Ближнепольная СВЧ микроскопия планарных структур

Ближнепольная (БП) микроскопия — это метод, позволяющий производить диагностику с разрешением, намного превышающим рабочую длину волны λ электромагнитного поля. Основной элемент БП микроскопа — это зонд с размером апертуры D << λ, причем величина D и определяет разрешающую способность прибора. Современные БП микроскопы СВЧ диапазона обладают микронным и субмикронным разрешением, имея D/λ ≈ 10^-5 ÷ 10^-6.

Важное направление развития БП микроскопии последнего десятилетия — получение количественной информации о характеристиках исследуемых объектов. С этой целью потребовалось разработать электродинамическую модель взаимодействия поля зонда с объектом. В ИФМ РАН построена теория БП зондирования плоскослоистой среды с произвольным профилем диэлектрической/магнитной проницаемости. В основу модели положена теория антенн малых волновых размеров и теория распространения квазистатических и волновых полей в одномерно-неоднородных средах. Точность теории продемонстрирована в экспериментах по СВЧ микроскопии тонких диэлектрических пленок (рис. 1) и жидких сред, имитирующих биологические объекты (рис. 2). В настоящее время ведутся исследования возможности практического применения метода для характеризации полупроводниковых структур с легированным поверхностным слоем. Получены первые обнадеживающие результаты по бесконтактному определению сопротивления слоя с поверхностным разрешением ~1 мм.

Рис. 1. Сдвиг резонансной частоты зонда Δf, как функция толщины d пленки SiO₂ для различных расстояний h между апертурой зонда и поверхностью образца: (1) h = 80 нм; (2) 140 нм; (3) 200 нм. Использован коммерческий микроскоп диапазона частот ~4 ГГц с разрешением ~5 мкм.

Рис. 2. Резонансная частота зонда f в зависимости от солености воды S. Зондирование производилось при плотном контакте зонда с поверхностью водной среды. БП устройство изготовлено для диапазона частот ~500 МГц с апертурой D ≈ 1 см.

Перспективное направление — разработка методов БП профилометрии плоско-неоднородных объектов. В этом направлении в ИФМ РАН разработан способ определения профиля проводимости в нано-структурированных полупроводниках. Искомый профиль восстанавливается по данным СВЧ микроскопии структур путем решения соответствующей обратной задачи, для чего создано необходимое математическое, алгоритмическое и программное обеспечение. По данным компьютерного моделирования установлено, что метод позволяет с точностью 10-15% определить проводимость в интервале 0,1-100 (Ом∙см)^-1, локализованную в слое толщиной 10-100 нм на глубине 0-1 мкм от поверхности полупроводника (рис. 3). Предложенный метод уникален в смысле его потенциальной способности осуществить профилометрию наноструктур бесконтактно и без разрушения.

Рис. 3. Восстановление профиля проводимости σ(z) легированного слоя полупроводника толщиной 20 нм на глубине 50 нм. Измерительная система включала К = 2; 3; 4 зонда диапазона частот f = 90 ГГц с апертурами D = 3; 5; 10; 15 мкм на высотах h = 80; 100; 150; 200 нм.