Кандидат физико-математических наук В. А. БЫКОВ, генеральный директор ЗАО "НТ-МДТ"

История микроскопа началась с конца XVI в., когда голландские и итальянские шлифовальщики стекол употребили сочетание двух линз, чтобы рассматривать мелкие предметы. С той же целью Г. Галилей в 1610 г. использовал усовершенствованную им зрительную трубу, а голландский натуралист А. Левенгук с помощью линз в 1673 г. впервые увидел простейших -бактерии и эритроциты. С тех пор микроскоп постоянно совершенствовали: менялись его конструкции, принцип работы, росла разрешающая способность.

С помощью оптического микроскопа можно увидеть объекты величиной до 0,25 мкм, а электронный инструмент позволяет изучать детали, размер которых не превышает 0,01 нм. Однако в последнее время в науке стало развиваться новое направление - нанотехнология, охватывающая ряд дисциплин от молекулярной биологии и генной инженерии до физики поверхности твердого тела, электрохимии и микроэлектроники. Здесь оперируют величинами, сравнимыми с размером молекул и атомов, поэтому существовавшие типы приборов по своим характеристикам уже не удовлетворяли.

В 1981 г. швейцарские ученые Г. К. Бининг и Г. Рорер первыми в мире сконструировали сканирующий тоннельный микроскоп (это открытие в 1986 г. было удостоено Нобелевской премии), позволивший наблюдать атомы, причем каждый в отдельности, да еще в заданных точках. Рабочим органом данного прибора - зондом - служила токопроводящая игла из вольфрама или сплавов платины.

Принцип работы такого микроскопа заключается в следующем. На иглу, сканирующую поверхность, и исследуемый объект подают постоянное напряжение, и при приближении их друг к другу на определенном расстоянии (десятые доли ангстрема) между ними возникает так называемый тоннельный ток (отсюда и название прибора - тоннельный). Величина последнего поддерживается постоянной с помощью следящей системы. Она то поднимает, то опускает сканер в зависимости от рельефа изучаемой поверхности. Информацию об этом перемещении отслеживает компьютер, и после ее программной обработки можно "увидеть" объект с нужным разрешением.

Правда, такие микроскопы имеют ряд ограничений. Их в основном используют в условиях глубокого вакуума, а на воздухе или в воде наблюдению с атомарным разрешением поддаются только отдельные виды графита да некоторые слоистые полупроводники. Но самое главное ограничение - изучаемая поверхность должна быть токопроводящей.

В 1986 г. появились зондовые микроскопы второго поколения - атомно-силовые. В них сканирующее устройство устроено подобно патефону. Острую маленькую иголочку, скажем, из разбитого монокристалла сапфира приклеивали к одному концу плоской упругой пластинки, сделанной из тонкой платиновой фольги - кантилевера; другой ее конец крепили в держателе. В ходе сканирования игла, повторяя рельеф изучаемой поверхности, заставляла кантилевер колебаться в вертикальном направлении, а при боковых неровностях еще и поворачиваться вокруг продольной оси. Изменение положения зонда измеряли разными способами: интерферометрически, тензодатчиками и др. Но сейчас наиболее распространена оптическая схема регистрации.

В настоящее время наиболее предпочтительны два варианта ее реализации. Если образец небольшой (с линейными размерами в пределах 40-50 мм и толщиной до 10 мм), то его устанавливают на пьезоэлектрический трехкоординатный сканер, а кантилевер крепят в неподвижном держателе. На подвижный конец зонда направляют луч лазера. Отражаясь, он попадает на чувствительный элемент, в качестве которого чаще всего используют четырехсекционный фотодиод. Им легко регистрировать как изменение наклона кантилевера (нормальное перемещение), так и его осевые изгибы - латеральные силы.

При изучении большого образца удобнее, чтобы он оставался неподвижным. Правда, тогда нужно установить дополнительную следящую систему, обеспечивающую взаимодействие лазера, кантилевера и регистрирующего фотодиода.

Атомно-силовыми микроскопами проводят измерения двумя способами: контактным и бесконтактным. В первом случае игла постоянно соприкасается с изучаемой поверхностью, и, казалось бы, точность получаемой "картинки" может удовлетворять самым жестким требованиям. Однако здесь есть достаточно серьезные "но". Прежде всего, при проведении исследований на воздухе в зазор между кончиком иглы и предметом попадает влага - ее тонкий слой практически всегда есть на поверхностях. И возникает так называемый капиллярный эффект, значительно ухудшающий разрешающую способность установки. Он отсутствует в трех случаях: при изучении несмачиваемых поверхностей гидрофобизированными иглами, при работе в глубоком вакууме, при исследовании границы твердое тело - жидкость.

Еще одно следствие капиллярного эффекта - необходимость прижимать иглу кантилевера к объекту с достаточно большой силой (при радиусе кривизны кончика иглы в 20 нм давление может достигать 30 атм), что чревато деформацией поверхности или даже ее разрушением.

Все эти недостатки отсутствуют при бесконтактном методе, хотя и он не лишен минусов. При приближении иглы к объекту на расстояние около Ю А они взаимно притягиваются. В результате режим сканирования оказывается неустойчивым, так как часто происходит "залипание" кантилевера.

И в 1993 г. получил признание новый (третий) резонансный, или, как его еще называют, полуконтактный ("теппинг") метод исследований. Суть его заключается в том, что измерения проводят не неподвижным, а вибрирующим кантилевером, чьи колебания возбуждает внешний пьезогенератор. При приближении его к изучаемому объекту характер этих колебаний становится иным, причем изменение амплитуды в основном зависит от рельефа поверхности, а фаза чувствительна к ее физическим свойствам (эластичность, вязкость и др.).

Сейчас в мире всего несколько фирм, выпускающих соответствующие приборы, и одно из ведущих мест среди них занимает наше ЗАО "НТ-МДТ", основанное в 1991 г. Оно расположено на площадях ГНЦ "Государственный научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф. В. Лукина" в подмосковном Зеленограде. И это не случайно. Ведь именно тут в середине 60-х годов стало развиваться новое научное направление - молекулярная электроника(*). Как раз эта область, а затем и нанотехнология стали основными "потребителями" продукции "НТ-МДТ". Мы изготавливаем сканирующие зондовые микроскопы, не имеющие аналогов в мире, различные устройства к ним и многое другое.

Основные рабочие органы любой такой установки - сканер, измерительная головка и кантилевер. Большую роль играет и компьютер, на котором обрабатывают всю поступающую в процессе исследования информацию, выдавая ее в виде "картинки" на экран.

Сканер в зависимости от проводимой операции и величины изучаемого

--------------------------------------------------------------------------------
* См. статью "Доли микрона, увиденные в Зеленограде" в этом номере журнала (прим. ред.).

--------------------------------------------------------------------------------
образца либо перемещает последний с заданной скоростью, либо руководит движением кантилевера. Самые современные модели этих устройств имеют шаговый двигатель для грубого подвода образца, что позволяет после выхода из зоны наблюдения при необходимости возвращать его на прежнее место с точностью до десятых долей микрона. Это дает возможность проводить многодневные наблюдения одного и того же участка поверхности, скажем, при медленно протекающих процессах. А измерительные головки реализуют различные режимы работы прибора, причем помимо получения трехмерного изображения топографии поверхности со сверхвысоким разрешением (вплоть до атомарного), можно измерять более 20 различных характеристик исследуемых объектов (конкретно о них скажу ниже), а также проводить модификацию поверхности (так называемые режимы литографии).

Однако самое важное устройство современного сканирующего зондового микроскопа - кантилеверы. Свое второе рождение они пережили в 1990 г., когда для их изготовления было предложено использовать методы кремниевой микромеханики, основанные на классической микроэлектронной технологии, но с привлечением легирования, формирования окисных слоев, фотолитографических процессов. При производстве игл кантилеверов особую роль играют эффекты селективного травления, позволяющие изготавливать эти изделия практически тождественными друг другу (расхождение не превышает единиц нанометров). Балки (на них крепят иглы) заданной толщины получают либо легированием кремния бором или фосфором на заданную глубину, либо напылением пленочных структур нужной толщины.

Основными параметрами, характеризующими кантилевер и определяющими область его применения, являются жесткость и резонансные свойства, а также радиус кривизны иглы зонда, ее форма и тип покрытия (магниточувствительные и токопроводящие слои, диэлектрические характеристики и твердость). А для исследования топологии поверхности большую роль играет угол заточки иглы:

ведь у изучаемого объекта могут встретиться столь мелкие особенности рельефа (скажем, узкие и глубокие "колодцы"), что даже иглы с фантастически малым радиусом кончика - не более 1,5-2 нм (обычно 5-15 нм) - их только "заметят", но не определят глубину. Для уменьшения "мертвой зоны" на кончике иглы наращивают тонкие волоски - вискеры.

В нашей фирме это делается сильно сфокусированным электронным лучом в специальной вакуумной установке. В результате такой процедуры материал вискера соответствует аморфному углероду, т.е. он гидрофобный. При этом толщина волосков не превышает 50-100 нм, радиус кривизны их кончиков - 2-3 нм, а длина может быть запрограммированной и достигать 3 мкм (с точностью до 100 нм). В зависимости от режимов выращивания вискер имеет вид конуса, "заточенного карандаша" или "многоярусной башни". Причем, поскольку та или иная форма заранее задается, она учитывается при интерпретации результатов измерений.

Как уже говорилось, сканирующие зондовые микроскопы позволяют узнать множество характеристик материалов, но сам результат напрямую зависит от модификации игл. Так, теми, которые имеют токопроводящую поверхность, измеряют относительное распределение поверхностного сопротивления и емкости, а также электрические характеристики приповерхностных структур. Проводящими электрический ток зондами с диэлектрическим покрытием устанавливают распределение приповерхностных магнитных полей и емкости. Иглами с покрытием из высокопрочных материалов (нитрид бора, алмазоподобные покрытия и т.д.) определяют твердость поверхности. А зонды с химически модифицированной структурой выявляют и интерпретируют распределения адгезионных сил, проводят исследование однородности состава поверхности.

Приведенные выше примеры далеко не исчерпывают возможности зондовой микроскопии, но с очевидностью дают понять: для познания различных свойств объектов необходимо большое число модификаций кантилеверов. Однако для их замены нужно время, да и установить каждый очередной точно в исследуемое место просто невозможно. Вот почему мы создаем многозондовые картриджи, любой из которых включает в себя несколько десятков игл с различными покрытиями и характеристиками. Ныне наша фирма выпускает микроскопы третьего поколения (в основном серии "Солвер"). Учитывая, что сейчас на рынке востребованы зондовые приборы, предназначенные для узкоспециализированных исследований, мы на основе базовых моделей и многочисленного набора комплектующих устройств можем производить отдельные монофункциональные аппараты.

Помимо основных "обязанностей" - изучения всевозможных объектов со сверхвысоким разрешением, позволяющим видеть не только атомные решетки, но и отдельные атомы, - зондовые микроскопы способны модифицировать различные поверхности и менять их структуру с нанометровой точностью. О ювелирности подобной работы говорит то, что "нарисованные" таким образом портреты всех россиян с их биографиями уместятся на площадке размером 3х3 см.

Наша фирма, как отмечалось, - одна из ведущих в мире по разработкам в области зондовой микроскопии. На новые приборы, отдельные узлы (сканеры, измерительные головки, кантилеверы) и методы исследования нами получено около 25 патентов и авторских свидетельств.

Свыше 30 институтов и организаций России пользуются продукцией ЗАО "НТ-МДТ". Большую помощь в приобретении ее аппаратуры оказывает Министерство науки и технологий РФ. В частности, при его содействии запущен атомно-силовой микроскоп в Государственном научном центре вирусологии и биотехнологии "Вектор" (г. Кольцове, Новосибирская область). Помимо собственных исследований, здесь планируют создать региональный центр зондовой микроскопии для обслуживания всех заинтересованных организаций.

Продукцию "НТ-МДТ" покупают и многие зарубежные страны, в том числе США, Израиль, Канада, Япония, Китай, Германия и другие. И немудрено. Ведь приборы такого класса незаменимы в субмикронной электронике, микробиологии, при производстве полимеров (контроль качества и идентификация полученных материалов) в оптической промышленности. Сфера использования этих уникальных аппаратов быстро расширяется, а во многих областях им просто нет альтернативы. Скажем, определение качества глазных линз. Их поверхность контролировать довольно сложно, ибо они прозрачны, и наблюдать их нужно в водном растворе. Единственный на сегодня метод неразрушающей оценки их поверхности - зондовая микроскопия. Другое безальтернативное приложение таких микроскопов - производство цифровых видеодисков. Сейчас последние изготавливают штамповкой со специальных матриц. А поскольку матрицы делают из магнитного материала - никеля, то проверить их поверхность никакими другими методами невозможно.

Словом, сканирующие зондовые микроскопы призваны стать базовыми физическими и метрологическими инструментами XXI в.

Записал А. К. МАЛЬЦЕВ