Дряхлушін В. Ф. Інститут фізики мікроструктур РАН, МСП-105, Н. Новгород-603950, Росія Тел.: (8312) 675535; e-mail: dvf (8> jpm.sci-nnov.ru

Анотація В роботі наведено огляд останніх досягнень в області скануючої бліжнепольной оптичної мікроскопії, спектроскопії і нанолітографії. Показана можливість отримання зображення різних напівпровідникових, мікроелектронних і мікробіологічних структур з роздільною здатністю, істотно перевищує дифракційний межа. Розглянуто можливості вивчення локальних енергетичних і геометричних властивостей поверхні зразка концентрації, дифузійних довжин і спектра носіїв заряду, картування випромінюючих поверхонь напівпровідникових лазерів, поширення та перетворення поверхневих плазмонів з дозволом <100 нанометрів. Досліджено методи створення різних латеральних об’єктів з розмірами <30 50 нанометрів за допомогою бліжнепольной оптичної нанолітографії.

Можливості оптики в отриманні зображення з високою роздільною здатністю визначаються дифракційним межею і не можуть перевищувати 1.22 Х/2п (X довжина хвилі світла, п показник заломлення). Створення скануючого електронного мікроскопа (СЕМ) дозволило лише частково вирішити дану проблему, так як він може бути застосований лише для дослідження проводять зразків і для його роботи необхідний високий вакуум, що створює Складність для деяких застосувань. Кардинальний крок у дослідженні фізичних явищ був зроблений двадцять років тому створенням принципово нових ізображательних систем, заснованих на детектуванні і використанні нерадіаційних полів: скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), атомно-силового мікроскопа (ACM), скануючого бліжнепольного оптичного мікроскопа (СБОМ) і ряду інших. Скануючий бліжнепольний оптичний мікроскоп був запропонований і реалізований незабаром після створення скануючого тунельного мікроскопа [1,2]. Принцип роботи СБОМ, як і інших скануючих зондових мікроскопів, полягає в скануванні поверхні зразка джерелом (або приймачем) оптичного випромінювання з розмірами, багато меншими довжини хвилі світла, на малій відстані від поверхні (в ближній зоні випромінювання). Відмінною особливістю СБОМ в порівнянні з СТМ і ACM є необхідність незалежної системи підведення і утримання зонда поблизу поверхні, тому, як правило, СБОМ комбінується спільно з ACM, який забезпечує утримання зонда поблизу поверхні так званим “shearforce” методом [3]. Це ускладнює і здорожує СБОМ, але, з іншого боку, дозволяє одночасно отримати СБОМі АСМ-зображення, що дає більш повну інформацію про поверхню зразка.

Поступаючись СТМ і ACM в дозволі, СБОМ має свою область застосування в наукових дослідженнях. Крім отримання оптичного зображення з високою роздільною здатністю, це насамперед локальна оптична спектроскопія мікроелектронних, мікробіологічних і напівпровідникових об’єктів і модифікація поверхні для надщільний запису інформації і нанолітографії. Детально різні конструкції СБОМ описані в огляді [4].

Особливий інтерес представляє скануючий безапертурний інтерференційний мікроскоп (СБІМ), який дозволяє отримати зображення з роздільною здатністю до 1 нанометра [5]. Його принцип роботи полягає у вимірюванні інтерференції опорної хвилі і оптичної хвилі, відбитої від зонда ACM. Для даного методу необхідно вимір фази з украй високою точністю (до 10 ‘7 рад / гц1/2) І дуже складна система виділення сигналу. Здається, з цієї причини СБІМ не знайшов широкого застосування, незважаючи на чудові результати, отримані з його допомогою.

СБОМ дозволив радикально поліпшити дозвіл оптичного зображення. В даний час з його допомогою отримано дозвіл до 12 нм (Х/43) [6], що істотно перевищує дифракційний межа. Це дозволило отримати оптичне зображення широкого класу об’єктів (великих органічних молекул, вірусів, окремих елементів приладів мікро наноелектроніки), що неможливо методами звичайної оптики. Розвиток бліжнеполной оптики стало причиною виникнення нових областей наукових досліджень локальної спектроскопії та локальної модифікації поверхні з дозволом 30100 нанометрів.

Локальна модифікація поверхні за допомогою СБОМ (NF-lithography) може знайти застосування в надщільний запису інформації та створення приладів наноелектроніки. Пряма бліжнепольная оптична літографія з використанням фоторезиста дозволяє отримати малюнок з мінімальним розміром тільки ~ 100 нм [7] внаслідок швидкого зменшення коефіцієнта проходження оптичного випромінювання через зонд ~ а6 (А апертура зонда). На нашу думку, більш цікаві результати були отримані при прямому взаємодії випромінювання, що виходить з зонда СБОМ, з поверхнею деяких зразків. В [8] досліджено можливість реверсивної запису і зчитування інформації з допомогою малих магнітооптичних доменів. Фазові зміни в плівці напівпровідника GeSbTe при фототерміческая впливі були розглянуті в [9]. Найменший розмір біта інформації, отриманий в цьому експерименті, був рівний 60 нм, що відповідає щільності запису ~ 170 Gb / in2. Інший метод виготовлення нанометрових елементів за допомогою бліжнепольной літографії (NF lithogrtaphy), призначений для створення приладів наноелектроніки, запропонований в [10]. Метод включає нанесення тонкоплівкового двошарового захисного покриття полімер метал, непластіческую деформацію верхнього шару металу нагрітим зондом СБОМ, перенесення малюнка через полімер на поверхню зразка методом сухого травлення і створення різних нанометрових елементів через виготовлену таким чином маску. Метод дозволяє створювати довільний малюнок (у вигляді витравлених в поверхні ямок, канавок, металевих, діелектричних точок, ліній або їх комбінації) на поверхні різних зразків. Показана можливість створення латеральних елементів з характерними розмірами 30 50 нм.

Інша область наукових досліджень, що виникла на основі СБОМ скануюча бліжнепольная оптична спектроскопія є надзвичайно корисним інструментом для дослідження локальних властивостей фізичних, мікробіологічних і хімічних об’єктів з роздільною здатністю <100 нм. В мікробіології метод застосований для дослідження властивостей одиночних вірусів, нейронів, великих органічних молекул. Зокрема, їх поляризація і флуоресценція вивчені в [11]. Привабливою є можливість локальної модифікації одиночних мікробіологічних об’єктів або їх елементів, тобто генна інженерія. Кілька чудових результатів були отримані за допомогою СБІМ [5] при дослідженні окремих органічних молекул і вірусів, де досягнуто дозвіл <5 нм [12].

СБОС надає унікальні можливості для дослідження напівпровідникових нанооб’єктів: квантових ям [13], ниток [14] і точок [15]. Іноді це метод використовується в поєднанні з піко [16] і фемтосекундного [17] технікою. Досліджено енергетичні спектри одиночних квантових нанооб’єктів, часи і довжини дифузії неосновних носіїв заряду, емісія і транспорт екситонів. Показана можливість отримання більш повної інформації при проведенні вимірювань одночасно в «illumination» і «collection» модах. Вивчено спектроскопія електронного газу, що знаходиться під затвором польового транзистора. Цікаві результати отримані при створенні точкового (<100 нм) джерела терагерцевого випромінювання при змішанні двох близколежащих мод напівпровідникового інфрачервоного лазера [18]. Джерелом нелінійності при змішуванні частот був арсенід галію, на який було направлено випромінювання. За допомогою такого точкового джерела було проведено зондування польових транзисторів. Іншим методом вивчення наноструктур є бліжнепольная фотопровідність, в якому зонд СБОМ сканує вздовж відколу структури, локально збуджуючи носії заряду. [19]. Метод дозволяє виміряти енергетичні (при зміні довжини хвилі зондуючого випромінювання) і геометричні параметри гетероструктури, а також дифузійну довжину неосновних носіїв заряду. Важливою для практичного застосування є можливість картування випромінюючих поверхонь напівпровідникових лазерів [20, 21]. Експерименти проводилися як на звичайних лазерах, так і на лазерах з вертикальним резонатором. Метод дає можливість знайти просторове і спектральний розподіл мод випромінювання в ближній зоні, визначити дефекти напівпровідникової гетероструктури. Зазначимо також можливість прямого спостереження розсіювання та генерації другої гармоніки [22] поверхневих плазмонів, що поширюються вздовж шорсткої поверхні.

Ключовим елементом СБОМ є його зонд. Його апертура визначає дозвіл мікроскопа, оптична потужність, яку випромінює зондом, визначає можливість його застосування для модифікації поверхні і спектроскопії з високим просторовим дозволом.

Існує кілька видів зондів СБОМ. Найбільш перспективним і широко поширеним є зонд на основі адіабатично звуженого одномодового оптичного волокна, покритого тонкою металевою плівкою і має малу апертуру на його вістрі [23,24]. Одномодового оптичного волокна необхідна для ефективного перетворення його фундаментальної моди нец в моду ТЕЦ циліндричного металевого хвилеводу, що має найменший критичний діаметр.

В даний час отримані зонди СБОМ з коефіцієнтами проходження оптичного випромінювання: 10 ‘2 10′3 для зеленого світла (Х = 0.48 0.56 мкм),

5-10′3 5-10′4 для червоного світла (Х = 0.60 0.68 мкм), 2-10 ‘3 2-10′4 для інфрачервоного світла (Х = 0.78 1.05 мкм).

Максимальна потужність оптичного випромінювання, що вводиться в зонд, дорівнює кільком мілліватт. Це дозволяє створити щільність потужності оптичного випромінювання в локальній області під зондом близько 104 Вт / см2.

Основною метою вдосконалення конструкції зондів СБОМ є поліпшення їхнього дозволу і коефіцієнта проходження оптичного випромінювання. Перший параметр визначає можливість отримання зображення з меншим дозволом, другий можливості застосування СБОМ для локальної спектроскопії та модифікації поверхні. Одночасне покращення цих параметрів може бути досягнуто в зондах на основі поверхневих плазмонов, [25], або в зондах на основі двопровідних ліній передач світла (коаксіалом і мікрополосков) [21].

Основним недоліком використовуваних в даний час зондів є наявність в сужающемся металевому хвилеводі позамежної області, де випромінювання експоненціально затухає. У ряді робіт запропоновані й реалізовані альтернативні конструкції зондів СБОМ на основі двопровідних ліній передачі. Відомо, що двохпровідні лінії передачі, включаючи микрополосковой лінію і коаксіал, не мають частоти відсічення для основної моди випромінювання, що повинно значно збільшити проходження оптичного випромінювання через зонд.

Очевидно, що роботи по створенню та вдосконаленню зондів СБОМ будуть продовжені. У даній роботі ми хочемо підкреслити важливість і актуальність цієї проблеми і вказати найбільш перспективні, на наш погляд, напрямки досліджень.

Таким чином, в огляді показані нові унікальні можливості створення, метрології та вивчення напівпровідникових, мікроелектронних і мікробіологічних структур. Необхідно відзначити, що бліжнепольная спектроскопія і нанолітографії виникли лише в середині 90-х років, йде пошук нових апаратних і фізичних рішень для створення та дослідження різних наноструктур і, очевидно, в найближчому майбутньому будуть отримані нові цікаві результати.

Робота виконана за підтримки РФФД, грант № 03-02-17321.

Список літератури

1. G. Bednorz, W. Denk, М. Lanz, D. W. Pohl. Eur. Patent no.

0      112 401, 1982, Int. Cl. H01J/14.

2.    D. W. Pohl, W. Denk, M. Lanz. Appl. Phys. Lett., v. 44,p.

651 (1984).

3.    E. Betzig, P. L. Finn, J. S. Weiner. Appl. Phys. Lett., v. 60, p. 2484 (1992).

4.    D. Courjon, C. Bannier. Rep. Prog. Phys., v. 57, p. 989 (1994).

5.    F. Zenhausern, Y. Martin, H. K. Wickramasinghe. Science, v. 269, p. 1083 (1995).

6. E. Betzig, J. К. Trautman, T. D. Harris, J. S. Weiner,

R. L. Kosteiak. Science, v. 251, p. 1468 (1991).

7. С. C. Davis, W. A. Ada, A. Gungor, D. L. Mazzoni,

S.    Pilevar, 1.1. Smolyaninov. Laser Phys. V. 11, p. 243 (1997).

8.    E. Betzig, J. K. Trautman, R. Wolfe E. M. Gyorgy,

P. L. Finn, М. H. Kryder, С. H. Chang. Appl. Phys. Lett., V. 61, p. 142 (1992).

9.    S. Hosaka, A. Kikukawa, H. Koyanagi, M. Miyamoto, K. Nakamura, K. Etoh. Nanotechnology, v. 8, p. A58 (1997).

10.  V. F. Dryakhlushin, A. Yu. Klimov, V. V. Rogov et al. Nanotechnology, v. 11, p. 188 (2000).

11.  R. Uma Maheswari, H. Tatsumi, Y. Katayama, M. Ohtsu. Opt. Comm., v. 120, p. 325 (1995).

12.  Y. Martin, F. Zenhausern, H. K. Wickramasinghe.

Appl. Phys. Lett., v. 68, p. 2475 (1996).

13. P. A. Crowell, D. K. Young, S. Keller, E. L. Ні,

D. D. Awschalom. Appl. Phys. Lett., v. 72, p. 927 (1998).

14.  T. Guenther, V. Emiliani, F. Intonti, C. Lienau, T. Elsaesser. Appl. Phys. Lett., v. 75, p. 3599 (1999).

15.  A. Chaves-Pirson, J. Temmyo, H. Kamada, H. Gotoh,

H.Ando. Appl. Phys. Lett., v. 72, p. 3494 (1998).

16.  A. Richter, M. Subtitz, D. Heinrich, Ch. Lienau,

T. Elsaesser, M. Ramsteiner, R. Notzel, К. H. Ploog. Appl. Phys. Lett., V. 73, p. 2176 (1998).

17.  M. S. Unlu,B. B. Goldberg, W. D. Herzog, D. Sun, E. Towe. Appl. Phys. Lett., v. 67, p. 1862 (1995).

18. М. E. AH, K. Geary, H. L. Fetterman et al. IEEE Microwave and Wireless Comp. Lett., V. 12, no. 10, p. 369 (2002).

19. W. D. Herzog, M. S. Unlu, В. B. Goldberg, J. H. Rhodes,

C. Harder. Appl. Phys. Lett., v. 70, p. 688 (1997).

20.  J. Kim, J. T. Boyd, H. E. Jackson, K. D. Choquette.

Appl. Phys. Lett., v. 76, p. 526 (2000).

21. В. Ф. Дряхлушін, А. Ю. Климов, В. В. Рогов,

Д. О. Філатов, А. В. Круглов. Поверхня, т. 15, № 11, с. 64 (2000).

22. /. I. Smolyaninov, D. L. Mazzoni, J. Mait, С. С. Davis.

Phys. Rev. В, v. 56, p. 1601 (1997).

23.  G. A. Valaskovich, M. Holton, G. H. Morrison. Appl. Optics, v. 34, p. 1215(1995).

24.  V. F. Dryakhlushin, A. Yu. Klimov, V. V. Rogov, S. A. Gusev. Instrum, and Experim. Techniques,v. 41, no. 2, p. 138 (1998).

25.  V. S. Gurevich, M. N. Libenson. Ultramicroscopy, v. 57, p. 277 (1995).

SCANNING NEAR-FIELD OPTICAL MICROSCOPY, SPECTROSCOPY AND NANOLITHOGRAPHY

Dryakhlushin V. F.

Institute for Physics of Microstructures, RAS, GSP-105, Nizhny Novgorod, Russia, 603950 phone +7 (8312) 675535 e-mail: dvf@ipm.sci-nnov.ru

Abstract A review of the latest developments in the scanning near-field optical microscopy, spectroscopy and nanolithography is presented. The possibility of obtaining images of different semiconductor, microelectronic and microbiology structures with the resolution exceeding the diffraction limit is shown. The investigation of local energy and geometry properties of sample surfaces is discussed, including concentration, diffusion length and carrier charge spectra, mapping of the emitting surfaces of semiconductor lasers, near-field photoconductivity, propagation and transformation of surface plasmons at the resolution below 100nm. Techniques of fabricating objects with <30-50nm dimensions are discussed.

The potential of conventional optics is determined by the diffraction limit and cannot exceed 1,22XI2n (X being the wavelength of light, n refraction index). A major leap forward in the perception of physical phenomena occurred twenty years ago with the advent of a new generation of imaging systems based on the detection and utilization of non-radiating fields: scanning tunneling microscope (STM), atomic-force microscope (AFM), scanning

near-field optical microscope (SNOM) and others. The SNOM was designed shortly after the introduction of the STM [1,2].

A distinguishing feature of the SNOM compared to the STM and AFM is that the probe has to be driven to and fixed near the surface using a separate system, which explains why SNOMs are usually combined with AFMs to keep the probe by the so-called ‘shear force’ method [3]. The SNOM design is therefore more complicated but, on the other hand, it offers simultaneous AFM and SNOM imaging providing a fuller coverage of sample surfaces.

While being inferior to STMs and AFMs in terms of resolution, SNOMs have their own specific areas of application in scientific research: high-resolution optical imaging, as well as local optical spectroscopy of microbiological and semiconductor objects and surface modification for superhigh-density data recording and nanolithography.

SNOMs have radically improved the resolution of optical images. At present, the highest resolution obtained approaches 12nm (A/43) [6], which greatly exceeds the diffraction limit. This allowed for optical images of a wide variety of objects (large-size organic molecules, viruses, elements of microand nanoelectronic devices, etc.) to be obtained, which was impossible with conventional techniques. The near-field optics development gave rise to new areas of research, i. e. local spectroscopy and local surface modification with a 50-1 OOnm resolution.

SNOM-aided local surface modification (NF-lithography) may find applications in superdense optical data recording and in the development of nanoelectronic devices. Direct near-field optical lithography utilizing photoresist allows for patterns with a minimal size of just ~100nm to be obtained [7] due to a rapid, ~ a6 (where a is the aperture diameter), reduction in the ratio of the optical radiation transmission through a probe. In our opinion, more exciting results have been obtained from direct interactions between the optical radiation emitted from a SNOM probe and the surface of certain samples. A possibility of reverse data recording and reading by using small-scale magneto-optical domains [8] has been investigated. S. Hosaka et al. [9] studied phase changes in semiconductor GeSbTe films. In this experiment, the smallest bit size was 60nm, which corresponded to the data recording density of ~170Gb/in2. Another technique of nm design using the NF lithography intended mainly for the nanoelectronic devices fabrication is proposed in

[10]    . This technique is applicable to any materials capable of forming different nanometer objects (both metal and dielectric) on their surfaces. A possibility of fabricating 30-50nm lateral elements has been shown.

Another research area that emerged with the advent of SNOMs scanning near-field optical spectroscopy (SNOS) has proved to be a highly useful tool for investigating local properties of physical, microbiological and chemical objects with a resolution of <100nm. In microbiology, this tool offered an insight into the properties of single viruses, neurons, and large organic molecules; in particular, their polarization and fluorescence have been studied in [11]. Local modifications of single microbiological objects or their elements, i. e. genetic engineering, seems very promising.

SNOSs provide unique opportunities for investigating semiconductor nanoobjects: quantum wells, wires and dots [13-15]. Sometimes this method is used in combination with the picoand femtosecond techniques [16, 17]. The energy spectrum of single quantum nanoobjects, the diffusion times and lengths of minor carriers, emission and transport of exitons have been studied. Another method of nanostructures studies is the nearfield photoconductivity in which a SNOM probe scans along a chip in a structure locally exciting the charge carriers, which is recorded by measuring the current flow through the structure [19]. The energy and geometry parameters of heterostructures, as well as diffusion lengths of excited minor current carriers may be measured with this technique. An important capability in terms of practical application is mapping the emitting surfaces of semiconductor lasers [20]. The experiments have been conducted both for the conventional and for the vertical cavity surface emitting lasers. This technique enables high space/spectral resolution investigation of the near-field radiation map, and allows for the detection of defects in a semiconductor heterostructure. Also noteworthy is a possibility of directly observing the scattering and generation of the second harmonic of surface plasmons propagating along rough surfaces [21].

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.