V.E. Lashkaryov Institute of Semiconductor Physics NAS of Ukraine
National Academy of Sciences of Ukraine

Search

Laboratory of Electron probe methods of structural and elemental analysis of semiconductor materials and systems

prokopenko
Прокопенко Ігор Васильович
Керівник відділу  д. ф.-м. наук, професор
Тел./ факс. (044)525-4449,
ел. пошта: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Staff

 DSC00568 
 
Єфремов Олексій Олександрович
ст.н.с., канд. ф.-м. наук,
тел./факс: (044)525-8393
 IMG 9582 

 

Литвин Оксана Степанівна
ст.н.с., канд. ф.-м. наук,
тел./факс: +38 (044)525-59-40,

ел. пошта: o This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 p4210032a 

 

Литвин Петро Мар'янович
Керівник лабораторії "Комплекс скануючої зондової мікроскопії",
ст.н.с., канд. ф.-м. наук,
тел./факс: (044) 525-5940,

ел. пошта:  This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

публікації

 IMG 9578 1    Литвин Юрій Михайлович
ст.н.с., канд. ф.-м. наук,
тел./факс: (044) 525-8393
 IMG 9637
 
Рябченко Юрій Олександрович
провідний інж.,
тел./факс: 525-5940
 IMG 9642    Корчовий Андрій Адамович
н.с., канд. ф.-м. наук,
тел./факс: 525-8393,
ел. пошта: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
 
 
 
Гончарова Олена Георгіївна
пр.інженер
 
 
 
Лабортас Людмила Евгенівна
пр.інженер
 
 
 
Чернета Тамара Георгіївна
м.н.с.
 
 
 
Корбутяк Наталія Василівна
пр.інженер
 
 
 
Дрига Юлія Олександрівна
м.н.с.
 
 
 
Мєшкова Ірина Андріївна
пр.інженер

Field of Research

Для вирішення задач структурного і елементного аналізу напівпровідникових матеріалів, приладових систем, приладів опто- і мікроелектроніки в рамках виконуваних в Інституті фізики напівпровідників НАН України робіт по бюджетній тематиці HАН України, Державних програм розвитку електронного приладобудування в Україні і більш ефективного використання дорогого аналітичного устаткування наказом по Інституту від 22.10.1993 р. створюється у складі Інституту центральна лабораторія структурного і елементного аналізу напівпровідникових матеріалів і приладових систем (лабораторія №59). Виконуючим обов`язки завідуючого лабораторією був призначений старший науковий співробітник, кандидат фізико-математичних наук І.В. Прокопенко. До складу лабораторії ввійшли такі кадрові співробітники інституту як к.ф.-м.н. Т.Г.Криштаб, М.О. Мазін, В.І. Полудін. По своїй ідеології створення лабораторії №59 було першим досвідом в рамках Інституту по функціонуванню Центру колективного використання приладами і в подальшому слугувало основою для його створення вже в рамках НАН України.

    В 1996 році у зв’язку з ліквідацією лабораторій у структурі інститутів НАН України формально розпускається і лабораторія №59, а протягом року проводяться роботи по організації відділення «Структурного і елементного аналізу напівпровідникових матеріалів і систем» Інституту фізики напівпровідників НАН України, яке створюється у вересні 1997 року під керівництвом В.Ф. Мачуліна, а на базі колективу колишньої лабораторії №59 утворюється відділ "Електроннозондових методів структурного і елементного аналізу напівпровідникових матеріалів і систем" (відділ №11 ІФН НАН України, який разом в відділом №19 входить до щойно організованого відділення).

    В 2000 р. до складу відділу вливається науково-дослідна група під керівництвом доктора фізико-математичних наук А.І. Клімовської, яка раніше входила до складу лабораторії розмірних явищ у напівпровідниках і приладів на їх основі відділу №9 під керівництвом чл.-к. НАН України В.Г. Литовченка.

    У 2005 р. на базі відділу був створений Центр колективного користування приладами (ЦККП) «Діагностика напівпровідникових матеріалів, структур та приладних систем» НАН України

    На сьогодні відділ налічує 20 чоловік, серед них 2 доктори та 8 кандидатів фізико-математичних та технічних наук.


Наукова діяльність

    За період з моменту утворення в 1993 році лабораторії №59 колективом проведено широке коло досліджень по вивченню впливу випромінювання різної природи (від гама-випромінювання до НВЧ) на напівпровідникові матеріали групи А3В5 і приладні структури на їх основі. В цих роботах проаналізовані механізми утворення дефектів при опроміненні і радіаційному відпалі, запропоновані нові технологічні процеси обробки приладових структур на основі короткочасного потужного НВЧ випромінювання, імпульсного лазерного і малодозового гама-опромінення, які підвищують їх стійкість до зовнішніх впливів (Т.Г. Криштаб, П.М. Литвин, О.С .Литвин, І.В. Прокопенко, М.О. Мазін, В.І. Полудін). В 1995 році І.В. Прокопенко захищає докторську дисертацію, в якій досліджено особливості релаксації внутрішніх механічних напруг в епітаксійних системах на основі кремнію, германію і арсеніду галію, визначено домінуючі механізми дефектоутворення в приладових структурах метал-діелектрик-напівпровідник, бар'єрних наноструктур на основі матеріалів А3В5 та інших, залежність їх від технологічних параметрів ростових процесів та їх наступних обробок.

    В 1998 році у складі відділу створюється комплекс скануючої зондової мікроскопії на основі атомно-силового мікроскопу NanoScope IIIa Dimension 3000, який на сьогоднішній  день має широкі можливості одержання інформації про фізичні властивості поверхонь різного типу (топографія, механічні, електрофізичні, магнітні тощо) та їх керованої модифікації (нанолітографія) в субмікронному та нанометровому діапазонах.

    Засобами комплексу скануючої зондової мікроскопії проводяться системні дослідження особливостей ростових процесів в багатошарових напівпровідникових структурах із варіаціями наноструктурних елементів: квантовими точками, нитками, колами, «молекулами» квантових точок та ін. У співпраці із вітчизняними та зарубіжними колегами виконано цикл робіт по інженерії тривимірно-впорядкованих масивів квантових точок із використанням природної анізотропії фізичних властивостей ростових поверхонь різних кристалографічних орієнтацій та відмінностей фізико-хімічних реакцій при рості структур із молекулярних потоків різної стехіометрії (П.М. Литвин, О.С. Литвин).

    Експериментальні роботи по керуванню розмірами, формою та густиною Si-Ge наноструктур у 2002 році відмічені журналом European Semiconductors як одні з кращих. Результати циклу робіт по планарному самонаправленому росту квантових ниток та точок InGaAs увійшли до довідника Handbook of Self Assembled Semiconductor Nanostructures for Novel Devices in Photonics and Electronics, випущеного у 2008 р. авторитетним виданням Elsevier Ltd.

    Провідна атомно-силова мікроскопія у комплексі із ємнісною та електростатичною мікроскопією складають основу діагностики електронних властивостей напівпровідникових структур на нанорівні. Методи провідної атомно-силової мікроскопії дають змогу проводити характеризацію електричних властивостей наноструктур із нанометровою просторовою роздільною здатністю. Варіації фазового складу поверхні на нанорівні дозволяють візуалізувати методи наномеханічних випробувань: наноіндентування та модульованої сили. Запропонований співробітниками відділу метод акустостимульованих наноманіпуляцій у поєднанні із механічною та електрохімічною зондовою нанолітографією є досить гнучким інструментом для створення прототипів новітніх приладів таких як, наприклад, нанобіосенсори та наноелектромеханічні прилади.

    Діагностичну базу відділу складають скануючий зондовий та електронний мікроскопи, оптичні мікроскопи, рентгенофлуоресцентний аналізатор хімічного складу речовин, мікро- та нанотвердоміри, профілометри та інше обладнання.

mazin Kuchma sm     
     
    Академік С.В. Свєчніков, п.н.с. І.В. Прокопенко (праворуч) та н.с. М.О. Мазін демонструють новітні розробки
    Президенту України (1998р.) Л.Д. Кучмі та Президенту НАН України Б.Є. Патону (ліворуч) .

Achievements

Найбільш вагомі науково-технічні результати:

Встановлено механізми структурно-морфологічного впорядкування в напівпровідникових монокристалах, епітаксійних системах, системах діелектрик - напівпровідник та метал-напівпровідник під дією високочастотного електромагнітного випромінювання.

Розвинуто фізичні основи інженерії тривимірно-впорядкованих масивів квантових точок із використанням природної анізотропії фізичних властивостей ростових поверхонь різних кристалографічних орієнтацій та відмінностей фізико-хімічних реакцій при рості структур із молекулярних потоків різної стехіометрії.

Розроблено фізичні основи методики енергетичного катографування поверхонь на основі атомно-силової спектроскопії.

Developments

Найбільш вагомі науково-технічні розробки:

Атомно-силова мікроскопія (AFM)
на повітрі та у рідких середовищах
Призначення та область застосування
Системи NanoScope від Digital Instruments є технологічним лідером в області скануючої зондової мікроскопії. Ці системи забезпечують повний комп’ютерний контроль СЗМ, починаючи від маніпуляцій системами мікроскопу у режимі реального часу до перегляду, аналізу та модифікації даних вимірювань незалежно від основного обладнання.

Режими вимірювань:
Контактний (contact mode): топометрія поверхні, мікроскопія сил тертя, силова спектроскопія;
    використовуються зонди із Si3N4 з типовим радіусом вістря 20-50нм; контроль силової взаємодії в межах 1пН до 1мкН.
Періодичного контакту (tapping mode): топометрія поверхні, фазовий контраст (в'язко-пружні параметри);
    використовуються кремнієві зонди із типовим радіусом вістря 2-10нм. Контроль вертикальних переміщень не гірше 0,025нм.
Зазначені режими можуть бути  реалізовані як на повітрі, так і в рідких неагресивних середовищах.

IMG 9600 Завдяки модульному принципу будови мікроскопу зміна режимів роботи реалізована через заміну тримача зонду із вбудованими відповідними давачами та програмного перемикання вимірювальних кіл. На рисунку представлені тримачі зондів (tip holders) для тунельної мікроскопії (тримач із мікросхемою та голкою), тримач для ємнісної мікроскопії (з контактним проводом), "рідинна комірка" (прозорий тримач із позолоченими частинами) та тримач для режиму модульованої сили (із біморфною пластинкою).

Двопрохідні методики: магнітна мікроскопія (MFM), електростатична (EFM),
силова Кельвін-зонд мікроскопія (KPFM)

Магнітна силова мікроскопія дозволяє візуалізувати магнітні властивості, якщо на поверхні присутні змінні магнітні поля розсіювання. Вимірювання проводяться в динамічному режимі (tapping mode) за допомогою зонду з магнітним покриттям. Найчастіше використовується покриття кобальтом. Підбираючи зонди з різним магнітним покриттям та відповідною геометрією можна варіювати чутливість. Типовими є зонди з коерцитивністю в межах 0,75 до 400 Ерстед.
Щоб виключити вплив рельєфу, виміри проводяться в два проходи. Спочатку реєструється профіль рельєфу (див. рис.), а потім зонд піднімається на задану висоту і рухається по попередньо записаній траєкторії. Для вимірювання далекодіючих магнітних сил відстань між голкою і зразком збільшується (20-300нм). Магнітне покриття вістря зонду взаємодіє з магнітним полем розсіювання зразка, що впливає на амплітуду і фазу коливань консолі зонду. Дані вимірювань МСМ (фази і амплітуди) та топографії записуються одночасно, що дозволяє однозначно пов'язати деталі рельєфу із магнітним контрастом. Типова роздільна здатність методу складає 20-30 нм.

Lift scann

    Схема МСМ вимірювань (вверху) та зображення поверхні жорсткого диску ПК і відповідній розподіл магнітного поля (внизу).

Безконтактна електрична (електростатична) силова мікроскопія також є двопрохідною методикою. На другому проході консоль зонду приводиться в коливальний стан на резонансній частоті, при цьому вона заземлена або знаходиться під постійною напругою зміщення.
Ємнісна сила взаємодії зонд-зразок (точніше її похідна) призводить до зсуву резонансної частоти. Відповідно амплітуда коливань консолі зонду  зменшується і фаза його коливань зсувається. При цьому і амплітуда, і фаза коливань можуть бути виміряні та використані для якісного відображення розподілу електричного потенціалу чи локалізованого заряду по поверхні зразка.
Безконтактна ЕСМ має дещо кращу роздільну здатність у порівнянні із Кельвін-зонд мікроскопією, оскільки відношення паразитної ємності конусу зонда і плоскої частини консолі зонду до корисної ємності вістря зонду-зразок мінімізується. Однак всі дані представляються у значеннях зсуву фази коливань зонду (градусах).

Силова Кельвін-зонд мікроскопія дозволяє картографувати різницю в роботі виходу по поверхні зразка чи поверхневий потенціал. Метод базується на вимірюванні електростатичних сил між вістрям провідного АСМ зонду і поверхнею зразка при прикладанні між ними напруги, в якій є постійна і змінна складові. Величина різниці контактного потенціалу зонд-зразок вимірюється компенсаційним методом, а саме: підбором постійної складової напруги добиваються зникнення електростатичної силової взаємодії.
Зразки для вимірювання поверхневого потенціалу мають мати еквівалентні напруги поверхні менші за  ± 10В (найкраще в діапазоні напруг ± 5В). Звичайна точність вимірювань є не гіршою за 10 мВ. Зразки можуть містити як провідні, так і непровідні області, але провідні області не повинні бути пасивованими. Зразки, на поверхні яких є ділянки з різними матеріалами, також, у загальному випадку, будуть показувати відмінність на картах контактної різниці потенціалу. Строгі кількісні вимірювання напруг між різними ділянками можуть бути виконаній тільки в межах одного зображення

Провідна (с-AFM) та ємнісна мікроскопія (SCM)

IMG 9593 Зазначені методики базуються на контактному методі АСМ вимірювань. Для проведення с-АСМ вимірів між зразком і провідним зондом (як правило, це кремнієвий зонд вкритий плівкою Au, Pt, Pt-Ir) прикладається напруга зміщення. Засобами мікроскопу вона варіюється в межах  ± 12В. В той час як по одному із каналів проводиться звичайне картографування рельєфу, по іншому каналу реєструється струм, що проходить через зразок. Для цього використовується лінійний підсилювач з діапазоном від 1pA до 1мкА. Таким чином, топографія зразка та карта провідності вимірюються одночасно, що дозволяє проводити порівняння ділянок поверхні з їх електричним властивостями. Коли зупинити зонд у вибраній точці поверхні і проводити варіювання напруги зміщення, можна отримати локальні вольт-амперні характеристики елементів поверхні

Скануюча Ємнісна Мікроскопія  реєструє двовимірні профілі розподілу носіїв у напівпровідникових приладах та матеріалах, базуючись на вимірюваннях малих змін ємності з високою просторовою роздільною здатністю. При скануванні в контактному режимі металізований зонд та зразок формують нано-конденсатор (метал-діелектрик-напівпровідник) в точці контакту. Значення ємності контролюється за допомогою високочастотного резонансного контуру (УВЧ від 880 до 1050MГц). Підтримуючи постійну силу взаємодії між зондом і зразком СЄМ одночасно генерує топографічне та ємнісне зображення.
Прикладання змінної напруги до металевого покриття зонду викликає поперемінне збагачення і збіднення приконтактних шарів носіями струму, викликаючи зміну ємності зонд-зразок. Величина цих змін ємності з прикладанням напруги дає інформацію про концентрацію носіїв (амплітудний канал СЄМ), а різниця фаз між зміною ємності і прикладеною напругою несе інформацію про тип легування (фазовий канал СЄМ). Чутливість методу складає 10-22 Ф/Гц1/2.

SCM tranz

  Переріз транзистора мікросхеми   пам'яті ПК. Топографія (зверху) та   профіль легування (внмзу). 

Наноіндентування

indentor

Відбитки індентора та криві навантаження-проникнення для вихідної (1)
та обробленої ВЧ опроміненням (2) плівок PTFE товщиною 300нм.

Методи механічних випробувань поверхонь на нанорівні включають наноіндентування (отримання відбитків при заданому навантаженні та реєстрацію динаміки навантаження-розвантаження), склерометрію (нано-дряпання) та випробування на зносостійкість (тертя зондом в заданому прямокутнику при заданому навантаженні). Для випробувань використовується спеціальний алмазний зонд (вістря - кут куба, радіус вершини 30нм), змонтований на металічній консолі жорсткістю 130Н/м. Діапазон навантажень 1-100мкН. Використання нітридкремнієвих та кремнієвих зондів із захисним покриттям дозволяє проводити випробування в діапазоні навантажень від кількох нН.

Нанолітографія та наноманіпуляції

Функція нанолітографії дозволяє керувати рухом сканера мікроскопу із нанометровою точністю. Рух сканера можна запрограмувати для нанесення зображення на поверхню (механічна або окислювальна літографія) або для переміщення нанооб'єктів по поверхні зразка. За один раз можна наносити зображення у полі не більше 100х100мкм. Роздільна здатність визначається конкретними умовами реалізації і складає, в загальному випадку, кілька нанометрів. lithogr

Лінійка пробопідготовки

IMG 9617 Для спеціальної підготовки зразків в наявності є пристрій для полірування та приготування шліфів і ульразвукові ванни. Попередній аналіз зразків проводиться засобами цифрової оптичної мікроскопії на мікроскопі Nu-2E Carl Zeiss, оснащеному камерою Canon (8Мпікс).

Equipments

Лабораторія  "Комплекс скануючої зондової мікроскопії“

Обладнання комплексу:  

  •     скануючий зондовий мікроскоп NanoScope IIIa Dimension 3000
  •     (Digital Instruments/Bruker, США);
  •     оптичний мікроскоп NU-2E (Carl Zeiss);
  •     профілометри-профілографи;
  •     мікротвердомір.


Методики зондової мікроскопії:

  •     атомно-силова мікроскопія (на повітрі та у рідких середовищах);
  •     магнітна та електростатична мікроскопія;
  •     провідна та ємнісна мікроскопія (картографування та локальні ВАХ і ВФХ);
  •     тунельна мікроскопія і спектроскопія (на повітрі);
  •     силова спектроскопія (на повітрі та у рідких середовищах);
  •     наноіндентування і картографування пружних та адгезивних властивостей поверхонь;
  •     елементи нанолітографії і наноманіпуляцій.

Venger Reklama

Projects

Publications

2017