הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
פרוטוקול זה מתאר ספקטרוסקופיה של מיקרוסקופ כוח אטומי פוטותרמי במצב נקישה (tapping-mode) עם גילוי הטרודין, לצורך אפיון כימי ברמה הננומטרית של חומרים והתקנים מוליכים למחצה, כולל רכישת ספקטרום אינפרה-אדום ומיפוי כימי של משטחים בעלי תבנית ומזהמים הקשורים לתהליך הייצור.
מיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM) משמשת באופן נרחב לאפיון תכונות חשמליות, מגנטיות, מכניות, תרמיות, אלקטרוכימיות ואלקטרומכניות של חומרים והתקנים בקנה מידה ננומטרי; עם זאת, היא אינה מספקת זיהוי כימי ישיר. לעומת זאת, ספקטרוסקופיה באינפרא-אדום (IR) בודקת קשרים כימיים באמצעות חתימות הרטט שלהם, אך היא מוגבלת באופן מסורתי לרזולוציה מרחבית בקנה מידה מיקרוני עקב דיפרקציה אופטית. ספקטרוסקופיית AFM–IR פוטותרמית משלבת AFM וספקטרוסקופיית IR כדי לאפשר אפיון כימי ננומטרי על ידי מדידת התפשטות פוטותרמית מקומית בעקבות בליעת IR. מאמר זה מציג פרוטוקול עבור AFM–IR פוטותרמי במצב tapping-mode עם גילוי הטרודיני (heterodyne-detected) ואת יישומו על חומרי מוליכים למחצה והתקנים. הפרוטוקול מתאר את הכנת המכשיר, בחירה וכיוונון של הגשוש (probe), דימוי טופוגרפי ב-AFM, יישור ואופטימיזציה של לייזר ה-IR, רכישת ספקטרומי IR מקומיים ומיפוי כימי של מodi רטט נבחרים. דגש מיוחד מושם על היישום המעשי של AFM–IR במצב tapping-mode לאפיון מוליכים למחצה ועל גורמים המשפיעים על איכות הנתונים, כולל בחירת הגשוש, כיוונון רזוננס ויישור קרן ה-IR. דוגמאות מייצגות מדגימות את השימוש ב-AFM–IR להבחנה בין הרכבי חומרים במבנים תבניתיים, הערכת חומרים שהורגשו על מצעי מוליכים למחצה, וזיהוי זיהומי פוטורזיסט שיוריים לאחר עיבוד. הפרוטוקול מאפשר רכישת מידע טופוגרפי וכימי מקומי משותף ברזולוציה מרחבית ננומטרית, ומדגים כיצד ניתן ליישם AFM–IR לאתגרי אפיון הנתקלים במחקר ובייצור של מוליכים למחצה. כדי לסייע למשתמשים חדשים, מסופקים גם סקירה קצרה של פיתוח ה-AFM–IR והשוואה בין מקורות IR נפוצים ומצבי דימוי שגורים.
שיטות אפיון מתקדמות ממלאות תפקיד חיוני במחקר, פיתוח וייצור של מוליכים למחצה. מיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM), שניתן לבצעה בתנאי סביבה, בסביבת חדר נקי, בתוך תא כפפות באטמוספירה אינרטית או בוואקום, נמצאת בשימוש נרחב בתעשיית המוליכים למחצה. מצבי AFM זמינים משלבים מיפוי טופוגרפי בננו-קנה מידה של חומרים ומכשירים של מוליכים למחצה עם מדידות חשמליות, מגנטיות, מכניות, פייזו-אלקטריות (כלומר, אלקטרו-מכניות) ותרמיות במקומות מקבילים, כולל פוטנציאל פני, התנגדות חשמלית, פרופיל של חומרי זיהום (dopant profiling) ומדידות זרם-מתח (I–V) באתרים ספציפיים1,2,3,4....
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול זה אינו כולל שימוש בקווי תאים של בעלי חיים או בני אדם או בניסויים בנבדקים. שימו לב כי למרות שנדונו מצבי יישום אחרים של AFM–IR, פרוטוקול זה ספציפי ל-AFM–IR פוטו-תרמי במצב tapping-mode עם גילוי ההטרודין (heterodyne-detected).
1. הגדרת הניסוי
הערה: פרוטוקול AFM–IR במצב נקישה (tapping-mode) זה נועד להיות כללי ככל האפשר; עם זאת, ההגדרה והתפעול יהיו תלויים ביצרן ובדגם של המערכת שבה נעשה שימוש, כולל החומרה הנלווית (למשל, מקור/מקורות IR, פלטפורמת AFM ומכשור קשור) והתוכנה. עיינו באיור 3 לסכימה כללית של תרשים בלוקים של מערכת AFM–IR טיפוסית. המערכת ששימשה במחקר זה מפורטת....
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בתחום המוליכים למחצה, ניתן להשתמש בפלסטיק תרמופלסטי כגון poly(methyl methacrylate) (PMMA) כמבודד ולערבב אותו עם פולימרים מוליכים למחצה פעילים כדי לכוונן את ניידות המטען של ההתקן77,78. ל-PMMA ישנו גם שימוש כרזיסט חיובי לליתוגרפיה של קרן אלקטרונים או לליתוגרפיה של אור על-סגול79. בשני היישומים הללו, ניתן להשתמש ב-AFM–IR כדי לאשר את התפלגות הפולימר לאחר העיבוד. ב-איור 6A, 6B, נעשה שימוש בליתוגרפיה.......
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בחירת הגשוש (probe) המתאים עבור גאומטריית ה-AFM–IR (כלומר, הארה מלמעלה למטה לעומת מלמטה למעלה) ומצב הפעלה (למשל, AFM–IR במצב טפיחה [tapping-mode] לעומת מצב מגע [contact-mode]) היא שיקול חשוב להשגת נתונים אופטימליים וללא ארטיפקטים. מאפייני גשוש כלליים שיש לשקול כוללים את קבוע הקפיץ הנומינלי ותדר התהודה, אשר בדרך כלל משתנים ביחס ישר. תדרי תהודה גבוהים יותר, ולפיכך קבועי קפיץ גדולים יותר (כלומר, קנטילברים קשיחים יותר), מועדפים בדרך כלל עבור פעולה במצב טפיחה מכיוון שהם מפחיתים את הסבירות ל-snap-to-contact ויכולים לאפשר קצבי .......
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר עליהם.
מערכת ה-AFM–IR מסוג Bruker Anasys nanoIR3-s ששימשה בעבודה זו נרכשה בתמיכת קרן M. J. Murdock Charitable Trust (מספר מענק 202014907). המערכת ממוקמת במעבדה למדעי השטחים (SSL) של אוניברסיטת בויזי סטייט, שהיא חלק ממתקן הליבה FaCT, RRID: SCR 024733, ומקבלת תמיכה מהמכונים הלאומיים לבריאות (NIH) במסגרת תוכנית ה-Institutional Development Awards (IDeA) של המכון הלאומי למדעי הרפואה הכללית באמצעות מענקים מס׳ P20GM148321 ו-P20GM103408, כאשר הראשון תומך חלקית גם בכותבים השותפים C.M.E. ו-P.H.D. N.O. נתמך על ידי מרכז החומרים והמכשירים בעלי יעילות אנרגטית גבוהה (SUPREME), תוכנית של תאגיד מחקר המוליכים למחצה (SRC) בחסות סוכנות פרויקטים של מחקר מתקדם להגנה (DARPA). חומר זה מבוסס על מחקר....
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| תוכנת בקרה ל-AFM | Bruker | Analysis Studio v3.17 | בקרת מכשיר, דימות AFM, רכישת AFM–IR וניתוח נתונים. |
| תוכנה לעיבוד וניתוח תמונות AFM | Gwyddion | V2.69 | עיבוד וניתוח נתוני AFM. |
| גשש(ים) AFM–IR, מצב מגע (contact mode) | Bruker | PR-EX-CNIR-B-10 | גשש AFM–IR במצב מגע עם הגברת תהודה; קבוע קפיץ נומינלי (k) = 0.2 N/m, תדר תהודה (f0) = 13 kHz, רדיוס קצה (r) = 20 nm, קנטילבר וקצה מצופים ב-Au. |
| גשש(ים) AFM–IR, מצב טפיחה (tapping mode) | Bruker | PR-EX-TNIR-D-10 | גשש AFM–IR במצב טפיחה; קבוע קפיץ נומינלי (k) = 40 N/m, תדר תהודה (f0) = 300 kHz, רדיוס קצה (r) = 20 nm. קנטילבר וקצה מצופים ב-Au עבור מדידות AFM–IR עם הארה מלמעלה. גשש חלופי במצב טפיחה: PR-EX-TNIR-A-10 (k = 3 N/m, f0 = 75 kHz, r = 20 nm, קנטילבר וקצה מצופים ב-Au). |
| דיסק דגימה מתכתי ל-AFM/STM | Ted Pella | 16208 | זמין במספר גדלים (קטרים): מוצר #16223 (קוטר 6 mm), 16207 (10 mm), 16208 (12 mm), 16218 (15 mm), ו-16219 (20 mm). |
| מיקרוסקופ כוח אטומי | Bruker (Anasys) | nanoIR3-s | מערכת AFM–IR המשמשת לדימות טופוגרפי, ספקטרוסקופיה ומיפוי כימי. כוללת את תוכנת Analysis Studio ומגבר lock-in מדגם MFLI של Zurich Instruments. |
| מקור תנודתי פרמטרי אופטי (OPO) רחב פס | APE | Carmina tunable broadband MIR light source | מקור אינפרא-אדום מרכזי (MIR) רחב פס עם כוונון אורך גל מ-2.15–15 μm (~670–4650 cm-1) ורוחב פס של ~20 cm-1 או ~170 cm-1 FWHM, תלוי אם הוא פועל במצב פס צר (ps) או פס רחב (fs). תומך בפעולת AFM–IR (פולסות) ו-IR s-SNOM (quasi-CW). הפלט הוא במוד TEM00 מקוטב ליניארית. מופעל עם קירור מים חיצוני בטמפרטורה של כ-22 °C. |
| נוזל קירור לצ'ילר/מעכב קורוזיה | Innovatek | Protect IP Concentrate | נוזל קירור לצ'ילר ומעכב קורוזיה מבוסס אתילן גליקול, המיועד לערבוב ביחס של 1:3 עם מים מזוקקים. |
| אוויר יבש דחוס | Beacon Medaes | SPR30T | גז סריקה חלופי כאשר חנקן (N2) בטוהר גבוה במיוחד (99.999%) אינו זמין. מערכת מדחס אוויר ללא שמן + מייבש פנימית מספקת אוויר למעבדות בכל הבניין. |
| דבק ציאנואקרילט (סופר גלו) | Gorilla | 7500101 | דבק לא-מוליך אופציונלי להרכבת דגימות על דיסקי דגימה מגנטיים. סופר גלו עם מברשת ופיה לנוחות היישום בהרכבת דגימות על דיסקים מגנטיים. כמעט כל סופר גלו מבוסס ציאנואקרילט יעבוד ויכול לשמש כתחליף. |
| מים מזוקקים | Albertsons | Pure Life | משמשים להכנת תערובות נוזל קירור לצ'ילר הלייזר. נרכשו בחנות מצרכים מקומית, אך זמינים גם מספקי ציוד מדעי/כימי. |
| סרט פחמן דו-צדדי | Fisher Scientific | 50-285-81 | משמש להרכבה מוליכה זמנית/ניתנת להסרה קלה של דגימות על דיסקי דגימה מגנטיים. בעל מוליכות נמוכה יותר/התנגדות גיליון גבוהה יותר (50 Ω/in2) מאשר משחה של כסף. ניתן להשתמש גם בלשוניות דבק של סרט פחמן דו-צדדי. טבלת השוואה מועילה נמצאת ב-https://www.tedpella.com/adhesive_html/conductive-tapes-comparison.aspx. |
| מערכת ליתוגרפיה באלומה אלקטרונית (EBL) | FEI | Teneo Nabity NPGS | משמשת לתבנית פולימר (PMMA) עבור דגימה מייצגת של עיבוד פוטורזיסט של פולימר מוליך למחצה. |
| דבק אפוקסי | Loctite | EA E-60HP (237112) | דבק לא-מוליך (מבודד) אופציונלי להרכבת דגימות על דיסקי דגימה מגנטיים. מערכת ערבוב של מזרק עם שני מחסניות לנוחות היישום ולהבטחת יחס נכון של שרף וחומר מקשה. כמעט כל אפוקסי דו-רכיבי יעבוד ויכול לשמש כתחליף, בהתאם לשיקולי אפיון נוספים של הדגימה (למשל, טמפרטורת עבודה, שחרור גזים בוואקום וכו'). |
| לק ציפורניים | Sally Hansen | Teflon Tuff 10 Day Nail Color | דבק זמני אופציונלי להרכבת דגימות על דיסקי דגימה מגנטיים. נעשה שימוש גם ב-LA Colors Base Coat/Top Coat שקוף. כמעט כל לק ציפורניים הזמין בבית מרקחת מקומי יעבוד. |
| איזופרופנול (IPA) | Fisher Scientific | A451-4 | בשימוש בריכוז של 10% (v/v) במים מזוקקים עבור נוזל קירור לצ'ילר של QCL כדי למנוע צמיחת אצות. |
| משקפי מגן ללייזר | Thorlabs | LG11(A) | משקפי מגן ללייזר IR מזכוכית Schott מדגם LG11 או LG11A. |
| מגבר lock-in | Zurich Instruments | MFLI | דה-מודולציה וגילוי אות עבור מדידות AFM–IR. |
| אספקת גז חנקן | Norco | SPG TUHPNI | גז סריקה למכשיר בטוהר גבוה במיוחד (99.999%) המשמש להסרת אדי מים ופחמן דו-חמצני מהמסלול האופטי. |
| כלי להסרת שאריות בחמצן (Oxygen descum) | Glen | 1000P Plasma Cleaner | משמש בניסויי ייצור התקנים מייצגים של עיבוד פרוסות מוליכים למחצה. |
| פוטורזיסט (Photoresist) | Merck | AZ nLOF 2020 photoresist + AZ 726 developer | פוטורזיסט ומפתח המשמשים לדגימה מייצגת של ייצור התקנים בעיבוד פרוסות מוליכים למחצה. |
| דגימת פוטורזיסט | Homemade (Cornell University) | N/A | דגימה מייצגת של ייצור התקנים בעיבוד פרוסות מוליכים למחצה הוכנה עם AZ nLOF 2020/AZ 726 על גבי סרט Ga2O3 שגודל ב-MOCVD על מצע (010) מלויה ב-Fe, ושימשה לאפיון AFM–IR. |
| PMMA | Kayaku Advanced Materials | 495 PMMA A6 | משמש לייצור דגימת פולימר מייצגת לתבנית EBL ולאחר מכן לאפיון AFM–IR. |
| דגימת PMMA | Homemade (Boise State University) | N/A | דגימת פולימר מייצגת שהוכנה באמצעות 495 PMMA A6, תובניתה באמצעות EBL, ושימשה לאפיון AFM–IR. |
| פוליאתילן טרפתלאט (PET) | Homemade (Boise State University) | N/A | דגימת יישור פעילה-ב-IR המשמשת ליישור ואופטימיזציה של הלייזר. ניתן לייצר אותה על ידי spin casting או drop casting של PET, PMMA או פולימר אחר המכיל קבוצת קרבוניל על כיסוי זכוכית, פרוסת סיליקון או מצע שטוח מתאים אחר, רצוי בעל רפלקטיביות גבוהה. |
| דגימת פוליפירול (PPy) | Homemade (North Carolina State University) | N/A | דגימה מייצגת של שיקוע סלקטיבי של אזור תבניתי (ASD) המשמשת לאפיון AFM–IR. |
| לייזר קסקדת קוונטים (QCL) | Daylight Solutions | MIRcat Ultra-Broadly Tunable Mid-IR Laser | מקור אינפרא-אדום מרכזי כיוון עם ארבעה שבבים מותקנים המכסים את הטווחים 2635–3000 cm-1, 1425–1835 cm-1, 955–1425 cm-1, ו-755–1005 cm-1. מוד פלט TEM00 מקוטב ליניארית (יחס ניגודיות >100:1) עם רוחב פס של <1 cm-1. מופעל עם קירור מים חיצוני בטמפרטורה של כ-21 °C. |
| מחזיק דגימה / צ'אק | Bruker | N/A | להרכבת דגימה במהלך מדידות AFM–IR. |
| מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) | FEI | Verios 460L | משמש לאפיון משלים, במידת הצורך. |
| מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) | Hitachi | SU8700 | משמש לאפיון משלים, במידת הצורך. |
| פרוסת סיליקון מצופה בשכבה של סיליקון די-אוקסיד (SiO2) | Micron Technology | N/A | מצע של פרוסת סיליקון מצופה תחמוצת מייצג המשמש לייצור דגימת PMMA למדידות AFM–IR. פרוסת Si לא-מולבנת עם תחמוצת תרמית בעובי 100 nm. |
| פרוסת סיליקון עם תבניות של סיליקון ניטריד / סיליקון די-אוקסיד | Tokyo Electron Limited (TEL) | N/A | דגימה מייצגת של פרוסת מוליכים למחצה תבניתי המשמשת לאפיון AFM–IR. |
| משחת כסף | Ted Pella | 16062 | דבק מוליך המתייבש במהירות להרכבת דגימות על דיסקי דגימה מגנטיים. חלופות ל-Pelco Conductive Silver Paint (מוצר #16062) כוללות את מוצר #16031 (צבע כסף נוזלי מוליך מבוסס כסף קולואידי של Pelco). טבלת השוואה מועילה נמצאת ב-https://www.tedpella.com/adhesive_html/Adhesive-Comparison.aspx. |
| תוכנה לעיבוד והצגת ספקטרום | OriginLab | Origin 10.0.5.157 | עיבוד ושירטוט ספקטרום IR. |
| פינצטה | Sigma-Aldrich | Titanium tweezers | טיפול בגששים ובדגימות. |
| שולחן אופטי עם בידוד רעידות | Newport | Integrity 2 VCS | שולחן אופטי המשמש למזעור רעידות מכניות במהלך מדידות AFM–IR. |
| צ'ילר מים | ThermoTek | T257P-20 | צ'ילר במעגל סגור המשמש לקירור מקורות לייזר IR. נוזל הקירור ותנאי ההפעלה צריכים לעקוב אחר המלצות היצרן. |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מאמר זה פורסם
הסרטון יגיע בקרוב