9. Zastosowanie dźwigni piezorezystywnych w mikroskopii sił atomowych
9.3. Pomiary topografii powierzchni i sił tarcia za pomocą dźwigni
Zastosowanie piezorezystywnych dźwigni do pomiaru siły nacisku i tarcia wyma-gało wstępnej kalibracji pomiaru oddziaływań skupionych na końcówce mikrosondy w czasie statycznego skanowania powierzchni. Na rysunku 9.10 przedstawiono odpo-wiedź czujnika sił tarcia, w przypadku gdy podłoże kwarcowe, pokryte warstwą chro-mu o grubości 100 nm, było przesuwane w kierunku prostopadłym do osi podłużnej czujnika z częstotliwością 20 Hz o 50 nm. Widoczne jest, że przy ruchu próbki
w przeciwnych kierunkach zmianie ulega znak sygnału wyjściowego z detektora sił tarcia. W przeprowadzonych eksperymentach, przy sile nacisku ostrza na powierzch-nię równej 1 μN nie zaobserwowano przejść między tarciem statycznym i dynamicz-nym charakterystycznych dla mniejszych obciążeń [171]. Świadczy o tym płaski przebieg sygnału wyjściowego z detektora sił tarcia bez istotnych uskoków typowych dla zmiany charakteru oddziaływań na końcówce pomiarowej.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 80 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Detektor sił tarcia [μV]
Sygn ał wyj ściow y detek tora si ły ta rc ia [μ V] Czas [ms] -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 Wychy lenie w osi x [nm] Wychylenia x [nm] Wychylenie w osi x [nm]
Rys. 9.10. Odpowiedź detektora sił tarcia w przypadku przesuwu podłoża w kierunku prostopadłym do osi podłużnej belki [171]
Odpowiedź detektora sił tarcia zarejestrowano również w funkcji siły nacisku ostrza na powierzchnię dla różnych materiałów stanowiących pokrycia podłoży krze-mowych i kwarcowych (rys. 9.11). Widać, że w przypadku materiałów o mniejszych twardościach odpowiedź detektora sił tarcia jest największa [171]. Wiąże się to z pe-netrowaniem przez mikroostrze objętości cienkiej warstwy pokrycia osadzonego na twardym podłożu krzemowym lub kwarcowym. Należy dodatkowo zaznaczyć, że zagadnienia kalibracji odpowiedzi detektorów sił tarcia działających na mikroostrze w statycznej mikroskopii sił atomowych są nadzwyczaj trudnymi problemami metrolo-gicznymi i nie zostały do tej pory w pełni rozwiązane [285]. Największe trudności doty-czą opisu oddziaływań i zachowań występujących w układzie ostrze pomiarowe– powierzchnia. W przypadku powierzchni, które nie są powierzchniami atomowo pła-skimi, modele wyjaśniające oddziaływania między ostrzem a powierzchnią, zakładające poślizg atomowej końcówki mikroostrza wzdłuż atomów podłoża [286], nie odpowiada-ją rzeczywistym zjawiskom obserwowanym np. w układach mikrosystemowych [287].
Autor niniejszej pracy uważa, że procedury kalibracji piezorezystywnego czujnika sił tarcia na wybranych podłożach wzorcowych są wiarygodnymi i pozwalającymi na
ilo-Zastosowanie dźwigni piezorezystywnych w mikroskopii sił atomowych i sił tarcia 147 ściową i porównawczą ocenę oddziaływań skupionych na mikroostrzu pomiarowym. Na rysunku 9.12 przedstawiono wynik pomiaru topografii powierzchni struktur chromowych osadzonych na podłożu kwarcowym [144, 288, 289]. Różna wysokość struktur związana jest z niejednorodnym przebiegiem procesu trawienia powierzchni metalicznej.
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 2 4 6 8 10 12 14 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 0 2 4 6 8 10 12 14 Al Cr Kwarc Si O dpo wi e d ź de te ktora si ły tarcia [μ V] Siła nacisku [μN]
Rys. 9.11. Odpowiedź detektora piezorezystywnego sił tarcia jako funkcji siły nacisku w przypadku obserwacji oddziaływań występujących na różnych podłożach cienkowarstwowych [171]
Widoczne na rysunku 9.12 zakrzywienia obrazu topografii struktur kolistych wynika-ją natomiast z nieliniowości przetwarzania aktuatora piezoceramicznego. Siła nacisku, przy której obserwowano siły tarcia (rys. 9.13), wynosiła w opisywanych eksperymen-tach 1 μN. Ciemniejsza barwa na obrazie wskazuje miejsca, gdzie obserwowane jest zwiększone tarcie występujące między krzemowym ostrzem a badaną powierzchnią.
Uzyskane wyniki są zgodne z przewidywaniami i wynikami kalibracji, które opi-suje charakterystyka z rysunku 9.11. Symulacje przeprowadzone za pomocą elemen-tów skończonych i dokładna znajomość wzmocnienia układów pomiarowych po-zwalają na obliczenie wartości siły tarcia działającej na końcówkę pomiarową. W przypadku pomiarów, których wyniki przedstawiono na rysunku 9.13, różnica mię-dzy tarciem na powierzchni chromu a tarciem na powierzchni kwarcu wynosi 100 nN. Na rysunkach 9.14 i 9.15 pokazano natomiast powiększone obrazy topografii i rozkła-du sił tarcia zaobserwowane w innym miejscu tej samej próbki wzorcowej, zawierają-cej struktury chromowe na podłożu kwarcowym [144].
Zarejestrowane na krawędzi wyspy chromu podwyższenie jest pozostałością foto-rezystu, który stanowił maskę w trawieniu plazmowym warstwy metalicznej. W ob-szarze miękkiego fotorezystu zaobserwowano w tym przypadku siły tarcia większe o około 140 nN niż na podłożu kwarcowym.
Rys. 9.12. Topografia punktów chromowych na podłożu kwarcowym (pole skanowania
7×7 μm, wysokość struktury 120 nm, prędkość skanowania 2 linie/s) [144]
Rys. 9.13. Siły tarcia obserwowane na strukturze punktów chromowych na podłożu kwarcowym (pole skanowania 7×7 μm, wysokość struktury 120 nm, prędkość skanowania 2 linie/s, siła nacisku 1μN, kontrast sił tarcia 100 nN) [144]
Rys. 9.14. Topografia punktów chromowych na podłożu kwarcowym (pole skanowania
3,5×3,5 μm, wysokość struktury 120 nm, prędkość skanowania 2 linie/s) [144]
Rys. 9.15. Siły tarcia obserwowane na strukturach punktów chromowych osadzonych na podłożu
kwarcowym (pole skanowania 3,5×3,5 μm, wysokość struktury 120 nm, prędkość skanowania
2 linie/s, siła nacisku 1 μN, kontrast sił tarcia 120 nN) [144]
W mikroskopii sił ścinających o charakterystyce pomiarowej całego systemu de-cyduje wzajemny układ takich czynników, jak:
♦ Amplituda drgań ostrza pomiarowego, która zwykle wynosi kilka nanome-trów. Włókno pomiarowe, drgając ponad powierzchnią, uśrednia oddziaływanie dy-namiczne działające na ostrze. Większe amplitudy drgań powodują zatem zmniejsze-nie lokalnej rozdzielczości pomiaru topografii powierzchni, przy jednoczesnym zwiększeniu stosunku sygnał–szum.
♦ Czułość pomiaru (detekcji) drgań włókna sprężystego. Czulsze metody ob-serwacji drgań włókna prowadzą do pomiaru mniejszych oddziaływań skupionych na mikroostrzu. Należy jednak zaznaczyć, że poprawa stosunku sygnał–szum przez prze-prowadzanie nadzwyczaj selektywnych pomiarów zwiększa czas skanowania i czyni cały proces pomiarowy bardziej wrażliwym na zakłócenia i dryfy.
♦ Właściwości mechaniczne włókna pomiarowego. Włókna o mniejszej stałej sprężystości umożliwiają pomiar słabszych oddziaływań dynamicznych. Jednocześnie jednak włókna takie charakteryzują się mniejszymi częstotliwościami rezonansowymi, co zmniejsza prędkość skanowania ostrza i wydłuża czas obserwacji.