ОСТРИЙНЫЕ СТРУКТУРЫ, ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ И МЕТОДЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК H01J1/30 H01L21/20 G01B21/00 H01J9/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области материаловедения, в особенности электронного, в частности к микроэлектронике, в том числе эмиссионной, к прецизионным приборам для научных и технологических исследований. Более конкретно, настоящее изобретение относится к конструированию и методам изготовления приборов для электронной эмиссии и сканирующих зондовых приборов. Оно может также использоваться в литографических процессах, равно как и в других базовых процессах микро- и наноэлектроники.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ

Приборы электронной эмиссии (ПЭЭ) обеспечивают потоки электронов в вакууме для различных целей: для приборов отображения информации, для электронно-лучевой литографии, для источников света и др. Основным компонентом этих приборов является катод (эмиттер), рождающий потоки электронов. Термокатоды, нагретые до высоких температур, - классический пример таких катодов. Однако термикагоды потребляют много энергии для обеспечения своей работы. В этом отношении гораздо более эффективны катоды с полевой эмиссией (или “холодные катоды”). Пример - так называемые катоды Спиндта, основанные на молибденовых остриях [1]. Более пригодны для применений приборы, основанные на полупроводниковых (кремниевых) полевых эмиттерах [2] благодаря дешевизне материала и его технологии.

Известны полевые эмиттеры, приготовленные из кремниевых вискеров (нитевидных кристаллов). В частности, в патенте [3] реализуется идея использования собственного сопротивления такого кремниевого эмиттера в качестве балластного сопротивления, что важно для действия полевых эмиссионных дисплеев (ПЭД). Кроме того, такой эмиттер покрывают алмазом для увеличения эмиссионной способности полевого катода и повышения его долговечности [3].

Настоящее изобретение позволяет повысить эффективность эмиссии благодаря увеличению числа эмиттеров, имеющих одну и ту же пространственную координату.

Соответственно, пиксел (“элемент свечения”) может увеличить яркость свечения в несколько раз.

Известно использование углеродных нанотрубок, нанесенных на плоские подложки, в качестве полевых эмиттеров [4]. Однако параметры таких эмиттеров не воспроизводимы из-за того, что распределение электрических полей на разных нанотрубках неоднородно вследствие их случайных позиций.

Сканирующие зондовые приборы (СЗП) в состоянии давать изображения поверхностей твердых тел с высоким пространственньм разрешением. Известно использование углеродных нанотрубок, “посаженных” на такие зонды [5]. Однако положение нанотрубок на зондах неуправляемо из-за случайности и многочисленности актов зародышеобразования.

СЗП могут быть использованы для исследования магнитных объектов с высокими разрешением и чувствительностью. Зонды для таких инструментов изготовляют из немагнитного материала (например, кремния), покрытого магнитным материалом (например, железом, кобальтом и др) [6-8]. Однако и форма, и структура используемых в этих работах покрытий не оптимальны для обеспечения высоких разрешений и чувствительности.

СЗП для измерений электрической емкости используют кремниевые острийные зонды [9, 10]. Однако и форма острий, и состав емкостьобразующих материалов не оптимальны для высокой чувствительности этих приборов.

Известны СЗП-зонды с боковыми остриями для исследований профилей элментов поверхности [11]. Однако эти зонды пригодны только для исследований поверхностей, имеющих сравнительно простые формы, например канавки с вертикальными стенками. Между тем, существует много примеров, когда приходится исследовать поверхности со сложными формами (например, биологические макромолекулы) или с грубым рельефом.

Существуют проблемы с исследованиями распределения химических сил на поверхностях твердых тел [12].

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг.1. Система кремниевых вискеров, выращенных на кремниевой подложке (111).

Фиг.2. Схема превращения кремниевого вискера, имеющего на вершине затвердевшую глобулу, в кремниевое острие: а - начальная стадия; б - промежуточная стадия; в - конечная стадия; 2 - тело кремниевого вискера; 3 - затвердевшая глобула, состоящая из мелких кристаллитов кремния и золота; 4 - образовавшееся острие.

Фиг.3. Кремниевое острие в электронном микроскопе высокого разрешения.

Фиг.4. Система кремниевых острий, изготовленных из системы кремниевых вискеров.

Фиг.5. Схема (а) и фотография в сканирующем электронном микроскопе (б) кремниевого острия ступенчатой формы.

Фиг.6. Система кремниевых столбиков с плоскими вершинами, образованная из системы вискеров.

Фиг.7. Схема ступенчатого кремниевого острия с небольшим плоским плато на его вершине: 1 - кремниевая подложка (111); 2 - основание кремниевого вискера; 3 -кремниевое острие; 4 - плато на вершине.

Фиг.8. Схема катодной структуры с мультиполевыми эмиттерами, образованными углеродными трубками на вершинах кремниевых острий. а - мульти-мульти (М²)-эмиттеры на плоской подложке; б - мульти-мульти-мульти (М)-эмиттеры; 1 -кремниевая подложка, ориентированная вдоль плоскости (111); 2 - первичные кремниевые вискеры = первое звено; 3 - вторичные кремниевые вискеры = второе звено; 4 - нанотрубки = третье звено; 5 - “ступень” = точка ветвления кремниевых вискеров; б - пространственная координата.

Фиг.9. Схема зонда для СЗП, чувствительное острие которого образовано углеродной нанотрубкой: 1 - держатель; 2 - левер; 3 - основание кремниевого вискера ступенчатой формы; 4 - кремниевое вискерное острие; 5 - нанотрубка; 6 - “болтающиеся” химические связи; 7 - ряд одиночных атомов.

Фиг.10. Схема зонда для СЗП с наклонным кремниевым вискерным острием: 1 - держатель; 2 - кремниевый левер, ориентированный близко к плоскости (111); 3 - основание кремниевого вискера; 4 - кремниевое вискерное острие; 5 - нанотрубка.

Фиг.11. Схема кремниевого острия, покрытого магнитной частицей. 1 - кремниевая подложка (111); 2 - основание кремниевого вискера; 3 - кремниевое вискерное острие; 4 - магнитная частица, изготовленная испарением.

Фиг.12. Схема кремниевого острия, покрытого заостренной магнитной частицей: 1 - кремниевая подложка (111); 2 - основание кремниевого вискера; 3 - кремниевое вискерное острие; 4 - заостренная магнитная частица.

Фиг.13. Предшествующий уровень емкостных зондов:

а - из работы [9]: схема зонда и схема измерений; 1 - зонд; 2 - изолятор (окисел); 3 - примесь;

б - из работы [10]: схема зонда и схема измерений; 1 - зонд; 2 - окисел.

Фиг.14. Кремниевой острие с плоской вершиной, покрытой диэлектриком: 1 - основание кремниевого вискера; 2 - кремниевое вискерное острие; 3 – диэлектрическая пленка.

Фиг.15. Схема зонда СЗП, предназначенного для исследований образцов, имеющих сложный поверхностный рельеф (вид сбоку): 1 - держатель; 2 - основание (базис) кремниевого вискера, выращенного в направлении <111>; 3 - кремниевый вискер, который продолжает расти эпитаксиально на базисном вискере в одном из направлений <111>; 4 - левер: монокристаллическая кремниевая подложка, ориентированная по плоскости (111)

Фиг.16. Сканирующая электронная микрофотография ступенчатого кремниевого острия/зонда с глобулой на его вершине; глобула показана стрелкой.

Фиг.17. Схема глобулы, образовавшейся на вершине кремниевого вискера:

а - глобула образована смесью кристаллитов кремния и золота; 1 - вискер; 2 - кристаллит кремния; 3 - кристаллит золота;

б - глобула образована смесью кристаллитов кремния, золота и третьего химическою элемента; 1 - вискер; 2 - кристаллит кремния; 3 - кристаллит золота; 4 – кристаллит третьего химического элемента.

Фиг.18. Схема мультилеверного прибора, предложенного в работе [13]: 1 - микропроволоки; 2 - зонды; 3 - мультиплексоры; 4 - операционный услитель.

Фиг.19. Схема мультилеверного прибора предложенного в [14]: 80 - кантилевер; 81 - острийное ребро; 82 - платформа; 83 - проводящая область; 84 - проводящая область; 85 - пьезорезистор.

Фиг.20. Процесс монокристаллического роста вискера, не эпитаксиального подложке: а - перед началом роста; б - первая стадия роста; в - выравнивание роста; г – финальная стадия роста; 1 - полость; 2 - металл-растворитель; 3 - “паразиты”; 4 – поверхность подложки; 5 - вискер; б - подложка.

Фиг.21. Кантилевер с индикатором отклонения, представленный электродом, который расположен вдоль левера: 1 - держатель; 2 - кремниевый левер, ориентированный вдоль кремниевой плоскости (111); 3 - основание кремниевого вискера; 4 – кремниевое вискерное острие; 5 - нанотрубка; 6 - пластиковый материал; 7 - электрод.

Фиг.22. Кантилевер с интегральной системой контроля:1 - вискерный зонд; 2 - электрод подавления не резонансности, индикатора отклонения и системы принудительного отклонения; 3 - кремниевый левер; ориентированный вдоль плоскости (111); 4 - электрод для модуляции резонансных колебаний левера.

Фиг.23. Мультилевер для сканирующих зондовых приборов: 1 - электроды подавления не резонансности, индикатора отклонения и системы принудительного отклонения; 2 - кремниевый левер; ориентированный вдоль плоскости (111);3 - электрод для модуляции резонансных колебаний левера; 4,5 – непроводящие слои; 6 - зонд.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение основано на зондах из кремниевых острий, изготовленных из кремниевых нитевидных кристаллов (вискеров), которые выращивают из пара в соответствии с процессом пар-жидкость-кристалл (ПЖК).

Процесс выращивания проводится следующим образом.

Систему золотых частиц диаметром 5-7 мкм, толщиной 0,2 мкм, отстоящих друг от друга на расстоянии 30 мкм, осаждают на кремниевую пластину, ориентированную вдоль плотно упакованной плоскости кремния (111). Пластину устанавливают и химический кварцевый реактор и нагревают до 800-900°С в потоке реакционной газовой смеси SiCl₄+H₂. Золотые частицы, контактирующие с кремниевой пластиной, образуют жидкие капельки - раствор кремния в расплавленном золоте. Эти жидкие капельки действуют как каталитические частицы для этой химической реакции так, что при указанных температурах она протекает преимущественно на поверхности капелек. Образовавшийся жидкий раствор кремния в золоте становится пересыщенным, и избыток кремния осаждается на границе раздела капелька-подложка. В результате под каждой капелькой растет эпитаксиальный нитевидный кристалл (“вискер”).

Регулярная система этих вискеров показана на фиг.1. На вершине каждого вискера видна затвердевшая капелька (“глобула”). Эта глобула состоит из кристаллитов кремния и золота.

Далее вискеры превращают в кремниевые острия в растворе, который действует на кремний медленно. Эта процедура показана на фиг.2. Травление продолжается до тех пор, пока глобула не “отвалится”.

Микрофотография острия с высоким разрешением показана на фиг.3.

Результат такого превращения для системы вискеров показан на фиг.4.

Если выращивание вискера проводится в две стадии с разными условиями выращивания (при разных температурах, с разными концентрациями SiCl₄ в реакционной смеси, и др.), то можно создать вискеры ступенчатой формы. С помощью процедуры травления, иллюстрированной на фиг.2, можно создавать кремниевое острие со ступенчатой формой, показанное на фиг.5.

Систему кремниевых вискеров можно превратить в систему кремниевых “столбиков” (вискеров с плато на их вершинах), если действовать на глобулу, а не на кремниевое острие, например, травлением металла-растворителя (золота), и т.д., см. фиг.6.

Комбинируя образцы/процедуры, иллюстрированные на фиг.5 и фиг.6, можно изготовить ступенчатое кремниевое острие с маленьким плато на его вершине, см. фиг.7.

Острия и системы острий, показанные на фиг.1-7, используют в соответствии с данным изобретением для изготовления различных приборов.

Одно из наиболее типичных, широких и важных примеров применений острийных структур, предлагаемых в настоящем изобретении, - полевая эмиссионная электроника.

В последние годы большие успехи были достигнуты в полевой эмиссии из углеродных нанотрубок. Однако эффективность полевых эмиттеров из нанотрубок сильно убывает, когда они расположены слишком плотно друг к другу, так что электрические поля на их вершинах сильно снижаются. Известно, что полевые эмиттеры действуют независимо друг от друга, если расстояния между ними сравнимы с их высотами.

Оптимальную конструкцию полевых эмиттеров, основанных на нанотрубках, можно реализовать, если скомбинировать системы регулярных кремниевых острий с ветвлением вискеров и с образованием “пучков” нанотрубок на их вершинах - такая “мульти-мульти-мульти” (М³) острийная структура показана на фиг.8. Подбирая расстояние между регулярньми кремниевыми базисными (“первичными”) вискерами возможно многократно увеличить токи полевой эмиссии с таких острийных структур.

Существенного улучшения полевых эмиттеров можно достичь, если обеспечить одновременную эмиссию с множества эмиттеров. Это возможно, если разные эмиттеры имеют достаточно высокое сопротивление. В таком случае его можно рассматривать как “балластное сопротивление” в электрической цепи. Такая идея, запатентованная в [3], может быть релизована в острийной структуре М³ (см. фиг.8б).

Ту же идею можно реализовать в острийной структуре, показанной на фиг.8а (структура типа М²), если последовательно с ней включить “макроскопический” резистор с высоким сопротивлением.

Процесс приготовления углеродных нанотрубок можно скомбинировать с процессом выращивания вискеров по механизму пар-жидкость-кристалл. Эта комбинация сводится к тому, что металл-растворитель, используемый для выращивания вискеров, можно использовать также как катализатор для образования нанотрубок.

Еще одно применение острийных структур типа нанотрубка на кремниевом вискере - это зонды для сканирующих приборов.

Схема таких зондов показана на фиг. 9.

В частности системы ступенчатых кремниевых острий с маленькими плато на их вершинах служат базисом для формирования углеродных нанотрубок, которые можно использовать как полевые мультикатоды.

Схема электродной структуры с полевыми эмиттерами, создаваемыми согласно данному изобретению, показана на фиг.8. Здесь ступенчатые кремниевые острия, обозначенные цифрой 3, используются как основа/держатель для осаждения углеродных нанотрубок, которые действуют как полевые эмиссионные источники электронов. Такие полевые источники электронов с углеродными нанотрубками более эффективны, чем эмиттерные источники на плоских поверхностях, описанные в [4], поскольку в данном случае эмиттеры действуют независимо друг от друга, если они удалены друг от друга на расстояния, сравнимые с их высотой.

Зонды для СЗП - еще одно применение для острийных структур типа нанотрубки на кремниевых остриях.

Схема таких зондов показана на фиг.9. Здесь малый размер площадки на вершине ступенчатого кремниевого острия, приведенного на фиг. 5, представляет собой преимущество, поскольку вероятность зарождения нанотрубок зависит от площади вершины острия, и чем меньше эта площадь, тем выше шанс иметь там единственную трубку, необходимую для СЗМ-зонда. В предельном случае диаметр нанотрубки можно свести к моноатомному ряду 7.

Для других вариантов СЗМ-зондов также могут быть использованы ступенчатые кремниевые острия, изображенные на фиг.5 и 7.

В частности СЗМ-зонд, изображенный на фиг. 5, пригоден для приложений в полупроводниковой технологии, например, при исследовании профилей канавок субмикронной ширины [16]. Ультраострая вершина обеспечивает высокую разрешающую способность, а относительно толстое основание такого зонда - достаточную механическую стабильность против вибраций. Для таких случаев вискерные зонды особенно подходящи [11, 17].

Еще один пример применений острийной структуры, предлагаемой в настоящем изобретении, - это специальный зонд для исследований еще более узких (шириной менее 0,3 мкм) и относительно глубоких (глубиной более 4-5 мкм) канавок. Это типичная проблема полупроводниковой технологии - нынешней и ближайшего будущего. Проблема особенно усложняется, если канавки невертикальны. Для этой цели пригоден зонд, показанный на Фиг.10. Кантилевер для такого зонда изготовляется из композитной пластины, образованной кремнием, покрытым пленкой SiO₂, и кремниевым слоем, ориентация которого отклоняется от плотно упакованной плоскости (111) на углы ϕ примерно на 15-25°. При таких относительно малых углах отклонения можно использовать традиционную технологию выращивания кремниевых вискеров по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК), показанную на фиг.1 и подоробно описанную в [18, 19]. Способность кремниевых вискеров расти в направлении [111] позволяет изготовить такие зонды.

Ступенчатые кремниевые острия с малым плато на вершинах, изображенные на фиг. 7, пригодны для изготовления зондов для магнитной силовой микроскопии (МСМ) и для электрической емкостной микроскопии (ЭЕМ).

Типичный размер плато составляет 100 нанометров в диаметре. Магнитную (Fe, Со, или Ni) пленку толщиной около 100 нанометров осаждают на это плато вакуумным испарением (фиг.11). Расчет показал, что разрешающая способность такого МСМ-зонда лучше 90 нанометров.

Магнитную частицу цилиндрической формы можно трансформировать в коническую посредством ионной бомбардировки.

Пример 1

Пучок ионов аргона или азота, ускоренных электростатическим полем 5 кВ, направляют вдоль оси зонда. Образуется коническая частица с углом при вершине 40-50°, как показано на фиг. 12. Такая коническая магнитная частица обеспечивает разрешающую способность около 50 нанометров. Расчет показал, что при такой конструкции вклад магнитной пленки, осадившейся на основание зонда, по крайней мере в 100 раз меньше, чем вклад конической частицы, осажденной на острие.

Магнитная частица, приготовленная испарением и затем обработанная ионной бомбардировкой, обладает поликристаллической структурой, причем каждый домен, соответствующий отдельному кристаллическому зерну, имеет свое собственное (произвольное) направление вектора магнетизации. Для того чтобы улучшить (гомогенизировать) магнитные свойства этой частицы, ее подвергают монодоменизации путем выдерживания магнитного зонда в постоянном магнитном поле определенного направления.

Примеры предшествующего уровня зондов для емкостной микроскопии приведены на фиг.13. Там острия зондов имеют полусферическую форму. Измеряемый параметр, электрическая емкость зависит от формы, радиуса кривизны и может изменяться от острия к острию. Кроме того, форма острия может изменяться в процессе измерений из-за его возможного контакта с исследуемой твердой поверхности.

В данном изобретении предлагается использовать в емкостной зондовой микроскопии кремниевый острийный зонд с плато на его вершине, изображенный на фиг.7. Такое острие покрывают пленкой диэлектрика, таких как пятиокись тантала Та₂О₅ (имеющей диэлектрическую постоянную 25 единиц по сравнению с 5 единицами у SiO₂), TiO₂ (100 единиц), SrТiO₃ (250 единиц), ВаТiO₃ (1500 единиц), см. фиг. 14. Это позволяет проводить измерения, не приводя острие в контакт с исследуемой поверхностью. Кроме того, плоская форма поверхности острия облегчает точные расчеты емкости и других, связанных с ней параметров.

Пример 2

На кремниевое острие с плато на вершине наносят напылением в вакууме тонкую пленку титана. Затем эту пленку окисляют в кислородсодержащей среде при высокой температуре.

Вискерные СЗМ-зонды позволяют решить проблемы исследований объектов, имеющих сложные формы (таких как биологические макромолекулы, твердые поверхности с грубым рельефом, с полостями произвольной формы и др.). Для исследований таких объектов может быть использован вискерный зонд, изображенный на фиг.15. Этот зонд состоит по меньшей мере из двух частей: нижней и верхней. Нижняя часть образована относительно толстым вискером, перпендикулярным монокристаллической кремниевой подложке, ориентированной вдоль плотно упакованной кристаллографической плоскости (111), так что он имеет ориентацию <111>. Верхняя часть образована другим, более узким по диаметру вискером, который растет в ином, также кристаллографическом направлении <111>, который образует кристаллографический угол 70°32' с осью нижней части. Угловые соотношения такого зонда иллюстрируются на фиг.15.

Еще один вариант вискерных зондов предлагается для исследований химических составляющих веществ, например для картирования пространственного распределения химических сил, существующих на твердых поверхностях. Такая методика называется “химической силовой микроскопией” [12] и основана на различении химических связей посредством острийного зонда, изготовленного из определенного материала или покрытого определенным материалом. Существующие СЗМ-зонды, изготовленные из кремния или нитрида кремния, обладают слабой адгезионной способностью по отношению к покрытиям.

В настоящем изобретении предлагается использовать вискерные зонды, у которых вершины образованы глобулами, содержащими, кроме кремния, еще по меньшей мере один химический элемент.

Такой зонд показан на фиг.16. Глобула содержит, кроме кремния, также металлический растворитель (золото в данном случае), который участвовал в росте вискера. К растворителю может быть добавлен другой металл, так что глобула будет содержать по меньшей мере три химических элемента, см. фиг.17. Эти металлы, содержащиеся в глобуле, обеспечивают хорошую к ней адгезию покрытий из других металлов.

Пример 3

Вискер выращивают посредством смеси металлов золота и индия. Соответственно, затвердевшая на вершине зонда глобула содержит, кроме кремния, также кристаллиты золота и индия. Вискерный зонд для химической силовой микроскопии покрывают тонкой пленкой индия. Присутствие на поверхности затвердевшей глобулы кристаллитов индия усиливает адгезию этой пленки к зонду.

Кроме того, на глобулу с покрытием или без него могут быть нанесены различные химические функциональные группы.

Пример 4

Возможность выращивать вискеры по механизму ПЖК представляет важное достижение микро- и наноэлектроники. Этот процесс позволяет осуществлять эпитаксиальное выращивание вискеров и управлять этим процессом. Однако необходимость при этом иметь подложку с определенной кристаллографической ориентацией представляет собой определенное ограничение этого процесса.

В настоящем изобретении предлагается подход, как решить данную проблему. Для этого в подложке с произвольной (например, аморфной) структурой создают глубокую полость (“колодец”), и на ее дно помещают каплю металлического растворителя (фиг. 20). Такую подложку устанавливают в химический реактор для выращивания вискеров. В этом процессе в капле растворителя возникают кристаллические зародыши. На начальной стадии все зародыши, кроме одного, образовавшегося на капле или близко к ее вершине, находятся в примерно одинаковых условиях. “Вершинный” зародыш имеет наиболее интенсивное питание. Кроме того, во время роста вискеров условия роста тех, которые имеют невертикальную компоненту, ухудшаются, соответственно, вискеры растут преимущественно вдоль “колодца”.

Кроме того, рост в селективном направлении может улучшиться, если “колодец” огранен в соответствии с направлением предпочтительного роста данного материала. Например, для вискеров кремния, которые кристаллизуются в алмазной решетке, “колодец” должен иметь сечение равносторонних треугольников или шестиугольников.

Пример 5

Согласно настоящему изобретению одна из версий для отслеживания СЗМ системы реализуется в конструкции кантилевера, предлагаемого на фиг. 21. Используя композитную пластину кремния на изоляторе (базовая пластинка кремния (100)/разделительный слой SiO₂/пленка кремния (111)/разделительный слой SiO₂/ пленка кремния (100) ), формируют левер (111); на этом левере выращивают кремниевый вискер, и из этого вискера формируют острийный зонд. Из кремниевой пленки (100) формируют плоский электрод, параллельный леверу. Промежуток между левером и этим электродом заполняют пластиковым материалом 6 (см. фиг. 21). Заполнение промежутка таким материалом позволяют поддерживать электромеханические параметры системы постоянными.

Прикладывая к такой системе резонансные колебания, задается исходный режим, который соответствует определенному значению фактора качества этой резонансной системы. Фактор качества изменяется при взаимодействии зонда с исследуемой поверхностью. Это изменение служит параметром, который позволяет отслеживать смещение левера и, таким образом, формировать изображение исследуемой поверхности.

Пример 6

Наиболее яркий пример осуществления кантилевера с интегральной контрольной системой для индикации отклонений, для принудительной подачи/удаления левера по отношению к исследуемой поверхности и для возбуждения резонансных колебании с целью реализовать режим “таппинг моде” показан на фиг.22. Электрод 4, расположенный вдоль небольшого начального участка левера, имеет просвет по отношению к леверу, который заполнен пластиковым материалом подобно тому, как это имеет место в примере 5. Прикладывая к электроду 4 переменное напряжение с некоторой частотой электрического поля Е₁ около 100 кГц между левером 3 и электродом 4, возможно возбудить резонансные модуляции левера без необходимости прикладывать механические колебания к держателю зонда (что представляет значительную помеху при исследованиях в жидкости, когда механические колебания возбуждают сильные вторичные - нежелательные! - моды колебаний в жидкой среде).

В рассмотренном примере электрод 2 содержит три способа для управления поведением левера: посредством электростатической системы Е₂ для принудительных отклонений, системы Е₃ для индикации отклонений путем измерения емкости между левером 3 и электродом 2, и системы E₄ для подавления нерезонансных колебаний (например, вторичных колебаний, которые появляются при отрыве зонда от поверхности, причем контакт создается адгезионными силами). Последняя система (Е₄) действует по следующему принципу. К леверу прикладывается постоянный электростатический заряд. Когда на девере появляются не резонансные колебания, соответствующий заряд наводится на электроде 2 с частотой указанных (начальных) колебаний. Наведенный заряд анализируется и прикладывается вновь к электроду 2, однако с противоположным знаком по отношению к наведенному заряду и с некоторым опережением по фазе. Это вызывает временную остановку колебаний, которые навели такой заряд.

Расстояние между левером и электродом 2 выбирается таким, чтобы электрические силы системы для индикации отклонений и для подавления нерезонансных колебаний были значительно ниже сил Ван-дер-Ваальса.

Пример 7

Интеграция нескольких систем контроля в едином простом приборе, как это предлагается в настоящем изобретении, позволяет использовать такой прибор в режиме мультилеверного сканирования сильноогрубленных поверхностей (см. фиг.23а). Если использовать два или более леверов для ускорения скорости сканирования, возникает проблема: как координировать их действие, если один из них должен исследовать полость, а другой, расположенный на некотором макроскопическом расстоянии от него, исследовать холмик? В стандартном варианте одиночного левера проблема решается подачей/удалением держателя. Однако в случае мультилевера эту проблему можно решить специальной методикой. В настоящем изобретении для подачи/удаления левера используется принудительное электростатическое отклонение (E₂).

Для того чтобы упростить приготовление мультилевера в данном изобретении рассматривается возможность расположения нескольких леверов вдоль одного и того же электрода контрольных систем (см. фиг.23б).

Для того чтобы различать сигналы, поступающие к системам для индикации отклонений леверов, достаточно к парам “левер-электрод 2” прикладывать сигналы разных частот.

Для системы принудительной подачи/удаления, так же как и для системы подавления не резонансных (паразитных) колебаний, необходимо развязать леверы один от другого гальванически.

Для более прецизионного исследования морфологии поверхности настоящее исследование рассматривает возможность отслеживать вращательные моды вокруг продольной оси. С этой целью изготовляются леверы V-образной и П-образной форм. Если единственный электрод 2 на фиг.2 расположен вдоль каждого плеча такого левера (см. фиг.23с), возможно получить всю необходимую информацию.

Пример 8

Использование многослойной композитной пластинки типа кремния на изоляторе (КНИ), где левер изготавливается из кремниевого слоя, ориентированного вдоль плоскости (111), является наиболее типичньм методом изготовления мультилеверов. Структуры, показанные на фиг.23а,б, в изготовлены чередующимися процедурами фотолитографии и травления.

После того как эти структуры были изготовлены, на них были выращены вискеры, а из вискеров были созданы острия, как это было описано выше.

Термины и синонимы, использованные в данном изобретении:

Острийная структура = подложка + острие;

Острие = звенья + ступени;

Ступень = точка изменения угла = точка изменения любого геометрическою параметра острия;

Точка ветвления = ступень, где острие двоится, троится, и т.д.

Источники информации

1. C.A. Spindt et al. Physical properties of thin-film field emission cathodes with molybdenum cones. J. Appl. Phys., 47,5248-5263 (1976).

2. J. Browining, Field emission display development and testing, Proc. of the 8^th Intern. Conf. on Vacuum Microelectronics (Portland, USA, 1995), pp. 1-8.

3. E.I. Givargizov et al. Field Emission Cathode and a Device Based Thereon, US Pat. 5,825,122 (1998); European Patent Application, WO 96/03762.

4. W. A. de Heer et al. Electron source and application of the same, European Patent Appl. WO 9642101, Int. Cl. H 01 J - 03/02 (1996).

5. J. H-Hafner et al. Growth of nanotubes for probe microscopy lips. Nature 398, 761-762(1999).

6. P. Grutter et al. Batch fabricated sensors for magnetic force microscopy, Appl. Phys. Lett 57.1820-1822 (1990).

7. P. Linenenbach, U. Memmert, J. Schelten and U. Hartmann, Fabrication and characterization of advanced probes for magnetic force microscopy, Appl. Surf. Sci., 144-145,492-496(1999).

8. L. Abelman et al. Analysis of the limit of resolution in magnetic force microscopy using EBID lips, a paper presented to Intern. STM Conf., Seoul, Korea, 1999, Ext Abstr., pp. 477-478.

9. D.W. Abraham et al. Lateral dopant profiling in semiconductors by jorce microscopy using capacitive detection. J. Vac. Sci. Technol., B9, 703-706 (1991).

10. Y. Huang et al. Quantitative two-dimensional dopant profiling of abrupt dopant profiles by cross-sectional scanning capacitance microscopy, J. Vac. Sci. Technol. A14, 1168-1171 (1996).

11. E.I.Givargizov et al. Cantilever with whisker-grown probe and method for producing thereof, European Patent Appl. WO 99/58925, Int Cl. G 01B 7/34 (1999).

12. C.D. Frisbie et al. Functional group imaging by chemical force microscopy, Science, 265,2071-2074 (1994).

13. V. A. Bykov and S. A. Saunin, New devices and possibilities in scanning probe microscopy, in: Proc. Russian 1999 Conf. on SPM, Nizhnii Novgorod, March 1999, pp. 132-133 (in Russian).

14. S. Ch. Minne, C.F. Quate, S. Manalis, Cantilever for scanning probe microscope including piezoelectric element and method of using the same, US Pat. 5742377. Cl. 355/71 (1998).

15. V.V. Dremov and S. P. Molchanov, An alternative working mode of SPM at surface investigations, in: Proc. Russian 1999 Conf. on SPM, Nizhnii Novgorod, March 1999, pp. 404-410 (in Russian).

16. K.L. Lee et al, Submicron Si trench profiling with an electron-beam fabricated atomic force microscope tip, J. Vac. Sci. Technol., B9, 3552-3568 (191).

17. E-I. Givargizov et al, WJusker probes, Ultramicroscopy 82, 57-61 (2000).

18. E.I. Givargizov, Ultrasharp tips for field emission applications prepared by the vapor-liquid-solid growth technique, J. Vac. Sci. Technol., B11, 449-453 (1993).

19. E.I. Givargizov, Method and apparatus for growing oriented whisker arrays. European Patent Application WO 97/37064, Int. Cl. C 30B 11/12 (1997).

Использование: в полевой эмиссионной электронике. Сущность изобретения: предложены новые конструкции электронных устройств, таких как сканирующие зонды и полевые эмиттеры, основанные на острийных структурах. Острия приготовлены из вискеров, которые выращены из газовой фазы по механизму пар-жидкость-кристалл. Предложены новые конструкции для изготовления полевых эмиттеров и зондов для магнитных, электростатических, морфологических и других исследований, основанные на специальной технологии. Также предложены новые конструкции для изготовления мультилеверных зондов. Технический результат изобретения: повышение эффективности эмиссии за счет увеличения числа эмиттеров, имеющих одну и ту же пространственную координату. 9 н и 65 з.п. ф-лы, 23 ил.

1. Острийная структура, которая включает монокристаллическую подложку и монокристаллическое острие, эпитаксиальное к подложке, отличающаяся тем, что ось острия образует заданный угол с вертикалью, которая проходит через его основание.2. Острийная структура по п.1, отличающаяся тем, что подложка имеет плоскую поверхность.3. Острийная структура по п.1, отличающаяся тем, что подложка представляет собой монокристаллическое острие, эпитаксиальное к плоской монокристаллической поверхности.4. Острийная структура по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что единственная точка подложки служит основанием для по меньшей мере двух острий.5. Острийная структура по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что острие имеет форму, которая включает по меньшей мере одну ступень и два звена, ось каждого последующего звена может образовывать свой собственный угол с осью предшествующего звена.6. Острийная структура по п.5, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из ступеней служит базисом для по меньшей мере двух звеньев и по меньшей мере одно из них может быть неэпитаксиальным по отношению к предыдущему.7. Острийная структура по любому из пп.5 и 6, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно из звеньев образовано нанотрубкой.8. Острийная структура по п.7, отличающаяся тем, что нанотрубка скомбинирована слоями разных материалов, один из которых углерод.9. Острийная структура по любому из пп.5-8, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно из звеньев образовано по меньшей мере одним атомным рядом.10. Острийная структура по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно острие имеет частицу на его вершине, которая содержит, помимо материала острия, по меньшей мере еще один химический элемент, причем частица может быть покрыта пленкой этого или иного элемента.11. Острийная структура по п.10, отличающаяся тем, что по меньшей мере один химический элемент, содержащийся в частице, участвует в выращивании острийной структуры и частица может быть покрыта пленкой этого или иного элемента.12. Острийная структура по п.10 или 11, отличающаяся тем, что на пленку осаждаются химические функциональные группы.13. Острийная структура по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что немагнитное острие имеет плоскую вершину, монодоменная магнитная частица конической формы помещена на плоскую вершину острия, причем частица контактирует с плоской вершиной острия.14. Острийная структура по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что электропроводящее острие имеет плоскую вершину, перпендикулярную его оси, плоская вершина покрыта диэлектрической пленкой, причем р - n-переход в верхней части острия параллелен и близок к плоской вершине.15. Острийная структура, которая включает подложку и монокристаллическое острие, отличающаяся тем, что острие неэпитаксиально подложке.16. Острийная структура по п.15, отличающаяся тем, что ось острия образует некоторый угол с вертикалью, которая проходит через его основание.17. Острийная структура по любому из пп.15 и 16, отличающаяся тем, что подложка имеет плоскую поверхность.18. Острийная структура по любому из пп.15-17, отличающаяся тем, что подложкой служит монокристаллическое острие, эпитаксиальное к плоской монокристаллической поверхности.19. Острийная структура по любому из пп.15-18, отличающаяся тем, что одна точка подложки служит базисом по меньшей мере двух острий.20. Острийная структура по любому из пп.15-19, отличающаяся тем, что острие имеет форму, которая содержит по меньшей мере одну ступень и два звена, причем ось каждого последнего звена образует свой собственный угол с осью предыдущего звена.21. Острийная структура по п.20, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна ступень служит базисом для двух звеньев, причем по меньшей мере одно из них может быть неэпитаксиальным по отношению к предшествующему.22. Острийная структура по п.20 или 21, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно из звеньев сформировано нанотрубкой.23. Острийная структура по п.22, отличающаяся тем, что нанотрубка скомбинирована из слоев разных материалов, причем один из них углерод.24. Острийная структура по любому из пп.20-23, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно из звеньев образовано по меньшей мере одним рядом атомов.25. Острийная структура по любому из пп.15-24, отличающаяся тем, что по меньшей мере одно острие имеет частицу на вершине, которая содержит, кроме острийного материала, по меньшей мере еще один химический элемент, причем частица покрыта пленкой этого или иного элемента.26. Острийная структура по п.25, отличающаяся тем, что по меньшей мере один химический элемент, содержащийся в частице, участвует в выращивании острийной структуры и эта частица может быть покрыта пленкой этого или иного элемента.27. Острийная структура по любому из пп.25 и 26, отличающаяся тем, что на пленку осаждают химические функциональные группы.28. Острийная структура по любому из пп.15-24, отличающаяся тем, что немагнитное острие имеет плоскую вершину, на этой плоской вершине расположена монодоменная магнитная частица конической формы, причем основание частицы контактирует с плоской вершиной.29. Острийная структура по любому из пп.15-24, отличающаяся тем, что электропроводящее острие имеет плоскую вершину, перпендикулярную его оси, плоская вершина покрыта диэлектрической пленкой, причем р - n-переход в верхней части острия параллелен и близок к плоской вершине.30. Метод изготовления острийной структуры посредством эпитаксиального выращивания острия по механизму пар - жидкость - кристалл на подложке путем осаждения парогазовой и/или газовой смеси с использованием по меньшей мере одного металлического растворителя, отличающийся тем, что острийную структуру выращивают как по крайней мере одно острие, такое, что ось острия образует некоторый угол с вертикалью, которая проходит через его основание.31. Метод по п.30, отличающийся тем, что в качестве подложки используется монокристаллическая пластинка, ориентированная по определенной кристаллографической плоскости, причем эта пластинка позволяет изготовить острийную структуру как по меньшей мере одно острие, эпитаксиальное подложке, под некоторым углом к ее поверхности.32. Метод по п.30, отличающийся тем, что в качестве подложки используется монокристаллическое острие, эпитаксиальное к плоской монокристаллической поверхности.33. Метод по любому из пп.30-32, отличающийся тем, что острийная структура по пп.3-14 изготовляется изменением температуры выращивания, и/или концентраций соединений в парогазовой или газовой смеси, и/или давлений парогазовой или газовой смеси и/или добавлением по меньшей мере одного металла-растворителя, и/или его испарением.34. Метод по любому из пп.30-33, отличающийся тем, что после выращивания острийной структуры проводится диффузия по меньшей мере одного химического элемента в эту структуру с сохранением структуры по меньшей мере одного металла-растворителя.35. Метод по любому из пп.30-34, отличающийся тем, что после изготовления острийной структуры она погружается в аморфный материал, полученный композит полируется вместе с по меньшей мере одной вершиной до образования плоской поверхности и аморфный материал может быть вытравлен (удален).36. Метод по любому из пп.30-35, отличающийся тем, что после вытравливания аморфного материала проводится диффузия по меньшей мере одного химического элемента в материал острийной структуры.37. Метод по любому из пп.30-36, отличающийся тем, что проводится диффузия по меньшей мере одного химического элемента в по меньшей мере один металлический растворитель.38. Метод по п.37, отличающийся тем, что стравливанием материала, который продиффундировал в по меньшей мере один металл-растворитель, этот металл-растворитель удаляют.39. Метод по любому из пп.30-38, отличающийся тем, что по меньшей мере один химический элемент испаряют на всю поверхность острийной структуры.40. Метод по п.39, отличающийся тем, что часть испаренного химического элемента удаляют стравливанием диффузионного слоя с поверхности острийной структуры или стравливанием аморфного слоя с сохранением химического элемента по меньшей мере на одной вершине.41. Метод по любому из пп.30-40, отличающийся тем, что выполняют эпитаксиальное выращивание острийной структуры, по меньшей мере на одной вершине создают ступень и/или плато путем изменения температуры выращивания, и/или концентрации соединений в парогазовой и/или газовой смеси, и/или давлений парогазовой или газовой смеси и/или добавления по меньшей мере одного металла-растворителя, и/или его испарения, после чего закристаллизовавшаяся глобула может быть удалена.42. Метод по любому из пп.34-41, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из процедур, описанных в пп.33-41, используется по меньшей мере еще один раз.43. Метод по любому из пп.39-41, отличающийся тем, что по меньшей мере один раз используют магнитный материал для испарения, образовавшуюся магнитную частицу заостряют бомбардировкой ускоренными ионами и проводят ее монодоменизацию.44. Метод по п.43, отличающийся тем, что монодоменизацию проводят выдерживанием частицы в постоянном магнитном поле определенного направления.45. Метод по п.43 или 44, отличающийся тем, что монодоменизацию проводят при высокой температуре магнитной частицы, причем эта температура может быть достигнута пропусканием полевого эмиссионного тока через острийную структуру.46. Метод изготовления по меньшей мере одной острийной структуры направленным выращиванием по механизму пар - жидкость - кристалл на подложке при осаждении материала из парогазовой и/или газовой смеси с использованием по меньшей мере одного металла-растворителя, отличающийся тем, что острийную структуру выращивают неэпитаксиально подложке.47. Метод по п.46, отличающийся тем, что острийную структуру создают в соответствии с пп.15-29.48. Метод по п.46 или 47, отличающийся тем, что для выращивания острия в подложке создают полость.49. Метод по п.48, отличающийся тем, что полость имеет форму, которая соответствует кристаллографической структуре острийного материала.50. Источник электронов, который содержит подложку, полевой эмиттер и источник носителей заряда, отличающийся тем, что полевой эмиттер представляет собой острийную структуру по пп.1-11, 15-26.51. Кантилевер для сканирующих зондовых приборов, который содержит держатель, левер и зонд, отличающийся тем, что зонд выполнен как острийная структура по пп.1-29.52. Кантилевер для сканирующих зондовых приборов, который содержит по меньшей мере два чередующихся плоскопараллельных слоя проводящих материалов, разделенных непроводящими слоями; по меньшей мере одну изогнутую часть - левер, выполненный из первого проводящего слоя; зонд, расположенный на левере; по меньшей мере один электрод - часть второго проводящего слоя, установленного на стороне левера, противоположной зонду, отличающийся тем, что электрод содержит средства для подавления нерезонансных колебаний левера, средства, представляющие систему обратной связи.53. Кантилевер по п.52, отличающийся тем, что зонд выполнен в виде структуры по пп.1-29.54. Кантилевер по п.52 или 53, отличающийся тем, что электрод содержит средство для управления отклонениями левера, и/или средство для вынужденного отклонения левера из его исходного положения, и/или средство для модуляции резонансных колебаний левера.55. Кантилевер по любому из пп.52-54, отличающийся тем, что на стороне левера, которая противоположна электродной стороне левера, расположен другой электрод, выполненный из дополнительного проводящего слоя, этот электрод содержит средство для управления отклонениями левера, и/или средство для вынужденного отклонения левера от его исходного положения, и/или средство для модуляции резонансных колебаний левера, и/или средство для подавления нерезонансных колебаний левера, причем эта система действует как система обратной связи.56. Кантилевер по любому из пп.52-55, отличающийся тем, что между левером и по меньшей мере одним электродом существует вакуумный промежуток, заполненный жидкостью и/или пластмассой, что позволяет осуществлять взаимное смещение левера и электрода относительно друг друга.57. Кантилевер по любому из пп.52-56, отличающийся тем, что левер имеет П- и/или V-образную форму и/или продольную полость, причем полость образует плечи левера.58. Кантилевер по любому из пп.52-57, отличающийся тем, что левер содержит пьезорезистивный слой и/или полупроводниковый слой, легированный до уровня р⁺⁺-проводимости.59. Кантилевер по п.57 или 58, отличающийся тем, что плечи левера, разделенные продольной частью, содержат легированные слои n-, n⁺-, р-, p⁺ проводимости.60. Кантилевер по п.57 или 59, отличающийся тем, что одно из плечей левера служит стоком, а другое источником для контрольной системы, причем плечи разделены частью левера, которая имеет другую проводимость, а один из электродов выполняет функцию затвора будучи средством контроля.61. Сканирующий зондовый прибор, который содержит кантилевер, включающий по меньшей мере один левер, по меньшей мере один управляющий электрод и/или по меньшей мере один электрод для управления отклонениями левера от его исходного положения и систему для регулирования и контроля отклонениями левера, отличающийся тем, что левер выполнен по любому из пп.52-60.62. Сканирующий зондовый прибор по п.61, отличающийся тем, что один электрод расположен вдоль по меньшей мере двух леверов.63. Сканирующий зондовый прибор по любому из пп.61 и 62, отличающийся тем, что система для управления отклонениями леверов представляет систему для регистрации изменений емкости между левером и по меньшей мере одним электродом и/или качества контуров, который включает его емкость, причем для каждого левера выбирается его собственная контрольная частота.64. Сканирующий зондовый прибор по любому из пп.61-63, отличающийся тем, что контрольная система включает систему для принудительного отклонения, которая может быть электростатической и/или электромагнитной.65. Сканирующий зондовый прибор по любому из пп.61, 63 или 64, отличающийся тем, что по меньшей мере два электрода расположены вдоль одного и того же левера.66. Сканирующий зондовый прибор по п.65, отличающийся тем, что система для управления отклонениями левера представляет собой систему для регистраций изменений емкости между плечами левера, разделенными продольными частями, и по меньшей мере одним электродом для управления вращением левера относительно продольной оси, причем для каждого плеча левера выбирается специальная частота.67. Метод изготовления кантилевера для сканирующих зондовых приборов, который включает формирование композитной пластинки, состоящей из по меньшей мере двух чередующихся плоскопараллельных слоев проводящих материалов, разделенных непроводящими слоями, формирование по меньшей мере одного левера из первого проводящего слоя, создание зонда на этом левере, отличающийся тем, что по меньшей мере один электрод, расположенный вдоль левера на стороне, противоположной зонду, образован из второго проводящего слоя.68. Метод по п.67, отличающийся тем, что зонд выполнен в виде структуры по пп.1-14, 15-29.69. Метод по п.67 или 68, отличающийся тем, что композитную пластинку изготавливают сплавлением пластин, механическим и/или химическим удалением части пластин с сохранением тонких слоев, имеющих заданную толщину.70. Метод по любому из пп.67-69, отличающийся тем, что по меньшей мере один проводящий и/или по меньшей мере один непроводящий слой композитной пластинки изготавливают осаждением материала и/или материалов.71. Метод по любому из пп.67-70, отличающийся тем, что до сплавления, и/или между стадиями сплавления, и/или после сплавления по меньшей мере на одном проводящем слое формируют электрод с контактными выходами/терминалами механоэлектрической структуры для систем контроля и/или регулирования.72. Метод по п.71 или 72, отличающийся тем, что до осаждения, и/или между стадиями осаждения, и/или после осаждения материала и/или материалов по меньшей мере на одном проводящем слое формируют электрод с контактными выходами/терминалами механоэлектрической структуры для систем контроля и/или регулирования.73. Метод по любому из пп.67-72, отличающийся тем, что при изготовлении кантилевера по меньшей мере один проводящий слой и/или по меньшей мере один непроводящий слой используются в качестве технологических стоп-слоев.74. Метод по любому из пп.67-73, отличающийся тем, что зонд выполняется как острийная структура по пп.30-49.