Применение DVD-диска в качестве тест-объекта для оценки разрешающей способности сканирующего капиллярного микроскопа

Тестовые структуры и калибровочные образцы, применяемые в сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), играют ключевую роль в обеспечении корректной работы измерительных систем, повышении точности получаемых данных и оценке предельного разрешения [1]. Для режимов атомносиловой микроскопии (АСМ) разработано большое количество коммерчески доступных тест-решеток и эталонов, позволяющих выполнять калибровку линейных размеров, оценивать разрешающую способность и контролировать состояние зонда [2–5]. Однако для менее распространенных методик СЗМ, в которых взаимодействие зонда с образцом определяется не только механическими, но и электрохимическими или физикохимическими процессами, задача создания специализированных тест-структур остается актуальной.

Одним из таких методов является сканирующая капиллярная микроскопия (СКМ), известная в зарубежной литературе как scanning ion-conductance microscopy (SICM), в которой в качестве зонда используются стеклянные пипетки с субмикронными и наноразмерными апертурами [6]. В СКМ регистрация взаимодействия "зонд – поверхность" осуществляется по изменениям ионного тока, протекающего через апертуру нанопипетки (НП). В отличие от АСМ, где сигнал определяется в основном механическими силами, измерения в СКМ чувствительны к целому ряду факторов: зарядовым состояниям поверхности и стенок пипетки, электрохимическим процессам на электродах, нелинейности I–V характеристик, изменению концентрации ионов и вязкости электролита в узких зазорах. Эти особенности приводят к тому, что СКМ-изображения часто искажены эффектами, не связанными непосредственно с топографией, а определение линейных размеров объектов по таким данным является нетривиальной задачей.

Необходимость создания специальных тест-объектов для СКМ обусловлена сразу несколькими причинами. Во-первых, стеклянные НП отличаются хрупкостью, поэтому использование твердых кремниевых стандартов, применяемых в АСМ, может приводить к разрушению зонда. Во-вторых, параметры взаимодействия в СКМ напрямую зависят от геометрии пипетки, включая толщину стенки, форму апертуры и конусность, и эти параметры трудно контролировать при изготовлении. В-третьих, отсутствие тест-структур, предназначенных специально для методов, основанных на ионной проводимости, затрудняет проведение калибровки, сравнения различных зондов и оптимизацию режимов работы прибора.

Ранее нами была продемонстрирована возможность создания полимерных реплик со стандартной калибровочной Si-решетки на примере структуры выступающих периодических полос TGZ02 [7]. Также другими исследователями были предложены подходы к косвенной оценке геометрии зонда-НП с использованием вольтамперных характеристик и моделирования распределения тока в зазоре "пипетка – образец" [8, 9]. Кроме того, существуют гибридные решения, такие как зондовые системы FluidFM, позволяющие работать как в АСМ-, так и в СКМ-подобных режимах [10]. Однако их изготовление требует фотолитографического оборудования и не решает задачу калибровки традиционных стеклянных НП. Возможность совмещения нескольких видов микроскопии в одном приборе также не заменяет необходимость в прямой проверке метрологических характеристик именно в СКМ-режиме [11].

В связи с этим разработка мягких рельефных структур, способных служить тест-объектами для оценки разрешения и линейной калибровки в СКМ без риска повреждения НП, является актуальной научно-технической задачей. Полимерные материалы, такие как поликарбонат, представляют особый интерес благодаря их низкой жесткости, технологичности и возможности получения регулярного микрорельефа методом штамповки.

В данной работе рассматривается применение полимерных DVD-структур, содержащих регулярные выступы и углубления фиксированной геометрии, в качестве тест-образцов для оценки разрешающей способности и линейных размеров в СКМ.

РАЗРАБОТКА И ОБСУЖДЕНИЕ

В качестве тестовых образцов подготовлены две структуры на поликарбонате: набор углубленных питов и соответствующие им выступы (фазовая дифракционная решетка), сформированные методом штамповки со стеклянной мастер-формы. Для получения рельефа использовался цифровой видеодиск (DVD) высокой плотности записи, разделенный на два слоя в области записи питов (рис. 1). Отметим, что лазерная запись не подхо- а дит для изготовления подобных тест-объектов, поскольку при этом изменение свойств происходит внутри перезаписываемого слоя, а для работы в СКМ требуются рельефные структуры на поверхности полимера.

Контроль морфологии выполнен референтным методом — полуконтактной (" tapping ") модой АСМ; для визуализации в СКМ использовалась современная прыжковая (" hopping ") мода [7]. Для СКМ применялись боросиликатные НП с внутренней апертурой 100 ±20 нм, сформированные методом тепловой вытяжки. Измерения проводились как со стороны питов, так и со стороны выступов (обратной стороны) слоя диска.

Изображения, полученные в режимах АСМ и СКМ, показали сопоставимую топографию рельефных структур. Поскольку данные структуры имеют одинаковую глубину/высоту, ширину и регулярный период, их можно использовать для контроля линейных размеров по трем координатам XYZ при работе в режиме СКМ. Совмещение сечений, полученных по данным АСМ и СКМ, позволило откалибровать сканер в режиме СКМ (рис. 2).

Для выступающих структур среднее значение уширения границы перепада высоты по сечению оказалось примерно одинаковым для АСМ и СКМ — ΔX = 80 нм. Для питов в данных СКМ наблюдалось более значительное уширение области наклона — ΔX = 200 нм. Ухудшение разрешения при визуализации перепада высоты углубленных структур в СКМ может быть связано с ограниченной способностью НП проникать в узкие зоны (учитывая толщину стенки пипетки на торце помимо апертуры) и/или с накоплением заряда внутри углублений, что может влиять на ионный поток.

б

Рис. 1. Схемы рельефа поверхности слоев DVD-диска (а) и его визуализации разными типами зондов (б).

На (а): 1 — защитный слой поликарбоната, 2 — отражающий слой Al, 3 — защитный слой и наклейка;

б — схематичное изображение разных типов зондов: АСМ-зонд, референтный (А), НП с малой апертурой (Б), НП с большой апертурой (В)

Рис. 2. Изображения структур питов DVD-диска в поликарбонате.

а — скан, полученный в " tapping " моде АСМ; б — скан, полученный в " hopping " моде СКМ; в — сравнение сечений из (а) и (б) после калибровки; г — изображение выступающих структур с обратной стороны слоя относительно питов на (а), д — изображение выступающих структур с обратной стороны слоя относительно питов на (б); е — сравнение сечений из (г) и (д) после калибровки; Δ X — уширение на границе перепада высоты

Рис. 3. Гистограммы высот, полученные с изображений с латеральными размерами 4 × 4 мкм (вставки) для питов в АСМ (а), в СКМ (б) и выступающих структур в АСМ (в) и СКМ (г)

Гистограммы высот для вогнутых и выпуклых структур имеют хорошую корреляцию: для питов основной сдвоенный пик расположен около 0.2 мкм, при этом для АСМ наблюдается вспомогательный пик на 0.02–0.03 мкм (соответствует выступам) (рис. 3). Для выпуклых структур основной сдвоенный пик — около 0.02–0.03 мкм, в АСМ также наблюдается вспомогательный пик около 0.2 мкм. Сдвоенность основных пиков, вероятно, связана с особенностями топографии поверхности между питами.

В работе также изучены уширения питов при использовании НП разного диаметра апертуры (рис. 4 а, б) по усредненным сечениям по 10 измерениям. Как видно из сечений (рис. 4, в), при увеличении внешнего диаметра НП с ~ 180 нм (угол схождения ~ 3°) до ~ 280 нм (угол схождения ~ 4.5°) уширение на границе пита ΔX увеличилось с ~ 150 нм до ~ 200 нм, а глубина проникновения понизилась с~ 170 нм до ~ 120 нм, что косвенно позволяет оценить разрешение метода, апертуру НП и ее проникающую способность.

В ряде экспериментов выявлены артефакты, связанные с особенностями измерительного процесса. В частности, при многократном сканировании одной и той же области (трех полных проходов) наблюдалось снижение высоты и размывание структуры питов. По данным было выявлено понижение базового уровня на ~ 50 нм. Также замечены локализованные шумы на краях перепада высот, проявляющиеся при неортогональной ориентации Si-зонда или НП к образцу как в АСМ (рис. 5, а), так и СКМ (рис. 5, б). Эти шумы локализованы и связаны с многократным касанием зонда о стенки структур с одного края при его наклоне, что согласуется с литературными данными [12]. Для снижения уровня шумов следует ориентировать зонд максимально ортогонально к образцу, выставлять рабочую точку близко к режиму насыщения (сигнал без взаимодействия) и при необходимости уменьшать коэффициент усиления обратной связи.

Рис. 4. СЭМ-изображение НП с внешним диаметром апертуры Da ~ 280 нм (а), Da ~180 нм (б) и сечения перепада высоты на границе пита, полученные в СКМ с помощью НП с разными диаметрами внешней апертуры Dа (в)

0.19 pm

0,00 pm

0.33 pm

0.00 pm

Рис. 5. 3D-изображения с артефактом на границе питов, выражающимся в виде шумов с одного края при неортогональной ориентации зонда в " tapping " моде АСМ (а) и " hopping " моде СКМ (б)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что поликарбонатные структуры DVD-диска, имеющие фиксированные геометрические параметры, подходят для проверки линейных размеров и оценки разрешения в СКМ при применении НП разной геометрии. Для выступающих структур получены близкие значения уширения границы перепада высот в данных АСМ и СКМ, что указывает на сопоставимость методов при измерениях поверхности выступов. Для углубленных структур в СКМ наблюдаются большие уширения, что требует учета специфики проникающей способности зонда и возможного влияния накопления заряда. Стоит отметить, что данная структура не является метрологическим эталоном, однако может применяться в качестве удобного тестового образца, с помощью которого можно проводить оценку разрешения в СКМ и дифференциацию НП по параметрам их апертуры и проникающей способности (угол схождения у вершины).

При использовании полимерных тест-структур важно учитывать возможные эффекты деградации материала при многократном сканировании и влияние электрического заряда. Эти факторы могут ограничивать воспроизводимость измерений и требуют соответствующих протоколов измерений и калибровки.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-79-00169,