به نام خدا

1. به نام خدا انواع پروب های روبشی و کاربردهای آنها دانشکده مهندسی برق سعید صفرزادهکامو استاد راهنما: دکتر محمدنژاد سمیناردرسنانو الکترونیک

2. مقدمه • در سال1959دانشمندي به نام ريچاردفينمن، در یكسخنراني گفت كه مي توان25 هزار صفحه دايره المعارف را در ابعاد يک سر سوزن جا داد به شرطيمي توان به اين هدف دست پيداكردكهكارها در مقياس اتم و مولكول انجام شود و اتم ها را طوريكه خودمان ميخواهيمیكيیكيبچينيم. • تنها كافي است كه مواد پايه اي جهان ماده كه همان اتم و مولكول است را یك بار ديگر اتم به اتم و مولكول به مولكولبچينیم. • در حال حاضر هزاران دانشمند مي توانند مولكول ها و اتم ها را در آزمايشگاه ها به اندازه بزرگ ببينند.

3. 1) ميكروسكوپ نيروياتمي(AFM) • AFM دستگاهياست كهبرايبررسي خواص و ساختار سطحيمواد در ابعاد نانومتر به كار ميرود. • - محیط های قابل کارکرد AFM • داشتن محدودیت کمتر نسبت به سایر پروب ها • امكانبررسي انواع سطوح • خواص قابل اندازه گیری زیاد • استفاده از این قابلیت ها برای بررسی سطوح چند نوع سوزن در AFM

4. اجزای دستگاه AFM • يك سوزن بسيارتيز و ظريف • تیرک (cantilever) • بازويپیزو الکتریک • روکش پشت لرزانک • نحوه عملکرد AFM • به هنگام مجاورت سوزن با سطح نمونه، نيرويي به سوزن وارد مي شود. • نيرويناشي از سطح باعث خم شدن تيركمي شود. • با آگاهي از ميزانخميدگيتيرك توسط ديودهاينوري و معلوم بودن مكانانتهاييتيرك، موقعيتفضايي سوزن مشخص مي شود.

5. بر اساس محدوده عملکرد سوزن مدهای AFM به سه دسته تقسیم می شوند: • 1. تماسی • - مطابق تعريف به ناحيه اي ناحية تماس مي گويند كه نيروي بين سوزن و سطح دافعه باشد. • 2. شبه تماسی • - به ناحية بين ناحية تماسي و غير تماسي به علاوة بخش كوچكي از ناحية تماسي (حدود 4 آنگستروم تا 30 آنگستروم) ناحية شبه تماسي گويند. • 3. غیر تماسی • در این ناحیه نیروی بین نوک و • سطح از نوع جاذبه می باشد. دو مد تماسی و غیر تماسی نمونه ای از تصویر کروموزمهای انسانی تهیه شده توسط AFM

6. كاربردها • دقت بالا، عدم محدوديت در بررسي اغلب سطوح در شرايطمحيطي مختلف، عدم نياز به آماده سازي نمونه در اغلب موارد، سرعت بالاي اندازه گيري، تهيهتصاوير سه بعدي و تواناييبررسي انواع خواص سطحي • استفاده از AFM در الكترونيك ، هوا فضا ، خودروسازي، علم مواد، بيولوژي، ارتباطات از راه دور، انرژي ، داروسازي،... • دليل استفاده از AFM در حوزه هاي مختلف تكنولوژي عبارت است از: • بررسيكيفيت ساختار و خواص ادوات ساخته شده, بررسي تحولات ساختار و خواص ادوات با گذشت زمان و در شرايط مختلف, مطالعةفرآيندهاياصطكاكي, متالورژي و خوردگي ادوات

7. 2) ميكروسكوپروبشيتونلي(STM) این دستگاه برايبررسي ساختار و برخي از خواص سطوح مواد رسانا، بيولوژيككه تا حدي رسانا هستند و همچنين لايه هاينازكنارساناكهرويزيرلايه رسانا لايه نشاني شده اند، در حد ابعاد زير نانومتر، به كار مي رود. مبناياندازه گيري هندسه و خواص سطحي در ايندستگاه جريانالكتريكيبوجود آمده بین سوزن و سطح است. در تعيين خواص نقاط مختلف سطح از STM به دو صورت مستقيم و غيرمستقيم استفاده ميشود.

8. نحوه عملکرد دستگاه STM • اتصال سوزن بسيارظريف و نوكتيز رسانا به يكبازويپيزوالكتريك • تنظيممكان سوزن نسبت به سطح نمونه • اعمال اختلاف ولتاژ بينسطح نمونه و سوزن • تنظیم ارتفاع سوزن در محدوده مناسب • در اخر اندازه گیری جریان تونلی به دست آمده از سوزن به منظور تعیین خصوصیات سطح

10. 3) ميكروسكوپ نوريميدان نزديك روبشي (SNOM) اساس كار دستگاه هايميكروسكوپينوريميدان نزديك روبشيدر سال 1972 توسط Ash و Nicholls كشف شد. ايندستگاه در حقيقتبسيارشبيه دستگاه ميكروسكوپنيروياتمي (AFM) می باشد تا ميكروسكوپهاينوري. دستگاه SNOM تصويربسيارخوبي از توپوگرافي نمونه با قدرت تفكيكعموديخوبيميدهد. تفاوت دستگاه AFM و SNOM در پروب آنها برايروبش سطح مي باشد. همچنین نوك دستگاه SNOM علاوه بر تعيينتوپوگرافي سطح براي روشن كردن نمونه نيز به كارمي رود. مقایسه ای از AFM و SNOM

11. نحوه عملکرد دستگاه SNOM • عملکرد يك دستگاه SNOM همانند دستگاه AFM می باشد. • ولی در اینجا به نمونه توسط فيبر نوري، نور تابيده مي شود. • نور بازگشت شده از نمونه توسط يك فيبر ديگر جمع مي شود.

12. كاربردها • بدست آوردن قابليت بازتاب يا فتولومينسانس • اندازه گيري انتشار نور از کریستال های فوتونیک • هدايت امواج در ساختارهاي ليزري • تهيه تصاوير با قدرت تفكيك بالا از سلول ها • بررسي ساختار فازها در پليمرهاي لايه اي • بررسي ساختار داخلي ژل هاي پليمري • شكل دهي پليمر توسط ميكروسكوپ نوري ميدان – نزديك • اسپكتروسكوپي تك مولكول ها توسطSNOM

13. 4) ميكروسكوپ الكتروني روبشي SEM در ميكروسكوپ الكتروني روبشي SEM نيز مانندTEM يك پرتو الكتروني به نمونه مي تابد. منبع الكتروني (تفنگ الكتروني) معمولاً از نوع انتشار ترمويونيكي فيلامان يا رشته تنگستني است. اما استفاده از منابع گسيل ميدان براي قدرت تفكيك بالاتر، افزايش يافته است. معمولاً الكترون ها بينKev 30-1 شتاب داده مي شوند, سپس دو يا سه عدسي متمركزكننده پرتو الكتروني را كوچك مي كنند، تا حدي كه موقع برخورد با نمونه قطر آن حدوداً بين 2-10 نانومتر است. تصویری از دستگاه SEM و اجزای آن

14. نحوه کار SEM • مواد غيرهادي معمولاً با لايه نازكي از كربن، طلا يا آلياژ طلا پوشش داده مي شوند. • نمونه ها بايد عاري از مايعاتي با فشار بخار بالا باشند. • معمولاً نمونه هايي به بزرگي15 تا20 سانتي متر را مي توان در ميكروسكوپ قرار داد. • کاربرد های SEM • تصويرگرفتن از سطوح در بزرگنمايي 10 تا 105برابر با قدرت تفكيك در حد 3 تا 100 نانومتر • كنترل كيفيت و بررسي عيوب قطعات نيمه هادي • بررسي نمونه هاي متالوگرافي، در بزرگنمايي بسيار بيشتر از ميكروسكوپ نوري • بررسي مقاطع شكست و سطوح حكاكي عميق • ارزيابي جهت كريستالوگرافي اجرايي نظير دانه ها • بررسي قطعات نيمه هادي براي آناليز شكست، كنترل عملكرد و تأييد طراحي نمونه ها

15. 5) ميكروسكوپ الكتروني محيطي ESEM به دلیل برخی محدودیت های SEMاز میکروسکوپ الکترونی محیطی استفاده می شود. ميكروسكوپ الكتروني محيطي نيز مانند تمامي انواع ميكروسكوپ هاي الكتروني داراي يك منطقه خلأ براي توليد و متمركز كردن پرتو الكتروني مي باشد که همیشه در فشار پایین قرار دارد. به علاوه يك منطقه با فشار بالا (بيش از60 kpa ) مورد نياز است. اين دو ناحيه بايد به نحو مطلوب و توسط يك تكنيك ويژه از يكديگر مجزا گردند. اين كار يا توسط فيلم هاي پنجره عبور الكترونو يا توسط دريچه هاي كوچك محدود كننده فشار(pressure-limiting aperture, PLA) انجام مي پذيرد.

16. اجزا و نحوه عملکرد • حداقل دو دريچه براي محدودكردن مؤثر فشار ايجاد شده در ستون الكترون اپتيكي مورد نياز مي باشد. • جريان گاز از ميان PLA1 از طريق سيستمي از لوله ها و پمپ ها به بيرون پمپ مي شود و فقط بخش كوچكي از گاز از طريقPLA2 نشت ميكند. بقيه پمپ ها و سوپاپ ها براي نگه داشتن فشار مورد نياز در محفظه نمونه و همچنين براي تسهيل انتقال نمونه به داخل و خارج از سيستم به كار گرفته مي شوند. • تا يك فاصله مشخص در داخل گاز، يك پرتو متمركز شده مناسب وجود دارد و اگر يك نمونه به اين محدوده منتقل شود يا در اين منطقه وجود داشته باشد، مي تواند مورد مطالعه قرار گيرد.

17. 6. میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) ميكروسكوپ الكتروني عبوري يكي از مهم ترين و پركاربرد ترين دستگاه ها است. اين روش اندازه و شكل ذرات را با دقت حدود چند دهم نانومتر به دست مي دهد كه به نوع ماده و دستگاه مورد استفاده بستگي دارد. علاوه بر تعيين شكل و اندازة ذرات به وسيلة ميكروسكوپ الكتروني عبوري برخي ويژگي هاي ديگر مواد نانوساختاري مانند ساختار بلوري و تركيب شيميايی را نيز مي توان بدست آورد. در این روش از گسیل پرتو الکترونی برای تعیین ویژگی های ماده استفاده می کنند. پرتو الكتروني به روش هاي مختلفي توليد مي شود كه از مهم ترين آنها مي توان به گسيل ترمويونيك (Thermoionic Emission) و گسيل ميداني اشاره كرد. باریکه تولید شده با برخورد به سطح ماده و بازگشت این پرتو خواص ماده را مشخص می کند.

18. 7. طیف سنجی الکترون اوژه طيف سنجي الكترون اوژه يك روش آناليز استاندارد در فيزيك سطح و فصل مشترك ها است. اتمي بودن سطح نمونة مورد مطالعه و خلاء فوق بالا از ضروريات اين روش مي باشد. ساير زمينه هاي مهم استفاده از اين روش عبارتند از مطالعة روند رشد لايه و تركيب شيميايي سطح (تحليل الكتروني) و همچنين آناليز در راستاي عمق نمونه. در فرآيند طيف سنجي AES تحريك الكترون ها توسط باريكه اي از الكترون هاي فرودي كه از يك تفنگ الكتروني بيرون مي آيند انجام مي شود. در نتيجة فرآيند اوژه، الكترون هاي ثانويه اي با توزيع انرژي نسبتاً تيز بدست مي آيند. به دليل محدوديت درعمق فرار الكترون هاي اوژه، اين روش، يك روش آناليز حساس به سطح است. اصول کار به این صورت است که یک باريكه الكترون فرودي اوليه با يونيزاسيون تراز هسته اي L يا k و بيرون انداختن يك الكترون، يك حفره در آن تراز ايجاد مي كند. الكترون فرودي و الكترون تراز هسته اي، اتم را با انرژي نامعلومي ترك مي كنند.در نتيجه ساختار الكتروني اتم يونيزه شده بازآرايي مي شود

19. 8. باریکه یونی متمرکز (FIB) اين دستگاه بيشتر شبيه دستگاه ميكروسكوپي الكتروني روبشی عمل می کند. با این تفاوت که در دستگاه های FIB به جاي اشعه الكتروني از اشعه يون هاي گاليم استفاده مي شود. با برخورد اشعه به سطح نمونه اتم های سطحی به صورت یون های مثبت و منفی یا به صورت اتم های خنثی از سطح جدا می شوند. از سيگنال هاي ناشي از يون هاي خارج شده از سطح و يا الكترون هاي ثانويه براي تصوير برداري استفاده مي شود. همچنین در نمونه های نارسانا از یک تفنگ الکترونی کم انرژی استفاده می شود. تا به امروز بيشترين كاربرد دستگاه FIB در صنعت نيمه هادي بوده است. برخي از اين كاربردها عبارتند از : آناليز عيوب، بهسازي مدار، تعمير ماسك ها و آماده سازي نمونه هاي TEM

20. قابليتهايدستگاهFIBدرنيمه هاديهاومهندسيمواد 1- زدایش به كمك گازهاي XeF و XeCl 2- رسوب دهي فلزات 3- ماشين كاري مواد تا قدرت تفكيك چند ده نانومتر 4- تصويرگيري از سطوح با استفاده از الكترون ها و يون هاي ثانويه 5- تصويرگيري از كنتراست دانه ها بدون زدایش ماده 6- بررسي وضعيت شيميايي سطوح به خصوص در مطالعات خوردگي 7- مقطع زني و تصوير برداري از سطوح

21. جدول مقایسه برخی پروب های روبشی

22. با تشکر از توجه شما