Budapesti Mûszaki Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Villamosmérnöki szak
 

Féléves irodalomkutatási feladat
Anyagtudomány
tárgyból
 

Ionimplantált felületek vizsgálata pásztázó alagútmikroszkóppal
 

Konzulens:

Prof. Gyulai József
(gyulai@felix.mfa.kfki.hu)
és
Dr. Daróczi Csaba Sándor
(daroczi@felix.mfa.kfki.hu)

KFKI - ATKI
 

Szerkesztette:
Lécz Balázs
(leczb@umszki.hu)
10. tankör

1998. november
 

Az anyag elérhetõ Interneten keresztül a
http://www.c3.hu/ifyou/stm-ion
címen.

Tartalom
 

Ionimplantáció
 

Az ionimplantáció fizikai leírása - [1]

• Mi az ionimplantáció?

  Az ionimplantáció során atomokat vagy molekulákat ionizálunk, elektrosztatikus mezõvel gyorsítjuk õket, majd szilárd testekbe implantáljuk õket.
A gyorsító feszültség a pár ezer elektronvolttól (keV) a pár millió elektronvoltig (MeV) terjed. Az ily módon felgyorsított ionok többsége behatol a céltárgyba (targetbe). Az ionok behatolási mélysége nem csak energiájuktól, hanem tömegüktõl és a céltárgy atomjainak tömegétõl is függ. Például 10keV-vel foszfort implantálva szilíciumba a behatolási mélység 14nm körül van, míg 1MeV-es bór ionokkal 1756nm körül.
  Ionimplantációval kis mélységben szinte bármilyen mértékben meg tudjuk változtatni a felület összetételét, így befojásolni tudunk nagyon sok fizikai és kémiai jellemzõt. Ebbõl kifolyólag nagyon sok technikai alkalmazása létezik. Az elektronikai ipar a félvezetõgyártásban használja ki e technológia adta lehetõségeket. A diffúziós eljárások mellett ez a leggyakrabban alkalmazott technológiai lépés.
 
• A koncentrációprofil alakulása a részecskék energiájának függvényben

  Ha az implantációval bevitt idegen ionok koncentrációját a mélység függvényében ábrázoljuk, akkor megkapjuk a koncentrációprofil görbét. Ilyen koncentrációprofil görbét elõállíthatunk számításokkal vagy a mérési eredmények ábrázolásával. A koncentrációprofil számításakor nagyon sok tényezõt kell figyelembe venni, ezért a legtöbbször valamilyen közelíõ eljárást alkalmaznak, majd az eredményeket méréssel ellenõrzik. Ha az adott esetben a számított és mért értékek eltérése nem szignifikáns, akkor az adott számítási modell alkalmazható a hasnoló esetekre. Ilyen modelleket imsertet összefoglaló mûvében H. Ryssel és I. Ruge. [1].
 
• Teoretikus koncentrációprofil

Elsõ közelítésben a koncentráció Gauss-eloszlást mutat a mélység függvényében, így jellemezhetõ egy átlagos mélységgel és egy szórással.



Számított koncentrációprofil görbék
(B-t implantálva Si-ba)
[1]


 



 
 
 
 
 
 
 

• Amorf anyag esetében

Szabályos belsõ renddel nem rendelkezõ - amorf - anyagok esetében az implantáció hatáskeresztmetszetének egyszerû meghatározása és az amorfitásból következõ egyéb egyszerûsítési lehetõségek relatíve egyszerûvé teszik a jelenségek leírását. A gyakorlatban azonban legtöbbször szabályos kristályszerkezetû a céltárgy: a félvezetõgyártásban szinte mindig Si egykristály.
 
• Csatorna-effektus

Szabályos kristályszerkezettel rendelkezõ anyagok esetében - ilyenek a fémek és a félvezetõk is a legtöbb esetben - a koncetrációprofil erõs irányfüggést mutat. Ennek oka, hogy bizonyos kristálytani irányokban nagyobb a belõtt ionok behatolási mélysége, mivel ezekben az irányokban kevesebb akadályba ütköznek. Az ilyen irányok a csatornák, a jelenség pedig a csatorna-effektus.. A csatorna-effektus olyan nagy mértékben szögfüggõ, hogy a csatorna irányától 1-2 fokkal eltérõ belövési irány esetében már nagy esést mutat a behatolási mélység mértéke.
 

Koncentrációprofil véletlen és <111> irányú belövés esetén [1]

A csatorna-effektus szögfüggése [1]


Koncentrációprofilok a belövési szög és az <110> irány által bezárt szög függvényében
(40keV-es foszfor ionok szilíciumba implantálása esetén)
[1]


 





• Különbözõ fékezõdési módok leírása
• Elektromos fékezõdés

Nagy energiájú ionok esetében az elektromos fékezõdés a domináns. Az elektromos fékezõdés során a pozitív töltésû, nagy energiájú (nagy sebességû) ion leszakítja a céltárgy atomjainak külsõ elektronjait és ezzel energiája csak igen kis mértékben csökken, tehát csak kicsit lassul. A céltárgy atomjai nem mozdulnak el helyükrõl, mivel a belõtt ionok nem adják át impulzusukat. Ez azt jelenti, hogy a nagy energiájú ionok a céltárgy felszínén könnyedén, rombolás nélkül hatolnak keresztül.
 
• Nukleáris fékezõdés

Az eleve kisebb energiájú vagy már eléggé lelassult ionok esetében az úgynevezett nukleáris fékezõdés a domináns. A nukleáris fékezõdés - nevével ellentétben - nem az atommagok ütközése - ami elhanyagolható valószínûséggel következhet csak be -, inkább arra utal, hogy ennél a fékezõdési módnál az ion tömege is részt vesz az ütközésben, tehát átadja az impulzusát a céltárgy atomjainak.


• Rácshibák keletkezése az ionimplantáció során
• A rácshibák keletkezésének oka

A becsapódó ionok nukleáris fékezõdéssel kilökhetik a céltárgy atomjait a rácspontokból - tömegük, energiájuk és a tárgy atomtömegének függvényében.
A kis energiájú ionok a felszín atomjait lökik ki (ezt használják ki az ionporlasztás eljárásnál), míg a nagy energiájú ionok az anyag felületén áthatolva a mélyebb rétegekben lökik ki az atomokat a rácspontokból fékezõdésük közben. Egy ion akár több atomot is kilökhét és a kilökött atomok további atomokat lökhetnek ki. A rácspontokból kilökött atomok helyén pontszerû rácshibák keletkeznek (Frenkel-defektusok). A rácspontból kilökött atom helyén maradó "lyuk" a vakancia és a rácspontok közé ékelõdött atom az interstíciós atom. A target (céltárgy) atomjainál kisebb tömegû ionok méllyebre hatolnak:
[1]
• Diszlokációk

A pontszerû rácshibák felhalmozódása diszlokációk kialakulásához vezet, melyek elõször diszlokáció-vonalak, majd késõbb diszlokáció-hurkok formájában jelentkeznek.
 
• Amorfizáció

Egy bizonyos rácshibasûrûség felett az anyag elveszíti kristályos jellegét, amorffá válik. Ez az amorfizáció az ionimplantáció során elõször csak egy rétegben jelentkezik, majd további implantáció hatására a teljes felszíni rétegre kiterjed.
 
• A rácshibák hatása az elektromos jellemzõkre

Mindenféle rácshiba befolyásolja az elektromos paramétereket: csökkentik a töltéshordozók szabad úthosszát így a driftsebességét, tehát növelik az ellenállást, ami a félvezetõgyártás szempontjából igen elõnytelen, de integrált ellenállások gyártására alkalmas.
 
• A rácshibák számának csökkentése
• Hõkezelés

Hevítés utáni lassú lehûtéssel minimálisra csökkenthetõ a rácshibák száma. A minimális rácshibaszám az anyag aktuális hõmérsékletétõl függ.
 
• In situ újrakristályosodás

Nagy áramsûrûségû ionnyaláb esetében az anyag helyi felmelegedése in situ kihõkezeli a rácshibákat, így bizonyos áramsûrûségig nõ a rácshibák száma, majd ez bizonyos érték felett letörik, nem nõ tovább.


• Diffúzió

A diffúziós jelenségek a teoretikustól nagy mértékben eltérõ koncentrációprofilt eredményezhetnek. Különbözõ egyszerûbb és összetetteb számítási modellet dolgoztak ki az implantáció során fellépõ diffúziós jelenségek kezelésére, amire itt nem térek ki, azonban H. Ryssel és I. Ruge egy teljes fejezeten keresztül foglalkoznak a jelenség leírásával és a mikroelektronikai ipar számára lényeges esetekkel (kidiffundálás, oxidációs légkör) [1].

Az ionimplantáció célja a mûszaki gyakorlatban
A félvezetõgyártáson kívül még sok helyen használják az ionimplantációt, mint tulajdonság-módosító eljárást:

• Kopásállóság/mechanikai szilárdság javítása

Ionimplantációval nagy mértékben növelhetõ a felület kopásállósága és mechanikai szilárdsága. Kihangsúlyozandó a felület, mivel az implantáció mélysége nagy energiák esetén sem lép ki a mikrométeres tartományból.
 
• Kémiai tulajdonságok befolyásolása helyi /felszini/ összetétel változtatással

Megfelelõ ionok bevitelével megvalósítható a fémek korrózióvédelme vagy más vegyi folyamatok elõsegítése, megakadályozása.
 
• Különleges ötvözetek elõállítása

Ionimplatációval olyan homogén ötvözetek is elõállíthatóak, amik máskülönben nem jöhetnének létre. Így olyan anyagokat lehet "ötvözni", amelyek nem alkotnak szilárd oldatot.
 
• Az optikai törésmutató megváltoztatása

Implantációval el lehet érni az optikai törésmutató megváltozását, így atlátszó anyagokon belül fényvezetõ csatornák alakíthatók ki.

Ionimplatáció a félvezetõgyártásban
A félvezetõk szennyezésére az ionimplantáció elõtt három fõ módszert alkalmaztak:

• epitaxiális rétegnövesztés
• diffúzió
• és ötvözés.

• a sebesség
• a homogenitás
• a reprodukálhatóság
• a szennyezõ atomok számának kontrollálhatósága (ami igen fontos alacsony koncentrációk esetén)

Az ionimplantáció eszközei
Az ionimplantáció eszköze az implanter, melynek fõbb elemei:

• ionforrás
• gyorsító
• analizátor mágnes (opcionális)
• eltérítõrendszer
• fókuszáló rendszer
• vezérlõ rendszer
• vákuumrendszer

[10]

• Az ionforrás

Az ionimplantáció elsõ lépése az implantálandó anyag atomjainak ionizálása. A két legelterjedtebb ionizálási módszer az RF (rádiófrekvenciás) és a forrókatódos eljárás. Az RF források nagyfrekvenciás (megahertzes tartomány), nagyenergiájú (néhány száz wattos), elektromágneses sugárzást alkalmaznak az ionizációs energia közlésére, míg a forrókatódos berendezésekben egy hevített katód és az anód közötti folyamatosan "égõ" ív (kisülés) végzi az ionizálást. Amennyiben az implantálandó anyag szilárd halmazállapotú, elsõ lépésként az anyagot el kell porlasztani (evaporálás), ezért a szilárd anyagok implantálására is felkészített implanterek elektromos kemencét is tartalmaznak.
 
• Gázbeeresztés

Az ionizálandó gázt olyan mennyiségben kell beengedni, amilyen kapacitással ionizálni tudunk, különben a nem ionizált - így nem gyorsítható - atomok elrontják a vákuumot.

 

Gázpalack	Nyomáscsökkentõ rendszer	Tömegáramlás szabályzó

[10]

• RF hevítés

Az ionizáláshoz szükséges energiát egy nagyfrekvenciás "antenna" szállítja a forrástérbe:


[10]

• Extraktálás

Az ionok "kicsalogatását" az extraktor elektróda végzi, ami nagy negatív feszültségen van a forráshoz képest (valójában földpotenciálon is lehet, ilyenkor a forrás van nagyfeszültségen).


• A gyorsító

A gyorsítást nagyfeszültséggel végezzük. Nagyfeszültséget transzformátorokkal és nagyfeszültésgû egyenirányítókkal vagy Van de Graaff generátorral állíthatunk elõ.
 
• Az analizátor-mágnes

Ha szigorúan meghatározott töltés-tömeg arányú ionokra van szükségünk, akkor ki kell szûrnünk a feltételnek nem megfelelõ részecskéket. Erre a szelekcióra szolgál az úgynevezett analizátor-mágnes. Mûküdési elve egyszerû: a mágneses mezõ nem tudja megváltoztatni a részecskék kinetikus energiáját, csak a sebességük irányát tudja befolyásolni. Az eltérítés mértéke az adott részecske töltés-tömeg hányadosátol függ: R = m V / q B, ahol R a pálya sugara, m a részecske tömege, q a részecske töltése és B a térerõsség. Sok mérési módszer alapját képezi ez az elv, ebbõl ered az analitzátor elnevezés.
[10]
• Fókuszálás

A fókuszálás - eltérõen a katódsugárcsövektõl - csak elektrosztatikus úton történik: maguk a gyorsító elektródák fókuszálják az ionnyalábot.
 
• Eltérítés

Az ionnyaláb eltérítése azonos módon történik, mint a katódsugárcsövekben (televízió készülékekben, oszcilloszkópokban, elektronmikroszkópokban) az elektronnyaláb eltérítése: egy elektródapár végzi az X és egy másik az Y irányú eltérítést. Az ionnyaláb útját megtörik, hogy az elektromosan semleges részecskék - amiket nem térítenek el az elektródák - ne csapódjanak be a target felszínébe. Két példát mutat erre a következõ ábra:
[1]

• Vákuumrendszer

Az ionimplantációhoz minimum 10^-4..10^-5Pa vákuum szükséges. Az STM technikai megvalósításánál ismertetett vákuumrendszertõl annyiban tér el az implantereknél használt rendszer, hogy legtöbbször kétfokozatú szivattyúrendszer is elegendõ, mivel nem követeljük meg az ultranagy vákuumot (UHV - Ultra High Vacuum). Ez a rendszer állhat egy általános mechanikus vákuumszivattyúból és egy turbomolekuláris szivattyúból.

STM - Pásztázó alagútmikroszkóp
 

Binnig, G., Rohner, G., Gerber, C. és Weibel, E 1981-es felfedezésük után fejlesztették ki az elsõ pásztázó alagútmikroszkópot, melynek mûködése a kvantumfizikából ismert - a klasszikus fizika által nem megmagyarázható - alagúteffektuson alapszik. Felfedezésükért 1986-ban Nobel-díjat kaptak. Az STM mûködése a vizsgált vezetõ vagy félvezetõ anyagú tárgy és a fémtû között nagyon kis távolságokban fellépõ alagútáram jól definiált távolságfüggésén alapszik. Elsõ közelítésben az alagútáram a távolság négyzetével fordítottan arányos és néhány voltos elõfeszítés, valamint néhány nanométeres távolság mellett is csak pikoamper nagyságrendû. Rendkívül nagy precizitású berendezés kell ahhoz, hogy ilyen mértékben meg tudjuk közelíteni a minta felszínét. Ezt a pozícionálást a piezo-kerámiák óriási fejlõdése tette lehetõve. A piezokerámiák egyesítik a piezokristályok és a kerámiák elõnyös tulajdonságait: villamos erõtér hatására megváltoztatják geometriai méretüket és a legkülönfélébb formában lehet õket gyártani. Ennek megfelelõen az STM tût egy piezokerámiából készült pozícionáló rendszer mozgatja az STM-en belül. A legelõnyösebb elrendezés a következõ ábrán látható: egy piezokerámia henger külsõ és belsõ falát vékony nikkel réteggel vonják be, majd négy helyen keskeny sávban szimmetrikusan eltávolítják ezt a réteget, így létrejön négy elektródapár, amikkel az X és Y irányú eltérítést lehet megvalósítani. A Z irányú eltérítést a négy szegmensre adott feszültség egyidejû növelésével és a csõ végén kialakítiott külön szegmensekkel lehet megvalósítani. Ez a pozícionáló rendszer így mind a három irányban képes elmozdítani a tût.

Az elmozdulás értéke a nanométeres tartományban van, ezért egy kiegészítõ, úgynevezett durva pozícionálás is szükséges. Erre sok megoldás született az évek során, azonban a leg életképesebbnek a Burleigh cég által kifejlesztett Inchworm motor bizonyult.
 
 

STM - A mûködés fizikai alapja - Az alagút-effektus
A tût a minta felületéhez közelítve a minta elektronjai számára egy véges vastagságú, véges magasságú potenciálfal alakul ki, melyen kívül - a klasszikus fizikai meggondolással ellentétben - véges valószínûséggel, de megtalálthatóak ezek az elektronok, így a tû és a minta között elektromos áram alakulhat ki, annak ellenére, hogy nem érnek õssze. Ez a távolság négyzetével fordítottan arányos.
 
 

STM - Képalkotás és különbözõ mérési módok

• Pásztázás

Miután olyan mértékben megközelítettük a minta felületét a tûvel, hogy mérhetõ alagútáram folyik elkezdhetjük mozgatni a tût a minta síkjával párhuzamosan. A vezérlõ áramkör úgy befolyásolja a Z eltérítést, hogy az alagútáram - az elõre meghatározott - konstans értéken maradjon: ha csökken az alagútáram, akkor közelíti a mintához a tût, ha nõ az áram, akkor távolítja. A pásztázás a televízióhoz hasonlóan soronként történik. A képalkotás azon alapszik, hogy bizonyos idõközönként mintát veszünk a Z eltérítés vezérlõjelébõl és az így kapott adathalmazt kétdimenziós szürkeárnyalatú vagy árnyékolt haromdimenziós képként jelenítjük meg. A jellemzõ felbontási értékek: 128x128, 256x256 és 512x512 képpont.
 
• Kalibrálás

Az STM kalibrálását ismert topológiájú felület segítségével végezhetjük. Ilyen például a grafit (HOPG - Highly Oriented Pirolitic Graphite) frissen hasított felülete, vagy lézeres interferometriával készíthetünk olyan optikai rácsot, melynek rácsállandója 300-400nm.
 
• Konstans áramú mód

Konstans áramú módban a szabályzókör úgy vezérli a Z pozícionálást, hogy az alagútáram - elõre meghatározott - konstans maradjon. Így ha a pásztázás után a síkon minden mintavételi pontban ábrázoljuk a Z irányú elmozdításhoz szükséges feszültséget, akkor megkapjuk a felület domborzati térképét.
 
• I/V spektroszkópia

Az I/V spektroszkópia esetében a vezérlõ minden mintavételi pontban egy idõre kiiktatja a szervókört és egy megadott intervallumon végigfuttatja az alagútfeszültséget miközben méri a különbözõ feszültségekhez tartozó alagútáramot.
 
• I/Z spektroszkópia

Hasonló az I/V spektroszkópiához, a különbség az, hogy itt az alagútáramot a Z pozíció függvényében mérjük.
 
• Képfeldolgozás

Az SPM (Scanning Probe Microscope) berendezésekhez legtöbbször a gyártó szállítja a képfeldolgozó szoftvert, melynek részét képezik a különféle mérések, szûrések és megjelenítési, nyomtatási módok.
 
• Mérések
• Távolságmérés

Két jellegzetes pontot kijelölve a képen a szoftver megjeleníti a pontok közötti - számított - távolságot.
 
• Magasságprofil

Magasságprofilt rajzoltathatunk két jellegzetes pontot összekötõ szakasz mentén:
 
• A pontatlanságról

Ezekkel a módszerekkel az X, Y és Z koordinátákat egyaránt 10% körüli pontossággal mérhetjük, ha nem követtünk el nagy hibát a piezoelemek kalibrálásánál. A legnagyobb elérhetõ pontosság sem jobb 1%-nál.


• Különbözõ szûrõk használata
• Sík dõlésének korrekciója

A minta felszínének síkja és a tû által bezárt szög esetlegességét lehet kiküszöbölni ezzel az eljárással .
 
• Simítás, medián szûrés

A képen lévõ zajok kiszûrésére alkalmazható. Azonban vigyázni kell az alkalmazásakor, mivel lehet, hogy éppen a fontos részleteket simítja el.
 
• FFT - Fast Fourier Transform

A felvételen levõ mintán belüli periodicitásokat lehet vele ellenõrizni.


• Háromdimenziós megjelenítés
• Vonalas megjelenítés

[2]





• Árnyékolt megjelenítés

[2]

Az STM technikai megvalósítása

• Szabályzókör

[2]






• A megvalósításkor felmerülõ technikai problémák
• Hegyes, szimmetrikus tû készítése és ellenõrzése
• A tû közelítése a mintához
• Rezgésmentesítés
• Elektromos zajcsökkentés
• A minta tisztítása
• Ultra nagy vákuum elõállítása
• Hõmérsékletfüggés, hõtágulás
• Mérés nem vezetõ anyagú mintákon

Nem vezetõ anyagok mérése nem lehetséges STM-mel, mivel szigetelõ anyagoknál nem folyik alagútáram a minta és a tû között. Ha mégis szigetelõ anyagok felületét szeretnénk vizsgálni - és nem követeljük meg az atomi felbontást - akkor vezetõvé kell tennünk a minta felületét. Ez történhet vékony arany réteg felgõzölögtetésével vagy ionizálással
 
• Tûkészítési eljárások
• A tû hegyessége

A tûnek "megfelelõen" hegyesnek kell lennie és annál jobb, minnél szimmetrikusabb. A "megfelelõen" azt jelenti, hogy a tû hegye ideális esetben 1 atomban végzõdik. A valóságban ez néhány atomot jelent. A szimmetria-követelménynek sohasem tesz tökéletesen eleget az STM-tû. A tû vizsgálatára nincs közvetlen módszer, így annak minõségét csak az elkészült felvételek elemzésével lehet megállapíani, ha egyáltalán meg lehet. Egy jól használható módszert közölnek Nagy Péter és társai [5] az SPM (Scanning Probe Microscopy) berendezések (mint p.l. az STM vagy az AFM [Atomic Force Microscopy]) "tûjének" alakmeghatározására.
 
• A tû anyaga

A tû anyagától megköveteljük a mechanikai és kémiai stabilitást, ezért legtöbbször platina-irídum ötvözetbõl vagy wolframból készítik mechanikai vagy elektrokémiai hegyezéssel.
 
• Mechanikai hegyezés

Jó kézzel rendelkezõ kutató kézzel - mechanikusan - hegyezheti az STM tût, például alumínium-oxid kerámián. Jó tût közepes eséllyel (1:10) nyerhetünk ezzel a módszerrel. Egy másik mechanikai hegyezési módszer a húzás és nyírás kombinációja, ahol a tût egy speciális ollóval húzó mozdulat kiséretében vágják el.
 
• Elektrokémiai hegyezés, Fink féle eljárás

A következõ eljárással egyatomos tût nyerhetünk:
Az [111] orientációjú kémiailag maratott W huzalt UHV kamrában 2000K-en kifûtjük, majd in situ neon-ionokkal bombázzuk, hogy egyrészt a szegregálódott széntõl megtisztítsuk, másrészt ílymódon tovább hegyezhetjük. Ezután a porlasztás során keletkezett rácshibákat 1000K-en hõkezeljük, majd az így kialakított hegyrõl térion-mikroszkóp tûjeként - ellenõrzött körülmények között - atomokat szakítunk le. Ezt addig folytatjuk, míg a legfelsõ teraszon csak három atom marad. Már ezzel a tûvel is megelégedhetnénk, de akár W, akár más atomot is helyezhetünk a teraszra a térion-üzemmód polaritását megváltoztatva. Természetesen ezeket a mûveleteket az STM méréssel egy rendszerben kell végeznünk.

• Az Inchworm motor mûködési elve

A tû mintához való biztonságos közelítése igen nehezen megoldható technikai problémának bizonyult, ami végül az inchworm motor kifejlesztéséhez vezetett. Az inchworm motor alkotó anyaga ugyanaz a piezokerámia, mint amit az XYZ eltérítéshez használnak. Ebbõl az anyagból alakítanak ki három függetlenül vezérelhetõ csövet, melyben a mozgatandó rúd foglal helyet. Az ábrán 1-el  és 2-vel jelölt csövek megmunkálásának pontossága olyan nagy, hogy amikor eleresztett állapotban vannak, akkor a rúd éppen súrlódás nélkül el tud mozdulni, azonban ha a vezérlés hatására néhány nanométernyit összehúzódnak a rúd megszorul. Az ábrából könnyen megérthetõ a mûködés elve, ami a hernyó mozgását utánozza. Az inchworm motor nanométeres lépésekben képes továbbítani a rudat akár 1mm/s sebességgel is.

 
• Rezgésmentesítés

A mechanikai rezgések az 1-100 000Hz közötti frekvenciatartományban zavarják a mérést. Az alsó határt egy-egy sor letapogatási ideje határozza meg a leglassúb pásztázási sebesség esetén, a felsõt pedig az, hogy a leggyorsabb pásztázás esetén egy-egy képpont fölött mennyi ideig tartózkodik a tû.
 
• Mechanikai hurok

A mintát és a pásztázó-mechanikát szorosan csatolt merev mechanikai hurokként szerelik, ami kevésbé hajlamos a rezgésre.
 
 





[2]


 









• Aluláteresztõ szûrés rugókkal

A szerkezetet kis direkciós tényezõjû, hosszú rugókkal függesztik fel, hogy kiszûrjék az épület állandóan jelenlevõ rezgéseit.
 
• Rezgéstompítás mágneses térrel

Mágneses térrel tompítva a rezgéseket mégjobb hatásfokot lehet elérni. A mágneses felfüggesztés nem okoz feszültségeket a mechanikus alkatrészekben, ellentétben a mechanikus kapcsokkal, csavarokkal.
 
• Ultra nagy vákuum (UHV - Ultra High Vacuum) elõállítása és fenntartása
• Szivattyúzás

A szivattyúzást a vákuum aktuális és az elérni kivánt jóságától függõen több lépcsõben kell elvégezni. Elsõ lépcsõként hagyományos "olajos" vákuumszivattyú szolgál, majd amikor ez már elérte teljesítõképessége határát bevethetjük a turbomolekuláris szivattyút, melynek fordulatszáma 30-50 ezer/perc körül mozog és speciális szilikonolajos kenéssel rendelkezik. Ennél nagyobb vákuumra implantáció során általában nincs szükség, azonban szilícium felületének vizsgálatakor elengedhetetlen, mivel a szilícium ezredmásodpercek alatt képes oxidálódni, így igen jól szigetelõ SiO2 réteg alakul ki a felületen, ami lehetetlenné teszi az STM-mel való mérést. Ebben a fázisban vethetõ be a kriogén "szivattyú", ami három alacsony hõmérsékletû, héliummal hûtött szûrõalkatrészbõl áll, amik kondenzálják (lecsapatják) és abszorbeálják (elnyelik) a gázmolekulákat.

 

Mechanikus szivattyú egy lehetséges felépítése

Turbomolekuláris szivattyú

Kriogén szivattyú

[11]




• Kiégetés (bake-out)

A vákuumkamra belsõ falán lerakódott részecskék erõsen rontják a vákuum minõségét, de eltávolításukhoz nem elegendõ a szivattyúzás: fel kell hevíteni a berendezést, hogy meginduljon ezeknek a részecskéknek a párolgása. Vigyázni kell, hogy a biztonságos hõmérséklettartományt ne lépjük túl hevítéskor, ezért kontrollált fûtésre van szükség.
 
• Vákuum-mérés

Hogy tudjuk milyen szintû vákuumot sikerült elérnünk mérni kell annak jóságát.
Ez a vákuummérõ elrendezés segít tájékozódni a kamrán belüli vákuum jóságáról:

 


Különbözõ - vákuum mérésére szolgáló - rendszerek mérési tartományai
[11]

• Zsiliprendszer

Mivel a vákuum elõállítása igen idõigényes feladat, nem lehet minden mûvelet, mérés után kinyitni a kamrát, ezért többkamrás rendszert kell alkalmazni, ahol minden egyes kamrához külön vákuumszivattyú-rendszer tartozik és a kamrákat hermetikusan el lehet zárni.
 
• Manipulátorok

A minták mozgatására, tisztítására és egyéb speciális mûveletekre manipulátorokat alkalmaznak: vannak közvetlenül kézzel mûködtetett és robotmanipulátorok. Megköveteljük a manipulátoroktól a minimális kamrán belüli felszínt, mert a nagy felszín nehezíti a jó vákuum létrehozását.

Az STM felhasználási területei
Az STM berendezéseket nagyon sok területen a legkülönbözõbb összeállításokban használják, legtöbbször a felület morfológiájának meghatározására. Legintenzívebben a felületfizikai, nanotechnológiai és felületkémiai kutatásoknál használják, de létezik felhasználása a biológiai kutatások terén is.
 
 

Ionimplantált felületek vizsgálata STM-mel
 
 

Miért pont STM-mel?
Az ionimplantált felületek vizsgálatára nagyon sok fajta módszert használnak. A teljesség igénye nélkül néhány jellemzõ mérési módszer [1] / 226 :

• kapacitás-feszültség mérés
• négytûs mérés
• melegtûs mérés
• Hall-effektus mérés
• terjedési-ellenállás mérés
• áram-feszültség mérés
• Rutherford visszaszórás (RBS - Rutherford Back-Scattering)
• ion-indukált röntgensugárzás
• ion-indukált nukleáris reakciók
• másodlagos ion-tömeg spektroszkópia (SIMS - Secondary Ion Mass Spectroscopy)
• elektronspin-rezonancia mérés (ESR - Electron Spin Resonance)
• paramágneses rezonancia mérés (PMR - ParaMagnetic Resonance)
• Auger spektroszkópia

A kinyerhetõ információk

 Ami egyedülállóvá teszi az STM-et, az a felbontóképességének széles tartománya, a felbontóképesség alsó határa és az, hogy ez a felbontóképesség X, Y és Z irányban egyformán nagy, így atomi felbontásban kaphatunk információt a minta felületének geometriai szerkezetérõl. A nanotechnológiai eljárások eredményét más módszerekkel csak közvetve, vagy egyáltalán nem lehet ellenõrizni, így az STM igen fontos szerepet tölt be a nanotechnológiai és felületkémiai kutatásokban.
 

Melléklet
 

Egy konkrét STM berendezésrõl (Burleigh - Aris UHV) keszült fényképek
 
 

Néhány STM-mel készült felvétel

A KFKI Anyagtudományi Kutató Intézetében készült felvételek közül néhány
 

Irodalom

[1] - H. Ryssel, I. Ruge: Ion implantation, Wiley 1986
[2] - Burleigh - Aris Scanning Tunneling Microscope (termékismertetõ)
[3] - di Digital Instruments - NanoScope AFM (termékismertetõ)
[4] - RHK Technology - RHK-100 STM Users manual
[5] - Péter Nagy et al.: Determination of SPM tip shape using polystyrene latex balls (http://newton.phy.bme.hu:80/pub/emas95/emas95l.html)
[6] - L. P. Biró et al..: Atomic scale investigation of surface modification induced by 215MeV Ne irradiation on graphite, Nucl. and Meth. in Phys. Res. B 112 (1996) Elsevier
[7] - Cs. S. Daróczi et al.: Surface investigations on annealed and boron implanted Fe80Mo7B12Cu1 amorphous ribbons, Vacuum/vol. 50. #3-4, pages 3-4 (1998) Elsevier
[8] - IBM - STM Image Gallery (http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html) - Szép STM-mel készült képek
[10] - Mike Cristoforo: Ion Implantation (http://www.casetechnology.com/implant.html) - Kiváló linkgyûjtemény!
[11] - Kurt J. Lesker Company - http://www.lesker.com/docs/faq5.html#num1 -  Kiváló UHV FAQ és jó szivattyú-mûködési leírások!
 

Köszönet

Ezúton szeretném megköszönni a segítséget konzulenseimnek Prof. Gyulai Józsefnek és Dr. Daróczi Csabának  (Központi Fizikai Kutató Intézet - Anyagtudományi Kutató Intézet), valamint Prof. Kálmán Erikának (Központi Kémiai Kutató Intézet). Az õ segítségük nélkül nem jöhetett volna létre ez a dokumentum.