МНОГОЗОНДОВЫЙ ДАТЧИК КОНСОЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕГО ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА Российский патент 2005 года по МПК G12B21/00 

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим наблюдение, измерение и модификацию поверхности объектов.

Известен многозондовый датчик для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), содержащий основание и набор плоских гибких консолей с кремниевыми зондами, сформированными на одних их концах. При этом другие концы консолей закреплены на основании. Основным отличительным признаком этого датчика является различная резонансная частота разных консолей [1].

Недостаток указанного решения заключается в том, что в нем отсутствует возможность индивидуального управления зондами и, соответственно, уменьшаются его функциональные возможности.

Известен также многозондовый датчик для сканирующего зондового микроскопа, содержащий основание, а также набор плоских гибких консолей с управляющими слоями и кремниевыми зондами, сформированными на одних их концах. При этом другие концы консолей закреплены на основании [2]. Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Основной недостаток указанного многозондового датчика заключается в том, что каждый зонд имеет форму пирамиды, что, с одной стороны, ограничивает возможность минимизации радиуса ее закругления, а с другой - не позволяет проникать зонду в узкие глубокие щели и отверстия. Указанные недостатки приводят к ограничению функциональных возможностей датчика.

Технический результат предложенного решения заключается в расширении его функциональных возможностей.

Указанный технический результат достигается тем, что в многозондовом датчике консольного типа для сканирующего зондового микроскопа, содержащем основание, по меньшей мере одну плоскую гибкую консоль с управляющим приводом и по меньшей мере одним кремниевым зондом, сформированным на одном ее конце, закрепленную на основании другим концом, кремниевый зонд содержит пьедестал, выполненный в виде призмы, одной боковой гранью закрепленной на плоской гибкой консоли, при этом противоположная грань параллельна плоскости плоской гибкой консоли, основания образованы кристаллическими плоскостями (111) и перпендикулярны плоскости гибкой консоли, а две другие противоположные грани образуют острые углы по отношению к плоскости гибкой консоли, причем по меньшей мере на одном основании призмы сформировано по меньшей мере по одному щупу, выполненному в виде иглообразного углеродосодержащего образования.

Существует вариант, в котором призма расположена таким образом, что ее основания перпендикулярны продольной оси плоской гибкой консоли.

Существует также вариант, где призма расположена таким образом, что ее основания параллельны продольной оси плоской гибкой консоли.

Кроме этого, возможно расположение на двух основаниях с разных сторон призмы, как минимум, по одному щупу.

Целесообразно также придавать щупам различную форму: конусообразную, изогнутую и Т-образную.

Возможно, также использовать щупы с различными покрытиями: металлическими, ферромагнитными, диэлектрическими и полупроводниковыми.

На фиг.1 изображен многозондовый датчик консольного типа - вид сбоку.

На фиг.2 - многозондовый датчик консольного типа - вид сверху.

На фиг.3 - вариант расположения призмы.

На фиг.4, фиг.5 и фиг.6 изображены различные варианты формы щупа.

На фиг.7 изображен щуп с покрытием.

На фиг.8 - установка для формирования иглообразного углеродосодержащего образования.

Многозондовый датчик консольного типа для сканирующего зондового микроскопа содержит основание 1 (фиг.1, 2), на котором закреплена линейка плоских гибких консолей 2, выполненных, например, в виде прямоугольных элементов с управляющими приводами 3, в качестве которых могут быть использованы пьезобиморфы, состоящие из двух пьезокерамических слоев 4 и 5 с электродами 6. В качестве приводов 3 могут быть использованы также термобиморфы.

Одними концами консоли 2 закреплены на основании 1, на других при этом сформированы кремниевые зонды 7, выполненные в виде призм 8 с гранями 9. Две противоположные боковые грани 10 и 11 каждой призмы 8 образуют острые углы по отношению к плоскости гибкой консоли 2, а два основания 12 и 13 образованы кристаллическими плоскостями (111) и перпендикулярны плоскости гибкой консоли 2. При этом, как минимум, на одном основании 12 или 13 сформирован щуп 14 в виде иглообразного углеродосодержащего образования.

Возможен вариант, в котором щуп 14 соединен с проводящим слоем 15, с изолятором 16. Электроды 6 и проводящий слой 15 соединены с контактными площадками 17, 18 и 19.

Существует два варианта расположения кремниевого зонда 7 на плоской упругой консоли 2. В первом (фиг.1, 2) - основания 12 и 13 призмы 8 перпендикулярны продольной оси 20 консоли 2. Во втором варианте (фиг.3) основания 21 и 22 параллельны ее продольной оси 23.

В частном случае, когда необходимо, например, использовать щупы 24 и 25 в качестве пинцета, их можно сформировать на основаниях 21 и 22. Следует заметить, что формирование щупов с разных сторон призмы возможно также в случае перпендикулярного расположения оснований 12 и 13 оси 20.

Кроме этого, существует несколько вариантов выполнения щупов.

Щуп может иметь конусообразную форму 26 (фиг.4), изогнутую форму 27 (фиг.5), Т-образную форму с основанием 28 и перекладиной 29 (фиг.6).

Щупы Т-образной формы могут иметь различные варианты выполнения. Например, основание может быть цилиндрическим и конусообразным. Перекладина может быть цилиндрической, конусообразной, изогнутой (не показаны).

Существуют также варианты, в которых на щупах 30 формируют покрытие 31 (фиг.7), которое может быть металлическое, ферромагнитное, диэлектрическое и полупроводниковое.

Изготовление кремниевых зондов в виде многогранников происходит по известной технологии, описанной, например, в источниках [3, 4, 5]. Отличие заключается в том, что кристаллическая плоскость (111) в кремниевой подложке расположена перпендикулярно ее плоскости. Такой кремниевый зонд также описан в патенте [6].

Формирование иглообразных углеродосодержащих образований на кремниевых зондах могут проводить в вакуумных камерах посредством сфокусированных электронных пучков.

На фиг.8 в упрощенном виде показана вакуумная камера 32, внутри которой установлена электронная пушка 33, сопряженная с координатным столом 34. Координатный стол 34 включает подвижную каретку 35, установленную на подвижной направляющей 36 и перемещающуюся по координате Y. Подвижная направляющая 36 установлена, в свою очередь, на направляющих (не показаны), которые представляют собой поверхность координатного стола 34, и имеет возможность перемещения по координатам X, Z. Вакуумная камера 32 содержит шлюз 37 для оперативной загрузки объектов. При этом каретка 35 имеет привод 38 по координате X, закрепленный на направляющей 36, на которой установлены приводы 39, 40 по координатам X, Z. Фланец с окном 41 (для визуального наблюдения за процессом) закреплен на камере 32, например, в виде откидного элемента (не показан).

При изготовлении щупов на каретке 35 закрепляют многозондовый датчик 42, например, посредством пружин 43, выполненных в виде токоподводов. Датчик 42 содержит консоли 44 с призмами 45.

Кроме этого, к камере 32 может быть подстыкован лазер 46, оптически сопряженный с фотоприемником 47 с общим блоком управления 48. На каретке 35 может быть закреплен блок управления 49, подключенный к блоку управления 48, а в камере 32 установлена дополнительная электронная пушка 50.

Установка для формирования иглообразных углеродосодержащих образований более детально не описана, т.к. она не является предметом изобретения.

В качестве варианта может быть использована, например, стандартная установка с электронным микроскопом JEOL - 840.

Датчик 42 закрепляют посредством пружин 43 на каретке 35. При этом пружины 43 соприкасаются с контактными площадками 17, 18 и 19 (фиг.2). Включают электронную пушку 33 и на конце призмы 45 (фиг.8) фокусируют электронный пучок. После чего по заданной программе осуществляют перемещение призмы 45 относительно фокуса электронного пучка, формируя при этом щуп.

В частном случае перемещение призмы 45 может быть осуществлено путем использования приводов 3 (фиг.1). При этом слои 4 и 5 работают по принципу пьезобиморфов и изгибают консоли 2.

При необходимости формирования щупов на других гранях кремниевого зонда датчик 42 разворачивают на 90°, а также используют вторую электронную пушку 50.

Процесс роста углеродосодержащих образований происходит следующим образом. Пучок быстрых электронов, формируемых электронными пушками 33 и 50, взаимодействует с углеродосодержащим адсорбатом на поверхности призмы 45. При этом происходит возбуждение электронов в приповерхностных слоях, а быстрые электроны пучка рассеиваются с потерей энергии на уровне десятков электрон-вольт. Энергия возникающих электронных возбуждений в приповерхностных слоях достаточна для стимулирования процессов разложения углеродосодержащих молекул, адсорбированных на поверхности призмы 45 датчика 42. В результате таких электронно-стимулированных процессов разложения высвобождаются атомы углерода, которые образуют нитевидные углеродосодержащие образования, растущие в направлении наименьшего расстояния между поверхностью и пучком быстрых электронов.

Технология формирования тонких пленок подробно изложена в [7, 8].

Применение предложенного датчика осуществляют следующим образом. Датчик устанавливают в сканирующий зондовый микроскоп таким образом, чтобы контактные площадки 17, 18 и 19 были подстыкованы к блоку управления СЗМ (не показан). Те гибкие консоли с зондами, которые не предполагается использовать в конкретном измерении, используя управляющие приводы 3, поднимают вверх. После этого наводят луч лазера на гибкую рабочую консоль и производят сканирование поверхности образца. Подробно работу СЗМ смотри в [7, 8].

В случае использования двух щупов 24 и 25 в качестве пинцета, на них можно подавать разные потенциалы для сближения их концов, или одинаковые потенциалы для их разведения.

Выполнение кремниевого зонда 7 в виде призмы 8, две противоположные боковые грани 10 и 11 которой образуют острые углы по отношению к плоскости гибкой консоли 2, увеличивает прочность зонда 7 и долговечность его использования. Выполнение оснований 12 и 13 с использованием кристаллических поверхностей (111), а также их перпендикулярное расположение относительно плоскости 2 позволяет лучше управлять ростом щупа 14 и, соответственно, повышает воспроизводимость его формы. Это является важным, т.к. в случае начала роста щупов с неопределенных, развитых поверхностей, какими, например, являются грани 10 и 11, дальнейшая их форма тяжело поддается управлению, что приводит к их изгибам и, соответственно, к снижению качества.

Расположение призмы 8 (фиг.1, 2) таким образом, что ее основания перпендикулярны продольной оси 20 гибкой консоли 2, является основным симметричным вариантом использования одного щупа. Кроме этого, этот вариант позволяет последовательно использовать сначала один щуп, а потом после его слома другой в случае их формирования с двух сторон призмы 8.

При расположении призмы 8, как показано на фиг.3, возможно ее значительное удлинение вдоль оси 23, соответственно, ее упрочнение и возможность размещения на ней большого количества щупов. Кроме этого, в этом случае возможно более рациональное использование режима пинцета, т.к. щупы будут касаться поверхности образца одновременно.

Использование конусообразных щупов позволяет увеличивать их прочность и долговечность. Изогнутая и Т-образная формы щупов позволяют исследовать, например, боковые стенки отверстий, что расширяет функциональные возможности устройства.

Использование на щупах металлических покрытий позволяет использовать режимы, в которых необходимо пропускание тока между зондом и образцом.

Применение ферромагнитного покрытия позволяет проводить магнитные измерения. Различные диэлектрические покрытия позволяют выбирать требуемую гидрофильность поверхности и оптимизировать силы взаимодействия между зондом и образцом. Полупроводниковые покрытия расширяют возможности исследования полупроводниковых материалов.

Использование покрытий расширяет функциональные возможности прибора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №2124251, H 01 J 37/28, 1998.

2. Minnt S.C., Mfnalis S.R. and Quate C.F. “Parallel atomic forse microscopy using cantilevers with integrate piezoresistive sensors and integrated piezoelectric actuators”, Appl. Phys. Let., v. 67, 1995, р. 3918-3920.

3. Патент РФ №2125234, G 01 B 7/34, 1999.

4. Патент РФ №2121657, G 01 B 15/00, 1998.

5. Патент РФ №0397799, G 01 N 27/00, 1989.

6. Патент РФ №2161344, H 01 J 37/28, 2001.

7. И.П.Степаненко. Основы микроэлектроники. М., “Советское радио”,1980 г.

8. Материалы для оптоэлектроники. Сборник статей. М., “Мир”, 1976 г.

9. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т. 12, №1, 1998 г., с.99-121.

10. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И.Данилов, Успехи химии 64 (8), 1995 г., с.818-833.

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии. В многозондовом датчике консольного типа содержится основание, плоские гибкие консоли с управляющими приводами и кремниевыми зондами. Кремниевый зонд содержит пьедестал. Пьедестал выполнен в виде призмы, одной боковой гранью закрепленной на плоской гибкой консоли. Противоположная грань параллельна плоскости консоли. Основания образованы кристаллическими плоскостями (111) и перпендикулярны плоскости гибкой консоли. Две другие противоположные грани образуют острые углы по отношению к плоскости гибкой консоли. На одном основании призмы сформировано по одному щупу, выполненному в виде иглообразного углеродосодержащего образования. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Многозондовый датчик консольного типа для сканирующего зондового микроскопа, содержащий основание, по меньшей мере, одну плоскую гибкую консоль с управляющим приводом и, по меньшей мере, одним кремниевым зондом, сформированным на одном ее конце, закрепленную на основании другим концом, отличающийся тем, что кремниевый зонд содержит пьедестал, выполненный в виде призмы, одной боковой гранью закрепленной на плоской гибкой консоли, при этом противоположная грань параллельна плоскости плоской гибкой консоли, основания образованы кристаллическими плоскостями (111) и перпендикулярны плоскости гибкой консоли, а две другие противоположные грани образуют острые углы по отношению к плоскости гибкой консоли, причем, по меньшей мере, на одном основании призмы сформировано, по меньшей мере, по одному щупу, выполненному в виде иглообразного углеродосодержащего образования.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что призма расположена таким образом, что ее основания перпендикулярны продольной оси плоской гибкой консоли.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что призма расположена таким образом, что ее основания параллельны продольной оси плоской гибкой консоли.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на основаниях призмы сформировано, как минимум, по одному щупу.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что щуп имеет конусообразную форму.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что щуп имеет изогнутую форму.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что щуп имеет Т-образную форму.8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхности щупа сформировано металлическое покрытие.9. Устройство по п.1,8, отличающееся тем, что металлическое покрытие выполнено из ферромагнетика.10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхности щупа сформировано диэлектрическое покрытие.11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхности щупа сформировано полупроводниковое покрытие.