Исследование поверхности образцов в атомно-силовой микроскопии проводится с применением кантилеверов, представляющих собой упругую консоль с острой иглой на свободном конце. Качество изображений, получаемых с помощью атомно-силового микроскопа, существенным образом зависит от степени остроты иглы. Широко используемыми являются кантилеверы из монокристаллического кремния, изготавливаемые на основе жидкостного анизотропного травления. В работе изучена зависимость формы и размеров формируемой иглы от концентрации KOH в растворе. Исследовано влияние пирогенного окисления и окисления в атмосфере сухого кислорода на остроту иглы при проведении процесса заострения. Определено, что при 70 %-ной концентрации KOH формируются иглы, имеющие наибольшее аспектное отношение и максимальную высоту. При этом форма иглы представляет собой восьмиугольную пирамиду, боковые грани которой образованы восемью кристаллографическими плоскостями из {311} и {131}. Показано, что при двухэтапном процессе заострения, состоящем из пирогенного окисления и окисления в атмосфере сухого кислорода, удается формировать достаточно острые зонды с радиусом острия 2-5 нм и углом при вершине 14-24°, в то время как одноэтапный процесс заострения игл на основе пирогенного окисления обеспечивает получение зондов с радиусом около 14 нм. Проведены сравнительные испытания изготовленных зондов. С помощью атомно-силового микроскопа получены изображения тестового образца пленки поликристаллического кремния с полусферическими зернами (HSG-Si). Определено, что такой статистический параметр, как относительное приращение площади поверхности S , является наиболее чувствительным к «степени остроты» зонда для поверхностей пленки типа HSG-Si.
Андрей Викторович Новак
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия; ОАО «Ангстрем», г. Москва, Россия; ОАО «Ангстрем», г. Москва, Россия
1. Burt D.P., Dobson P.S., Donaldson L., Weaver J.M.R. A simple method for high yield fabrication of sharp silicon tips // Microelectronic Engineering. 2008. Vol. 85. Iss. 3. P. 625–630. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mee.2007.11.010
2. Wolter O., Bayer Th., Greschner J. Micromachined silicon sensors for scanning force microscopy // Journal of Vacuum Science & Technology B. 1991. Vol. 9. No. 2. P. 1353–1357. DOI: https://doi.org/10.1116/1.585195
3. Li J., Xie J., Xue W., Wu D. Fabrication of cantilever with self-sharpening nano-silicon-tip for AFM applications // Microsystem Technologies. 2013. Vol. 19. Iss. 2. P. 285–290. DOI: https://doi.org/10.1007/s00542-012-1622-x
4. Zhang X., Yu X., Li T., Wang Y. A novel method to fabricate silicon nanoprobe array with ultra-sharp tip on (111) silicon wafer // Microsystem Technologies. 2018. Vol. 24. Iss. 7. P. 2913–2917. DOI: https://doi.org/10.1007/s00542-017-3687-z
5. Han J., Lu S., Li Q., Li X., Wang J. Anisotropic wet etching silicon tips of small opening angle in KOH solution with the additions of I2/KI // Sensors and Actuators A: Physical. 2009. Vol. 152. No. 1. P. 75–79. DOI: https://doi.org/10.1016/j.sna.2009.03.008
6. Brugger J., Buser R.A., de Rooij N.F. Silicon cantilevers and tips for scanning force microscopy // Sensors and Actuators A: Physical. 1992. Vol. 34. No. 3. P. 193–200. DOI: https://doi.org/10.1016/0924-4247(92)85002-J
7. Folch A., Wrighton M.S., Schmidt M.A. Microfabrication of oxidation-sharpened silicon tips on silicon nitride cantilevers for atomic force microscopy // Journal of Microelectromechanical Systems. 1997. Vol. 6. No. 4. P. 303–306. DOI: https://doi.org/10.1109/84.650126
8. Formation of silicon tips with <1 nm radius / R.B. Marcus, T.S. Ravi, T. Gmitter et al. // Applied Physics Letters. 1990. Vol. 56. No. 3. P. 236–238. DOI: https://doi.org/10.1063/1.102841
9. Ravi T.S., Marcus R.B., Liu D. Oxidation sharpening of silicon tips // Journal of Vacuum Science & Technology B. 1991. Vol. 9. No. 6. P. 2733–2737. DOI: https://doi.org/10.1116/1.585680
10. Dey R.K., Shen J., Cui B. Oxidation sharpening of silicon tips in the atmospheric environment // Journal of Vacuum Science & Technology B. 2017. Vol. 35. No. 6. P. 06GC01. DOI: https://doi.org/10.1116/1.4998561
11. He H., Zhang J., Yang J., Yang F. Silicon tip sharpening based on thermal oxidation technology // Microsystem Technologies. 2017. Vol. 23. No. 6. P. 1799–1803. DOI: https://doi.org/10.1007/s00542-016-2941-0
12. Marcus R.B., Sheng T.T. The oxidation of shaped silicon surfaces // Journal of the Electrochemical Society. 1982. Vol. 129. No. 6. P. 1278–1282. DOI: https://doi.org/10.1149/1.2124118
13. Новак А.В., Новак В.Р. Оценка влияния размеров зонда на параметры морфологии поверхности пленок кремния с полусферическими зернами, получаемые методом атомно-силовой микроскопии // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2016. № 9. С. 70–80. DOI: https://doi.org/10.7868/S0207352816090109
14. Новак А.В. Формирование пленок поликристаллического кремния с полусферическими зернами для конденсаторных структур с повышенной емкостью // Изв. вузов. Электроника. 2013. № 6 (104). С. 10–16.
15. Новак А.В., Новак В.Р., Смирнов Д.И., Румянцев А.В. Особенности морфологии и структуры тонких пленок кремния // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2021. № 2. С. 60–66. DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096021020114
16. Zubel I. Silicon anisotropic etching in alkaline solutions III: On the possibility of spatial structures forming in the course of Si(100) anisotropic etching in KOH and KOH+IPA solutions // Sensors and Actuators A: Physical. 2000. Vol. 84 (1-2). P. 116–125. DOI: https://doi.org/10.1016/S0924-4247(99)00347-7