9. Zastosowanie dźwigni piezorezystywnych w mikroskopii sił atomowych
9.2. Pomiary topografii powierzchni za pomocą prostych dźwigni
Zastosowanie prostych dźwigni piezorezystywnych w modularnym mikroskopie bliskich oddziaływań skonstruowanym w Politechnice Wrocławskiej wymaga jedynie niewielkich modyfikacji, które są związane z:
♦ użyciem odpowiedniego uchwytu sondy pomiarowej (rys. 9.2),
♦ użyciem wzmacniaczy wejściowych współpracujących z detektorem piezorezy-stywnym,
♦ doborem zakresu wzmocnień i stałych czasowych układu sprzężenia zwrot-nego systemu, tak aby uzyskać opty-malne warunki regulacji siły działają-cej na końcówce belki.
Pomiary testowe przeprowadzono, wy-korzystując próbki wzorcowe2, wykonane metodami trawienia plazmowego i elektro-nolitografii, których powierzchnię stanowią struktury chromowe osadzone na podłożu kwarcowym o różnym kształcie i wysokości około 100 nm [278].
Rys. 9.2. Głowica pomiarowa mikroskopu sił atomowych wraz z pomiarowymi układami
elektronicznymi
_____________
2 Próbki, wykonane przez Instytut Informatyki Słowackiej Akademii Nauk w Bratysławie we współ-pracy z Instytutem Fizyki Technicznej Uniwersystetu w Kassel (Niemcy), przekazane dzięki uprzejmości dr. hab. inż. I.W. Rangełowa.
Widok preparatu wzorcowego obserwowany za pomocą mikroskopu optycznego przedstawiono na rysunku 9.3, a topografię części gwiazdy Siemensa, obserwowanej za pomocą statycznego mikroskopu sił atomowych z prostą belką piezorezystywną, pokazano na rysunku 9.4.
Kształt powierzchni podłoża kwarcowego od-słoniętego po trawieniu warstwy chromu pokaza-no na rysunku 9.5. Na obrazie widoczne są pozo-stałości warstwy chromu, które nie zostały całkowicie usunięte z podłoża kwarcowego [279]. Drobna faktura powierzchni jest najprawdopo-dobniej związana z przeprowadzonym polerowa-niem kwarcowego podłoża.
Rys. 9.3. Struktury wzorcowe do obserwacji sił tarcia – obraz obserwowany za pomocą mikroskopu optycznego
(wielkość próbki 5×5 mm) [279]
Rys. 9.4. Topografia linii gwiazdy Siemensa, (pole skanowania 10×10 μm, wysokość struktury 150 nm, prędkość skanowania 1 linia/s) [278]
Rys. 9.5. Topografia podłoża kwarcowego (pole skanowania 5×5 μm, wysokość struktury 100 nm,
prędkość skanowania 1 linia/s) [278]
Zastosowanie prostych belek piezorezystywnych w statycznej mikroskopii sił atomowych wymaga bardzo starannego sterowania siłą nacisku ostrza na powierzch-nię. Dotyczy to zwłaszcza procedury zgrubnego zbliżania ostrza do powierzchni, która powinna wykluczać możliwość kolizji końcówki z powierzchnią i zapewniać stabilny w czasie pomiar napięcia niezrównoważenia czujnika piezorezystywnego. Wymagania co do precyzji sterowania siłą nacisku są związane zasadniczo ze stosunkowo dużymi stałymi sprężystości typowych prostych belek piezorezystywnych, które sięgają
zwy-Zastosowanie dźwigni piezorezystywnych w mikroskopii sił atomowych i sił tarcia 143 kle kilkudziesięciu niutonów na metr. Konsekwencją tego w czasie skanowania są duże siły skupione na końcówce sondy, które mogą prowadzić do uszkodzenia ostrza lub niepożądanej modyfikacji kształtu badanej powierzchni.
Zastosowania prostych belek piezorezystywnych w statycznej mikroskopii sił ato-mowych należy zatem wiązać np. z badaniami właściwości mechanicznych cienkich warstw metalicznych, węglowych lub polimerowych [274, 280]. W badaniach takich preparat jest poddawany naciskowi rzędu setek nanoniutonów, wywieranemu przez dia-mentowe ostrze wgłębnika. Głębokość, na jaką zanurza się ostrze pomiarowe pod wpły-wem przyłożonej siły, odpowiada w tym przypadku modułowi sprężystości Younga ba-danej warstwy [281, 282]. W przypadku dźwigni piezorezystywnych, z którymi zintegrowany jest czujnik wychylenia końcówki, pomiary takie są w istotny sposób uła-twione. Dotyczy to zwłaszcza badania adhezji i tarcia w układach MEMS, gdzie siły nacisku działające na poszczególne elementy mikrosystemu są rzędu pojedynczych mi-kroniutonów [283]. Zastosowanie standardowych dźwigni sprężystych, które współpra-cują z optycznymi detektorami ugięcia belki i których stałe sprężystości nie przekraczają 1 N/m, jest obarczone w tym przypadku dużym błędem pomiarowym. Przy oddziaływa-niu na końcówkę pomiarową siłami rzędu pojedynczych mikrooddziaływa-niutonów dochodzi bo-wiem do przechyłu mikrosondy i badana powierzchnia nie jest poddawana punktowemu naciskowi. Dodatkowo odkształcenie mikrobelki, która naciska na preparat, odpowiada wycinkowi okręgu, co nie odpowiada ściśle założeniom obliczeń [281].
W badaniach prowadzonych w Politechnice Wrocławskiej proste belki piezorezy-stywne zastosowano również w rezonansowej mikroskopii sił odpychających. Autor pracy jest zdania, że charakterystyka pomiarowa prostych dźwigni piezorezystywnych doskonale odpowiada wymaganiom tej metody pomiarowej. W rezonansowej mikro-skopii sił odpychających stosowane są bowiem belki, których częstotliwości rezonan-sowe i stałe sprężystości3 leżą odpowiednio w zakresie do około 100 kHz i 40 N/m. Zakresy tych parametrów odpowiadają zasadniczo zakresom częstotliwości rezonan-sowych i stałych sprężystości belek piezorezystywnych wytwarzanych w procesie opisanym w pracach [133, 134]. Należy też zauważyć, że z racji możliwości przepro-wadzenia precyzyjnej kalibracji odpowiedzi piezorezystywnego detektora wychylenia ostrza ułatwiony jest dobór warunków skanowania powierzchni. Dotyczy to zwłaszcza ustalenia wartości amplitudy drgań swobodnego ostrza pomiarowego i ostrza obciążo-nego oddziaływaniem odpychającym. Na rysunku 9.6 przedstawiono zależność ampli-tudy rezonansowych drgań końcówki belki piezorezystywnej w funkcji wysokości zawieszenia oscylującej belki ponad badaną powierzchnią [58]. Podobnie jak w przy-padku dźwigni współpracujących z optycznymi detektorami wychylenia sondy, wi-doczna jest od wysokości około 150 nm zwiększona dynamika zmian amplitudy drgań ostrza. W badaniach realizowanych w Politechnice Wrocławskiej testowe pomiary
_____________
3 Stałe sprężystości dźwigni stosowanych w statycznej mikroskopii sił atomowych są z reguły sze od 1 N/m. W przypadku dźwigni piezorezystywnych oznacza to wytwarzanie belek o grubości mniej-szej niż 1 μm, co jest poważnie utrudnione technologicznie.
topografii powierzchni przeprowadzano przy założeniu zmniejszenia amplitudy drgań ostrza o 30% w stosunku do drgań sondy nieobciążonej [58].
0 500 1000 1500 2000 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 500 1000 1500 2000 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 A m pl itud a dr ga ń o strza [nm ] Wychylenie piezorurki [nm]
Rys. 9.6. Amplituda rezonansowych drgań ostrza pomiarowego piezorezystynej belki sprężystej
w zależności od wysokości zawieszenia sondy ponad powierzchnią [58]
Na rysunku 9.7 zaprezentowano wynik pomiaru kształtu linii chromowej osadzo-nej na podłożu kwarcowym [284], a na rysunku 9.8 – przekrój zarejestrowaosadzo-nej struk-tury. Widoczne zaokrąglenia odwzorowują kształt ostrza pomiarowego, za pomocą którego zarejestrowano obraz.
Rys. 9.7. Topografia linii chromowej osadzonej na podłożu kwarcowym (pole skanowania 1,6×1,6 μm,
wysokość struktury 100 nm, prędkość skanowania 1 linia/s)
Rys. 9.8. Topografia linii chromowej osadzonej na podłożu kwarcowym – przekrój przez strukturę
Zastosowanie dźwigni piezorezystywnych w mikroskopii sił atomowych i sił tarcia 145 Topografię kolistej struktury chromowej na podłożu kwarcowym o wysokości około 1 μm, wytworzonej w procesie elektronolitografii i trawienia plazmowego po-kazano na rysunku 9.9. Obserwowane na przekroju niesymetryczne zbocza struktury odpowiadają różnym kątom natarcia ostrza pomiarowego docierającego w czasie ska-nowania do pionowych ścianek struktury [284].
Rys. 9.9. Topografia struktury chromowej osadzonej na podłożu kwarcowym (pole skanowania 8×8 μm, prędkość skanowania 1 linia/s)