических молекул и вирусов, где достигнуто разрешение < 5 нм [12].

СБОС предоставляет уникальные возможности для исследования полупроводниковых нанообъектов: квантовых ям [13], нитей [14] и точек [15]. Иногда это метод используется в сочетании с пико[16] и фемтосекундной [17] техникой. Исследованы энергетические спектры одиночных квантовых нанообъектов, времена и длины диффузии неосновных носителей заряда, эмиссия и транспорт экситонов. Показана возможность получения более полной информации при проведении измерений одновременно в «illumination» и «collection» модах. Изучена спектроскопия электронного газа, находящегося под затвором полевого транзистора. Интересные результаты получены при создании точечного (< 100 нм) источника терагерцевого излучения при смешении двух близколежащих мод полупроводникового инфракрасного лазера [18]. Источником нелинейности при смешении частот являлся арсенид галлия, на который было направлено излучение. С помощью такого точечного источника было проведено зондирование полевых транзисторов. Другим методом изучения наноструктур является ближнепольная фотопроводимость, в котором зонд СБОМ сканирует вдоль скола структуры, локально возбуждая носители заряда. [19]. Метод позволяет измерить энергетические (при изменении длины волны зондирующего излучения) и геометрические параметры гетероструктуры, а также диффузионную длину неосновных носителей заряда. Важной для практического применения является возможность картирования излучающих поверхностей полупроводниковых лазеров [20, 21]. Эксперименты проводились как на обычных лазерах, так и на лазерах с вертикальным резонатором. Метод дает возможность найти пространственное и спектральное распределение мод излучения в ближней зоне, определить дефекты полупроводниковой гетероструктуры. Отметим также возможность прямого наблюдения рассеяния и генерации второй гармоники [22] поверхностных плазмонов, распространяющихся вдоль шероховатой поверхности.

Ключевым элементом СБОМ является его зонд. Его апертура определяет разрешение микроскопа, оптическая мощность, излучаемая зондом, определяет возможность его применения для модификации поверхности и спектроскопии с высоким пространственным разрешением.

Существует несколько видов зондов СБОМ. Наиболее перспективным и широко распространенным является зонд на основе адиабатически суженного одномодового оптического волокна, покрытого тонкой металлической пленкой и имеющего малую апертуру на его острие [23,24]. Одномодовость оптического волокна необходима для эффективного преобразования его фундаментальной моды НЕц в моду ТЕц цилиндрического металлического волновода, имеющую наименьший критический диаметр.

В настоящее время получены зонды СБОМ с коэффициентами прохождения оптического излучения: 10′2 10′3 для зеленого света (Х=0.48 0.56 мкм),

5-10′3 5-10′4 для красного света (Х=0.60 0.68 мкм), 2-10′3 2-10′4 для инфракрасного света (Х=0.78 1.05 мкм).

Максимальная мощность оптического излучения, вводимая в зонд, равна нескольким милливаттам. Это позволяет создать плотность мощности оптического излучения в локальной области под зондом около 104 Вт/см2.

Основной целью совершенствования конструкции зондов СБОМ является улучшение их разрешения и коэффициента прохождения оптического излучения. Первый параметр определяет возможность получения изображения с меньшим разрешением, второй возможности применения СБОМ для локальной спектроскопии и модификации поверхности. Одновременное улучшение этих параметров может быть достигнуто в зондах на основе поверхностных плазмонов, [25], либо в зондах на основе двухпроводных линий передач света (коаксиалов и микрополосков) [21].

Основным недостатком используемых в настоящее время зондов является наличие в сужающемся металлическом волноводе запредельной области, где излучение экспоненциально затухает. В ряде работ предложены и реализованы альтернативные конструкции зондов СБОМ на основе двухпроводных линий передачи. Известно, что двухпроводные линии передачи, включая микрополосковую линию и коаксиал, не имеют частоты отсечки для основной моды излучения, что должно значительно увеличить прохождение оптического излучения через зонд.

Очевидно, что работы по созданию и совершенствованию зондов СБОМ будут продолжены. В данной работе мы хотим подчеркнуть важность и актуальность этой проблемы и указать наиболее перспективные, на наш взгляд, направления исследований.

Таким образом, в обзоре показаны новые уникальные возможности создания, метрологии и изучения полупроводниковых, микроэлектронных и микробиологических структур. Необходимо отметить, что ближнепольная спектроскопия и нанолитография возникли лишь в середине 90-х годов, идет поиск новых аппаратных и физических решений для создания и исследования различных наноструктур и, очевидно, в ближайшем будущем будут получены новые интересные результаты.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 03-02-17321.

Список литературы

1.    G. Bednorz, W. Denk, М. Lanz, D. W. Pohl. Eur. Patent no.

0      112 401, 1982, Int. Cl. H01J/14.

2.    D. W. Pohl, W. Denk, M. Lanz. Appl. Phys. Lett., v. 44,p.

651 (1984).

3.    E. Betzig, P. L. Finn, J. S. Weiner. Appl. Phys. Lett., v. 60, p. 2484 (1992).

4.    D. Courjon, C. Bannier. Rep. Prog. Phys., v. 57, p. 989 (1994).

5.    F. Zenhausern, Y. Martin, H. K. Wickramasinghe. Science, v. 269, p. 1083 (1995).

6.    E. Betzig, J. К. Trautman, T. D. Harris, J. S. Weiner,

R. L. Kosteiak. Science, v. 251, p. 1468 (1991).

7.    С. C. Davis, W. A. Ada, A. Gungor, D. L. Mazzoni,

S.    Pilevar, 1.1. Smolyaninov. Laser Phys. V. 11, p. 243 (1997).

8.    E. Betzig, J. K. Trautman, R. Wolfe E. M. Gyorgy,

P. L. Finn, М. H. Kryder, С. H. Chang. Appl. Phys. Lett., v. 61, p. 142 (1992).

9.    S. Hosaka, A. Kikukawa, H. Koyanagi, M. Miyamoto, K. Nakamura, K. Etoh. Nanotechnology, v. 8, p. A58 (1997).

10.  V. F. Dryakhlushin, A. Yu. Klimov, V. V. Rogov et al. Nanotechnology, v. 11, p. 188 (2000).

11.  R. Uma Maheswari, H. Tatsumi, Y. Katayama, M. Ohtsu. Opt. Comm., v. 120, p. 325 (1995).

12.  Y. Martin, F. Zenhausern, H. K. Wickramasinghe.

Appl. Phys. Lett., v. 68, p. 2475 (1996).

13.  P. A. Crowell, D. K. Young, S. Keller, E. L. Ни,

D. D. Awschalom. Appl. Phys. Lett., v. 72, p. 927 (1998).

14.  T. Guenther, V. Emiliani, F. Intonti, C. Lienau, T. Elsaesser. Appl. Phys. Lett., v. 75, p. 3599 (1999).

15.  A. Chaves-Pirson, J. Temmyo, H. Kamada, H. Gotoh,

H.Ando. Appl. Phys. Lett., v. 72, p. 3494 (1998).

16.  A. Richter, M. Subtitz, D. Heinrich, Ch. Lienau,

T. Elsaesser, M. Ramsteiner, R. Notzel, К. H. Ploog. Appl. Phys. Lett., v. 73, p. 2176 (1998).

17.  M. S. Unlu,B. B. Goldberg, W. D. Herzog, D. Sun, E. Towe. Appl. Phys. Lett., v. 67, p. 1862 (1995).

18.  М. E. AH, K. Geary, H. L. Fetterman et al. IEEE Microwave and Wireless Comp. Lett., v. 12, no. 10, p. 369 (2002).

19.  W. D. Herzog, M. S. Unlu, В. B. Goldberg, J. H. Rhodes,

C. Harder. Appl. Phys. Lett., v. 70, p. 688 (1997).

20.  J. Kim, J. T. Boyd, H. E. Jackson, K. D. Choquette.

Appl. Phys. Lett., v. 76, p. 526 (2000).

21.  В. Ф. Дряхлушин, А. Ю. Климов, В. В. Рогов,

Д. О. Филатов, А. В. Круглов. Поверхность, т. 15, № 11, с. 64 (2000).

22.  /. I. Smolyaninov, D. L. Mazzoni, J. Mait, С. С. Davis.

Phys. Rev. В, v. 56, p. 1601 (1997).

23.  G. A. Valaskovich, M. Holton, G. H. Morrison. Appl. Optics, v. 34, p. 1215(1995).

24.  V. F. Dryakhlushin, A. Yu. Klimov, V. V. Rogov, S. A. Gusev. Instrum, and Experim. Techniques,v. 41, no. 2, p. 138 (1998).

25.  V. S. Gurevich, M. N. Libenson. Ultramicroscopy, v. 57, p. 277 (1995).

SCANNING NEAR-FIELD OPTICAL MICROSCOPY, SPECTROSCOPY AND NANOLITHOGRAPHY

Dryakhlushin V. F.

Institute for Physics of Microstructures, RAS, GSP-105, Nizhny Novgorod, Russia, 603950 phone +7 (8312) 675535 e-mail: dvf@ipm.sci-nnov.ru

Abstract A review of the latest developments in the scanning near-field optical microscopy, spectroscopy and nanolithography is presented. The possibility of obtaining images of different semiconductor, microelectronic and microbiology structures with the resolution exceeding the diffraction limit is shown. The investigation of local energy and geometry properties of sample surfaces is discussed, including concentration, diffusion length and carrier charge spectra, mapping of the emitting surfaces of semiconductor lasers, near-field photoconductivity, propagation and transformation of surface plasmons at the resolution below 100nm. Techniques of fabricating objects with <30-50nm dimensions are discussed.

The potential of conventional optics is determined by the diffraction limit and cannot exceed 1,22XI2n (X being the wavelength of light, n refraction index). A major leap forward in the perception of physical phenomena occurred twenty years ago with the advent of a new generation of imaging systems based on the detection and utilization of non-radiating fields: scanning tunneling microscope (STM), atomic-force microscope (AFM), scanning

near-field optical microscope (SNOM) and others. The SNOM was designed shortly after the introduction of the STM [1,2].

A distinguishing feature of the SNOM compared to the STM and AFM is that the probe has to be driven to and fixed near the surface using a separate system, which explains why SNOMs are usually combined with AFMs to keep the probe by the so-called ‘shear force’ method [3]. The SNOM design is therefore more complicated but, on the other hand, it offers simultaneous AFM and SNOM imaging providing a fuller coverage of sample surfaces.

While being inferior to STMs and AFMs in terms of resolution, SNOMs have their own specific areas of application in scientific research: high-resolution optical imaging, as well as local optical spectroscopy of microbiological and semiconductor objects and surface modification for superhigh-density data recording and nanolithography.

SNOMs have radically improved the resolution of optical images. At present, the highest resolution obtained approaches 12nm (A/43) [6], which greatly exceeds the diffraction limit. This allowed for optical images of a wide variety of objects (large-size organic molecules, viruses, elements of microand nanoelectronic devices, etc.) to be obtained, which was impossible with conventional techniques. The near-field optics development gave rise to new areas of research, i. e. local spectroscopy and local surface modification with a 50-1 OOnm resolution.

SNOM-aided local surface modification (NF-lithography) may find applications in superdense optical data recording and in the development of nanoelectronic devices. Direct near-field optical lithography utilizing photoresist allows for patterns with a minimal size of just ~100nm to be obtained [7] due to a rapid, ~ a6 (where a is the aperture diameter), reduction in the ratio of the optical radiation transmission through a probe. In our opinion, more exciting results have been obtained from direct interactions between the optical radiation emitted from a SNOM probe and the surface of certain samples. A possibility of reverse data recording and reading by using small-scale magneto-optical domains [8] has been investigated. S. Hosaka et al. [9] studied phase changes in semiconductor GeSbTe films. In this experiment, the smallest bit size was 60nm, which corresponded to the data recording density of ~170Gb/in2. Another technique of nm design using the NF lithography intended mainly for the nanoelectronic devices fabrication is proposed in

[10]    . This technique is applicable to any materials capable of forming different nanometer objects (both metal and dielectric) on their surfaces. A possibility of fabricating 30-50nm lateral elements has been shown.

Another research area that emerged with the advent of SNOMs scanning near-field optical spectroscopy (SNOS) has proved to be a highly useful tool for investigating local properties of physical, microbiological and chemical objects with a resolution of <100nm. In microbiology, this tool offered an insight into the properties of single viruses, neurons, and large organic molecules; in particular, their polarization and fluorescence have been studied in [11]. Local modifications of single microbiological objects or their elements, i. e. genetic engineering, seems very promising.

SNOSs provide unique opportunities for investigating semiconductor nanoobjects: quantum wells, wires and dots [13-15]. Sometimes this method is used in combination with the picoand femtosecond techniques [16, 17]. The energy spectrum of single quantum nanoobjects, the diffusion times and lengths of minor carriers, emission and transport of exitons have been studied. Another method of nanostructures studies is the nearfield photoconductivity in which a SNOM probe scans along a chip in a structure locally exciting the charge carriers, which is recorded by measuring the current flow through the structure [19]. The energy and geometry parameters of heterostructures, as well as diffusion lengths of excited minor current carriers may be measured with this technique. An important capability in terms of practical application is mapping the emitting surfaces of semiconductor lasers [20]. The experiments have been conducted both for the conventional and for the vertical cavity surface emitting lasers. This technique enables high space/spectral resolution investigation of the near-field radiation map, and allows for the detection of defects in a semiconductor heterostructure. Also noteworthy is a possibility of directly observing the scattering and generation of the second harmonic of surface plasmons propagating along rough surfaces [21].

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты