Способ исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом

 

Сущность изобретения: проводят сканирование поверхности твердого тела иглой при постоянном туннельном токе. Определяют реальный профиль иглы, полученное изображение поверхности инвертируют и определяют реальный профиль поверхности путем сканирования инвертированного изображения поверхности изображением иглы, реальный профиль которой зеркально отражен в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s Н 01 1 21/66

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4916118/25 (22) 05.03.91 (46) 30.11.92. Бюл. М 44 (71) Казанский физико-технический институт Казанского филиала АН СССР (72) Ф, Ф, Губайдуллин, А. А. Бухараев и

А. В; Назаров (56) Р, К. Kansma, J. Tersof. J. Appl. Phys, 1987, ч 61 М 2, р. 21, R. Chtcon et al. Surface Science, 1987, v

181, р. 107.

Изобретение относится к области сканирующей туннельной микроскопии и может быть использовано для исследования ми крорел ьефа поверхности имплантированных полупроводников, дифракционных решеток, оценки чистоты механической обработки металлических поверхностей и т.п.

Известен способ изучения поверхности твердых тел с помощью сканирующего туннельного микроскопа (CTM), в котором за счет поддержания постоянного туннельного тока над поверхностью без соприкосновения с нею движется остро заточенная игла.

Регистрируются координаты положения иглы в пространстве и за счет этого формируется иэображение поверхности.

Известен способ исследования поверхности твердого тела с помощью СТМ, в котором производится частичная реконструкция реальной поверхности по ее Ж, 1778820 A1 (54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ТУННЕЛЬНЫМ

МИКРОСКОПОМ (57) Сущность изобретения: проводят сканирование поверхности твердого тела иглой при постоянном туннельном токе. Определяют реальный профиль иглы, полученное изображение поверхности инвертируют и определяют реальный профиль поверхности путем сканирования инвертированного изображения поверхности изображением иглы, реальный профиль. которой зеркально отражен в плоскости. перпендикулярной направлению сканирования. 2 ил.

CTM изображению с учетом формы иглы, Сканирование исследуемой поверхности в координатах Х и Y производят с помощью иглы при постоянном туннельном токе. При этом регистрируются СТМ изображение поверхности в виде совокупности отдельных профилей, полученных при сканировании.

Для реконструкции реальной поверхности из СТМ изображения кончик иглы аппроксимируют полусферой заданного радиуса R u восстанавливают нормаль длиной (R+d) в каждой точке СТМ изображения, где d туннельный зазор между иглой и исследуемой поверхностью, имеющий прстоя нное значение, не превышающее IQ А.

Недостатком известного способа является его применимость только в частном случае. когда микрорель ф поверхности имеет размеры менее 100 А. Только в этом случае можно приблизительно анп роксими1778820

20

35

55 ровать кончик иглы полусферой. Однако на, практике часто встречаются поверхности (дифракционные решетки, имплантированйые. полупроводники, диски памяти и т,д,), глубина микрорельефа которых составляет 0,01-1 мкм. При этом в формиро-. вании СТМ изображения участвует значительно большая часть поверхности иглы. В этом масштабе размеров кончик иглы имеет несферическую форму, как правило близкую к параболоиду вращения, что не позволяет известным способом адекватно реконструировать реальную поверхность по СТМ иэображению.

Целью изобретения является повышение точности воспроизведения формы исследуемой поверхности.

Согласно изобретению эта цель достигается тем, что в известном способе исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом, включающем сканирование поверхности иглой при постоянном туннельном токе и регистрацию полученного изображения поверхности— определяют реальный профиль иглы, полученное изображение исследуемой поверхности инвертируют и определяют реальный профиль поверхности путем сканирования инвертированного изображения поверхности иэображением иглы, реальный профиль которой зеркально отражен в плоскости, перпендикулярной направлению сканиро-. вания.

Если при сканировании с помощью иглы обеспечивается туннельный контакт со всеми точками исследуемой поверхности, то предлагаемый способ обеспечивает полную реконструкцию реальной поверхности при произвольной форме, иглы, в частности: а) в случае, когда кончик иглы имеет сферическую форму; б) в случае несферической иглы, но имеющей симметричную форму;

e) в случае несферической иглы, имеющей к тому же несимметричную форму.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ.

Выход сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) 1 связан с входом инвертора

2, который через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3 соединен со входом оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 4. Выходы (ОЗУ) 4 и постоянного запоминающего устройства формы иглы (ПЗУ) 5 соединены с арифметическим логическим устройством (АЛУ) 6,,которое в свою очередь через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 7 соединено с графическим терминалом 8.

Рассмотрим конкретный вариант реализации способа с помощью описанного выше устройства для реконструкции поверхности дифракционной решетки.

В СТМ 1 поверхность решетки сканируют в направлении, перпендикулярном штрихам. Электрический сигнал, несущий информацию об исследуемой поверхности, подают на инвертор 2. Инвертированный сигнал. преобразованный в цифровую форму посредством АЦП 3, запоминается в ОЗУ

4. С помощью электронного микроскопа (на фиг. I не показан) определяют реальный

15 профиль иглы и вводят его в ПЗУ 5.

Далее путем математических операций в АЛУ 6 проводят сканирование инвертированного изображения исследуемой поверхности изображением иглы, реальный профиль которой зеркально отражен в плоскости,. перпендикулярной направлению скаНирования, Полученные результаты выводят через ЦАП 7 на графический терминал

8, на котором воспроизводится реконструированная поверхность решетки в виде совокупности профилей (фиг. 2, где 2а— реальный профиль иглы, полученный с помощью электронного микроскопа; 26 — изображение реальной фазовой дифракционной решетки в виде совокупности и рофилей;. 2в — реконструирован ное предложенным способом изображение этой решетки).

При сканировании всей поверхности дифракционной решетки в направлении, перпендикулярном ее штрихам, форма отдельных профилей меняется незначительно. Это дает основание использовать для трехмерной реконструкции поверхности только один профиль иглы.

В случае более сложного рельефа поверхности отдельные его профили могут существенно отличаться друг от друга. В атом случае для адекватной трехмерной реконструкции изображения поверхности в ПЗУ вводится полная форма иглы в виде совокупности профилей и бсуществляется мини50. мизация между профилями поверхности и соответствующими профилями иглы.

Предложенное техническое решение обеспечивает повышение точности воспроизведения формы исследуемой поверхности при реальной произвольной форме иглы. Если игла ТМ входит в туннельный контакт со всеми точками исследуемой поверхности, предложенное техническое решение обеспечивает полную реконструкцию реальной поверхности.

1778820

Фиг. 2

Составитель Ф.Губайдуллин

Техред М.Моргентал Корректор П.Гереши

Редактор Т.Коляда

Заказ 4197 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,-4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

Способ исследования поверхности твердого тела туннельным микроскопом, включающий сканирование поверхности иглой при постоянном туннельном токе и ре- 5 гистрацию полученного изображения поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения формы исследуемой поверхности, определяют реальный профиль иглы, полученное изображение исследуемой поверхности инвертируют и определяют реальный профиль поверхности путем сканирования инвертированного изображения поверхности изображением иглы, реальный профиль которой зеркально отражен в плоскости, перпендикулярной направлению сканирования.