ГлавнаяКонтактыКарта сайта
ЕПОС
О компанииКомпьютерная криминалистикаВосстановление информацииЗащита информацииПроизводство и ITСервисНаши разработки

Расследование инцидентов, компьютерная криминалистика, информационная безопасность

Книжная серия Взгляд на жесткий диск изнутри




Архив статей


29.07.2002
Методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования поверхностей накопителей информации и восстановления данных

Сергей Коженевский, генеральный директор компании «ЕПОС»
Сергей Прокопенко, редактор корпоративного сайта «ЕПОС»

Лучше один раз увидеть...
А еще лучше - пощупать.

Народный ЕПОС

Введение

 

Последнее десятилетие отмечено быстрым ростом емкости накопителей информации и, соответственно, плотности записи. По данным компании IBM, поверхностная плотность записи на жесткие магнитные диски увеличилась со 100Мб/кв.дюйм в начале 90-х гг. до 20Гб/кв.дюйм в современных массовых винчестерах и продолжает неуклонно расти. При такой плотности записи размеры одного бита составляют всего 0,052 мкм в длину и 0,62 мкм в ширину. Кроме того, появляются и новые технологии записи информации, все более и более "ужимающие" размеры бита. Так, диски Blu-Ray диаметром 12 дюймов и объемом 27Гб, использующие оптическую запись синим лазером, имеют длину одного пита 0,138 мкм (для сравнения - длина пита обычного компакт-диска 1,6 мкм). Но настоящим прорывом в плотности записи информации может стать анонсированная все той же IBM технология Millipede. Используя принципы считывания, подобные перфокартам или виниловым пластинкам, она обещает довести плотность записи до 1Тб/кв.дюйм. Диаметр ячейки хранения составит в этом случае всего 10нм.

Новые технологии с переходом в область субмикронных и нанометровых масштабов требуют соответствующего диагностического инструментария, позволяющего обеспечивать контроль параметров и диагностику рабочих поверхностей и других элементов накопителей. Изобретенные сравнительно недавно методы сканирующей микроскопии позволяют работать с субмикронными и даже атомарными разрешениями, обеспечивая высокую скорость и точность измерений. Поэтому неудивительно, что в настоящее время они широко используются для исследования, диагностики и модификации поверхностей, в том числе и рабочих поверхностей носителей записи.

Эта обзорная статья посвящена принципам построения и работы сканирующих микроскопов, а также их применению для визуализации поверхностей различных носителей информации.

Сканирующая зондовая микроскопия: теоретические основы

Несмотря на многообразие видов и применений современных сканирующих микроскопов, в основе их работы заложены схожие принципы, а их конструкции мало различаются между собой. На рис. 1 изображена обобщенная схема сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).


Рис.1 Обобщенная структурная схема сканирующего зондового микроскопа

Принцип его работы заключается в следующем. С помощью системы грубого позиционирования измерительный зонд подводится к поверхности исследуемого образца. При приближении образца и зонда на расстояние менее сотен нм последний начинает взаимодействовать с поверхностными структурами анализируемой поверхности. Перемещение зонда вдоль поверхности образца осуществляется с помощью сканирующего устройства, которое обеспечивает сканирование поверхности иглой зонда. Обычно оно представляет собой трубку из пьезокерамики, на поверхность которой нанесены три пары разделенных электродов. Под действием приложенных к пьезотрубке напряжений Ux и Uy она изгибается, обеспечивая тем самым перемещение зонда относительно образца по осям X и Y, под действием напряжения Uz - сжимается или растягивается, что позволяет изменять расстояние игла-образец.

Датчик положения зонда непрерывно отслеживает позицию зонда относительно образца и через систему обратной связи передает данные о ней в компьютерную систему, управляющую движением сканера. Для регистрации сил взаимодействия зонда с поверхностью обычно используют метод, основанный на регистрации отклонения луча полупроводникового лазера, отраженного от кончика зонда. В микроскопах такого типа отраженный пучок света падает в центр двух- или четырехсекционного фотодиода, включенного по дифференциальной схеме. Дифференциальный метод регистрации отклонения отраженного лазерного луча позволяет регистрировать отклонение консоли величиной всего 10-2 нм. Компьютерная система служит, кроме управления сканером, также для обработки данных от зонда, анализа и отображения результатов исследования поверхности.

Как видим, структура микроскопа довольно проста. Основной интерес вызывает взаимодействие зонда с исследуемой поверхностью. Именно тип взаимодействия, используемый конкретным сканирующим зондовым микроскопом, определяет его возможности и сферу применения.

Первым прототипом СЗМ стал сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), изобретенный в 1981г. учеными исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе Герхардом Биннигом и Хайнрихом Рёрером. С его помощью впервые были получены реальные изображения поверхностей с атомарным разрешением, в частности реконструкция 7х7 на поверхности кремния (рис. 2).


Рис.2 STM изображение поверхности монокристаллического кремния. Реконструкция 7 х 7

Как видно из названия, одним из основных элементов сканирующего зондового микроскопа является зонд. В СТМ в его качестве используется острая проводящая игла, закрепленная на гибкой консоли (рис. 3).

 

Рис. 3. а - промышленная консоль; б - острие иглы.

 

Если между иглой и образцом приложить напряжение смещения, то при приближении острия иглы к образцу на расстояние порядка 1 нм между ними возникает ток туннелирования, величина которого зависит от расстояния "игла-образец", а направление - от полярности напряжения (рис. 4). При удалении острия иглы от исследуемой поверхности туннельный ток уменьшается, а при приближении - возрастает. Таким образом, используя данные о туннельном токе в некотором множестве точек поверхности, можно построить изображение топографии поверхности.


Рис. 4. Схема работы сканирующего туннельного микроскопа

В зависимости от измеряемого параметра - туннельного тока или расстояния между иглой и поверхностью - возможны два режима работы сканирующего туннельного микроскопа. В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется в зависимости от расстояния до него (рис. 5а). Информационным сигналом в этом случае является величина тока туннелирования, измеренная в каждой точке сканирования поверхности образца. На основе полученных значений туннельного тока строится образ топографии.


Рис. 5. Схема работы СТМ: а - в режиме постоянной высоты; б - в режиме постоянного тока

В режиме постоянного тока система обратной связи микроскопа обеспечивает постоянство тока туннелирования путем подстройки расстояния "игла-образец" в каждой точке сканирования (рис. 5б). Она отслеживает изменения туннельного тока и управляет напряжением, приложенным к сканирующему устройству, таким образом, чтобы компенсировать эти изменения. Другими словами, при увеличении тока система обратной связи отдаляет зонд от образца, а при уменьшении - приближает его. В этом режиме изображение строится на основе данных о величине вертикальных перемещений сканирующего устройства.

Оба режима имеют свои достоинства и недостатки. В режиме постоянной высоты можно быстрее получить результаты, но только для относительно гладких поверхностей. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.

Имея высокую чувствительность, сканирующие туннельные микроскопы дали человечеству возможность увидеть атомы проводников и полупроводников. Но в силу конструктивных ограничений, на СТМ невозможно получить изображение непроводящих материалов. Кроме того, для качественной работы туннельного микроскопа необходимо выполнения ряда весьма строгих условий, в частности, работы в вакууме и специальной подготовки образца. Таким образом, хотя и нельзя сказать, что первый блин Биннига и Рёрера получился комом, но продукт вышел немного сыроват.

Прошло пять лет и Герхард Биннинг совместно с Калвином Куэйтом и Кристофером Гербером изобрели новый тип микроскопа, названный ими атомно-силовым микроскопом (АСМ), за что в том же 1986г. Г. Бинниг и Х. Рёрер были удостоены Нобелевской премии в области физики. Новый микроскоп позволил обойти ограничения своего предшественника. С помощью АСМ можно получать изображения поверхности как проводящих, так и непроводящих материалов с атомарным разрешением, причем в атмосферных условиях. Дополнительным преимуществом атомно-силовых микроскопов является возможность наряду с измерениями топографии поверхностей визуализировать их электрические, магнитные, упругие и др. свойства.

Возникает вопрос: чем же это достигается? В основе работы атомно-силовых микроскопов лежит использование различных видов силового взаимодействия зонда с поверхностью, а не эффекта туннелирования.

На рис. 6 схематически представлена кривая зависимости межатомной силы от расстояния между острием иглы и образцом. По мере приближения иглы к поверхности атомы иглы начинают все сильней притягиваться к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока атомы не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем.


Рис. 6. Зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между острием и образцом

Силы взаимодействия зонда с поверхностью разделяют на короткодействующие и дальнодействующие. Короткодействующие силы возникают на расстоянии порядка 1-10A при перекрытии электронных оболочек атомов острия иглы и поверхности и быстро падают с увеличением расстояния. В короткодействующее взаимодействие с атомами поверхности вступает только несколько атомов (в пределе один) острия иглы. При получении изображения поверхности с помощью этого типа сил АСМ работает в контактном режиме.

Возникновение дальнодействующих сил обусловлено ван-дер-ваальсовым, электростатическим или магнитным взаимодействием. Такие силы характеризуются более слабой зависимостью от расстояния и проявляются при величине зазора игла - образец от единиц до нескольких тысяч ангстрем. Существенно, что в дальнодействующее взаимодействие в силу его сравнительно слабого спада с увеличением расстояния вносят вклад значительное число атомов, образующих острие иглы зонда. Исследование поверхности при использовании дальнодействующих сил производится в бесконтактном режиме.

В зависимости от типа взаимодействия АСМ может работать в одном из следующих режимов. В контактном режиме (соответствует области отталкивания на графике межатомных сил) зонд прижимается к образцу и его отклонение вызвано взаимным отталкиванием атомов острия иглы и поверхности в результате перекрывания их электронных оболочек и кулоновского отталкивания ядер. В бесконтактном режиме (соответствует области притяжения на графике межатомных сил) АСМ отслеживает притягивающие ван-дер-ваальсовые силы между острием сканирующей иглы и образцом. Зазор между острием и образцом обычно составляет 5-10 нм.

Промежуточное положение между контактным и бесконтактным занимает режим периодического кратковременного контакта иглы с поверхностью в процессе сканирования, так называемый режим "обстукивания" (tapping mode). В этом режиме консоль колеблется на собственной резонансной частоте с высокой амплитудой порядка 50-100 нм. При таких амплитудах игла соприкасается с поверхностью в момент максимального отклонения консоли вниз от положения равновесия, что существенно изменяет частоту, фазу и амплитуду его колебаний. Режим "обстукивания" характеризуется более высоким разрешением в горизонтальной плоскости по сравнению с контактным режимом.

АСМ представляет собой мощный метрологический инструмент, используемый для получения изображений топографии, измерения шероховатости поверхностей, изучения различных органических и биологических объектов с атомарным разрешением.

Для изучения с субмикронным разрешением магнитных свойств и полей рассеяния ферромагнитных образцов используются методы магнитной силовой микроскопии - одной из многих модификаций АСМ. По сути, магнитный силовой микроскоп (МСМ) представляет собой АСМ, действующий в бесконтактном режиме. Отличие заключается в том, что для МСМ игла покрыта тонкой ферромагнитной пленкой.

В основе магнитной силовой микроскопии лежит дальнодействующее взаимодействие магнитного зонда с локальным магнитным полем образца. Изображение формируется при сканировании иглой исследуемой поверхности и одновременном измерении силы магнитного взаимодействия как функции положения иглы.

Изображение, принимаемое магнитной иглой, содержит информацию как о топографии, так и о магнитных свойствах поверхности. Какой из эффектов будет доминировать, зависит от расстояния от иглы до поверхности, поскольку межатомная магнитная сила сохраняется для больших расстояний "игла - образец", чем ван-дер-ваальсовая сила. Если наконечник располагается близко к поверхности, где используется стандартная бесконтактная АСМ, будет преобладать изображение топографии. При увеличении расстояния "наконечник - образец" отображаются магнитные свойства образца.

Поэтому регистрацию магнитных сил обычно проводят с использованием двухпроходной методики. Суть этой методики заключается в том, что игла проходит над одним и тем же участком дважды: во время первого прохода происходит касание с поверхностью, профиль которой запоминается, а во время второго прохода игла, поднявшись на заданную высоту, движется по запомненной траектории, реагируя уже только на магнитные взаимодействия (рис. 7). Эта высота должно быть достаточно большой, чтобы избежать воздействия ван-дер-ваальсовых сил. Получаемый магнитный контраст будет соответствовать карте сил магнитного взаимодействия между поверхностными структурами и иглой. При работе по такой методике можно получать одновременно и топографию участка поверхности исследуемого образца, и магнитный образ того же участка.


Рис. 7. Двухпроходная методика

Зачем это нужно: приложения сканирующей зондовой микроскопии

Сканирующие зондовые микроскопы давно вышли за рамки научных экспериментов. Они широко применяются для изучения неорганических и синтетических материалов, биологических объектов, наноструктур, в приложениях неразрушающего контроля, диагностики и модификации поверхностей.

Нашли они свое применение и в технике записи информации. Например, атомно-силовые микроскопы успешно используются при отладке технологии изготовления компакт-дисков. На изображении поверхности основы компакт-диска (рис.8) хорошо заметны все дефекты, возникающие при изготовлении диска.


Рис.8. Дефекты на поверхности основы CD-ROM

(Измерения выполнены по заказу компании ЕПОС в НАН Украины)

В настоящее время, в связи с возросшим интересом к защите авторских прав и борьбе с пиратством, ведутся работы по разработке методики идентификации компакт-дисков. Мелкие дефекты существуют всегда, и практически не влияют на качество работы диска. Однако они уникальны для каждой матрицы, с которой изготовлен данный диск. Поэтому, анализируя распределение дефектов, можно однозначно определить матрицу, с которой был изготовлен диск.

Магнитные силовые микроскопы сразу вызвали интерес как приборы с большими потенциальными возможностями для диагностики магнитных характеристик рабочих поверхностей накопителей информации с субмикронным разрешением.

Как уже говорилось выше, современные технологии магнитной записи достигли сверхвысоких плотностей записи и для контроля технологических параметров жестких дисков уже недостаточно существующих ранее методов. Магнитные силовые микроскопы широко используются, например, для визуализации сервоинформации, записанной на винчестер. Магнитный рельеф поверхности жесткого диска, полученный с помощью магнитно-силового микроскопа выглядит так, как показано на рис. 9.


Рис.9. Магнитный рельеф поверхности жесткого диска

Кроме того, в настоящее время проводятся исследования возможность с помощью МСМ восстанавливать информацию с жестких дисков. Теоретически такая возможность доказана, однако на практике вызывает ряд трудностей. Во-первых, размер одного "скана" составляет обычно 10х10 мкм, в микроскопах с более сложными конструкциями сканера - до 100х100мкм. Поэтому после получения серии данных по магнитному рельефу различных участков диска эти данные необходимо "сшить" для получения полного изображения. Во-вторых, перед записью на диск данные подвергаются специальному преобразованию (RLL-кодирование). Вариантов такого кодирования существует очень много, и в жестких дисках разных моделей даже одного производителя они могут отличаться. Поэтому задача извлечения информации из полученного магнитного рельефа поверхности также не отличается простотой. Тем не менее, разработав специальное программное обеспечение и используя высокие вычислительные мощности современных компьютеров, такую задачу вполне возможно решить.


Рис. 10. Отклонения траектории головки записи от центра дорожки

Возможности магнитного силового микроскопа могут применяться и для несанкционированного получения информации. Траектория движения записывающей головки жесткого диска никогда точно не совпадает с дорожкой (рис. 10). Поэтому между дорожками остаются остатки от предыдущих циклов записи. Для нормальной работы жесткого диска это не имеет значения, так как у современных винчестеров ширина головки считывания меньше ширины головки записи. Однако по магнитному рельефу поверхности, полученному с помощью магнитно-силового микроскопа можно восстановить уничтоженные данные, в том числе и если на место уничтожаемых данных записана новая (несекретная или просто случайная) информация. Поэтому для гарантированного уничтожения секретных данных используются специальные устройства.

Оригинальное применение методам атомной силовой микроскопии нашла группа исследователей компании IBM, в состав которой вошел и изобретатель атомно-силовой микроскопии Герхард Бинниг. Всего несколько дней назад они представили миру проект с забавным названием "Многоножка" (Millipede). Разработанное запоминающее устройство с высокой плотностью записи (400Гб/кв.дюйм у представленного чипа, до 1Тб/кв.дюйм в перспективе) использует принципы атомно-силовой микроскопии для записи, считывания и удаления информации.

"Многоножка" использует новый термомеханический зондовый метод записи, считывания и удаления данных. Он основан на механическом сканировании массивом кремниевых АСМ зондов тонкой полимерной пленки, нанесенной на кремниевую подложку. В процессе записи игла нагревается до температуры 400 градусов и плавит полимерную пленку, делая в ней отверстие диаметром 40 нм. При считывании иглы сканируют т.н. "область хранения" и достигнув отверстия, утапливаются в него. При этом часть тепла острия иглы передается в подложку, ее температура падает, а сопротивление изменяется. Зафиксированное изменение сопротивления соответствует регистрации записанной единицы. Для стирания игла вновь нагревается до высокой температуры, но не плавит отверстие, а разогревает участок вокруг него, заставляя его исчезнуть.


Рис. 11. "Многоножка". Массив АСМ зондов

Представленный чип использует двумерный массив из 1024 (32х32) АСМ зондов (рис. 11). Скорость записи/считывая составляет 32кб/с. Уже в следующем году IBM обещает усовершенствовать "Многоножку", повысив плотность записи и скорость передачи данных.

Заключение

Методы сканирующей зондовой микроскопии, появившиеся сравнительно недавно, позволили сделать еще один шаг в мир нанотехнологий. Быстро преодолев путь от лабораторных экспериментов, уже сейчас они решают широкий спектр прикладных задач в науке и технике. Это и контроль технологических процессов изготовления высокоемких накопителей, и восстановление информации, и различного рода измерения. Уже сейчас методы сканирующей зондовой микроскопии начинают применяться для создания абсолютно новых носителей информации.


При написании статьи использовались следующие материалы:

  • Статья А.А. Суслова, С.А. Чижика "Сканирующие зондовые микроскопы (обзор)"
  • Публикации А.В. Быкова на www.ntmdt.ru и www.nanoworld.org
  • www.ibm.com
  • storage.ibm.com
  • www.olimpus.co.jp/probe
  • www.nanosensors.com

  • Поделиться информацией