ТЕСТОВАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ОЦЕНКИ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ОСТРИЯ ИГЛЫ КАНТИЛЕВЕРА СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ Российский патент 2008 года по МПК G01B11/255 

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноэлектроники, а более конкретно к сканирующей зондовой микроскопии.

Известен ряд тестовых структур [1-3], которые используются для определения геометрических параметров кантилеверов, применяемых в сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). В частности, они позволяют оценить значение радиуса кривизны острия игл кантилеверов. Информация о величине радиуса кривизны иглы канитилевера чрезвычайно важна в атомной силовой микроскопии (АСМ), являющейся одним из основных методов СЗМ. Дело в том, что на основе АСМ не удается получить истинное изображение локальных частиц с размером, меньшим радиуса кривизны острия иглы кантилевера. Поэтому, зная величину радиуса кривизны острия иглы используемого кантилевера, можно судить об истинности получаемого изображения нанообъектов.

Так, в [1] в качестве тестовых используют структуры, представляющие собой основание, на котором размещены регулярно расположенные локальные выступы в виде параллелограммов, на верхней части которых расположены усеченные пирамиды, нижнее основание которых совпадает с основанием параллепипедов, а верхнее основание имеет больший размер. Указанные структуры микроразмерные, т.к. выполнены с использованием технологии микроэлектроники. При сканировании таких структур иглой кантилевера обеспечивается возможность оценки формы острия иглы кантилевера. Однако данные структуры позволяют оценить форму иглы только с одной стороны. В силу того, что это микроразмерные структуры, не удается точно оценить радиус кривизны игл канилеверов, который составляет около 10 нм. Кроме того, эти структуры расположены на расстоянии, составляющем единицы мкм. Чтобы использовать ансамбль выступов для более объективной оценки радиуса кривизны острия игл кантилеверов, необходимо использовать значительное поле сканирования. Однако, чем больше поле сканирования в АСМ, тем ниже точность измерений в ней. Поэтому информация о геометрических параметрах канилевера собирается по сути при сканировании лишь одиночного выступа.

Известно техническое решение [2], представляющее собой острийную структуру, которая включает монокристаллическую подложку, на которой локально расположены острия, выполненные из монокремния или представляющие собой нанотрубки. Данная структура также имеет недостатки. В частности, если острия выполнены из кремния, то в процессе сканирования весьма вероятен процесс механического разрушения вершин острий, так как кремний является хрупким материалом. Если острия выполнены в форме нанотрубок, то во время сканирования под действием кантилевера острия подвержены движению, что искажает результаты измерений. Исходя из технологии создания данных структур, весьма вероятно то, что величина радиуса кривизны острий имеет значительный разброс. Это в первую очередь относится к остриям, выполненным из нанотрубок. Это снижает в целом воспроизводимость оценки радиуса кривизны игл кантилеверов с использованием данных тестовых структур.

Наиболее близким аналогом по техническому решению к заявляемому является [3].

Техническое решение представляет собой тестовую структуру для определения формы и геометрических размеров иглы сканирующего зондового микроскопа, состоящей из основания и расположенных на нем выступающих микроструктур правильной геометрической формы. Выступающие микроструктуры выполнены в виде вертикально расположенных игл. Радиус кривизны острия игл составляет величину, меньшую 10 нм. Недостатком такой структуры является то, что структуры подобно описанным в [1] расположены на расстоянии, составляющем единицы мкм. Поэтому при использовании ансамбля игл для объективной оценки радиуса кривизны острия снижается точность измерений. Как следует из [4], где показан пример реализации тестовой структуры [3], в лучшем случае воспроизводимый радиус кривизны игл структуры составляет 8-10 нм, что не позволяет оценить качество кантилеверов с меньшим радиусом кривизны их игл. Иглы имеют значительную высоту (8-10 мкм), что является крайне проблематичным для их сканирования (крайне тяжело к ним подвестись иглой кантилевера, необходимо проводить измерения при значительной амплитуде колебания кантилеверов и т.д.). А поскольку они выполнены из кремния, весьма вероятен процесс механического разрушения вершин игл при их сканировании кантилевером. Все в целом определяет невысокую воспроизводимость в оценке радиуса кривизны острия игл кантилеверов с использованием данных тестовых структур.

Цель - обеспечение повышенной воспроизводимости в оценке радиуса кривизны игл кантилеверов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Тестовая структура для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии состоит из основания, на котором размещены вертикально расположенные острия. Она характеризуется тем, что основание содержит приповерхностный слой, имеющий рельефную ячеистую структуру (сотообразную). Ячейки структуры плотно упакованы. Соседние ячейки имеют общую стенку, при этом каждая ячейка является, как минимум, пятистенной. Стенки каждой ячейки расположены вертикально. Верхние кромки стенок ячеек имеют вогнутую форму. Острия выполнены соединением в узловых местах трех верхних кромок стенок различных ячеек. Радиус кривизны вершин острий от 1 до 3 нм, высота острий 20 до 100 нм, расстояние между отдельными остриями от 10 до 500 нм. Приповерхностный слой основания выполнен из алюминия. Тестовая структура может быть выполнена полностью из алюминия. Другим вариантом выполнения основания структуры является подложка, на которой расположена тонкая пленка алюминия, содержащая приповерхностный слой основания. Одним из наиболее подходящих материалов подложки является кремний.

На фиг.1 приведено схематическое изображение тестовой структуры для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера сканирующей зондовой микроскопии (вид сверху).

На фиг.2 приведено поперечное сечение тестовой структуры, где а - высота острий, b - расстояние между остриями.

На фиг.3 приведено укрупненное изображение вершины острия тестовой структуры, где R - радус кривизны вершины острия.

На фиг.4. изображено схематическое изображение структуры пористого оксида алюминия, где 1 - барьерный слой оксида алюминия, 2 - пора, 3 - оксидная ячейка.

На фиг.5 приведены типичные двумерное (а) и трехмерное (б) атомно-силовые изображения поверхности тестовой структуры, полученные с использованием кантилеверов 1-го и 2-го типов.

На фиг.6 приведены двумерное (а) и трехмерное (б) атомно-силовые изображения поверхности тестовой структуры, полученные с использованием кантилеверов 3-го типа.

По сути заявляемая тестовая структура содержит приповерхностный нанопрофилированный слой алюминия, структуру которого иллюстрируют фиг.1, 2 и 3. Особенности заявляемой структуры связаны с конструктивными особенностями пористого анодного оксида алюминия.

С использованием имеющихся в настоящее время модельных представлений и натурных экспериментов можно сформулировать основные положения физико-геометрической модели строения анодной оксидной пленки пористого типа:

1. Пористая анодная оксидная пленка представляет собой плотноупакованные оксидные ячейки, являющиеся в идеальном случае шестистенными, спаянные между собой стенками (см. фиг.4).

2. Оксидные ячейки направлены нормально к поверхности металла и параллельны друг другу.

3. В центре каждой ячейки имеется одна пора.

4. На границе раздела с алюминием поверхность анодного оксида имеет развитый рельеф (поверхность ячеек представляет собой выпуклую полусферу).

В зависимости от условий изготовления период ячейки можно изменять в диапазоне от единиц до сотен нанометров.

Из-за возможных дефектов в реальных структурах пористого оксида алюминия могут наблюдаться пятистенные и семистенные ячейки.

Если в приповерхностном слое алюминия сформировать слой пористого анодного оксида алюминия и селективно его удалить, то поверхность слоя алюминия наследует рельеф нижней поверхности анодного оксида. Такой слой алюминия с развитой нанорельефной поверхностью и является тестовой структурой для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии. Стенки каждой ячейки в тестовой структуре расположены вертикально. Верхние кромки стенок ячеек имеют вогнутую форму. Острия выполнены соединением в узловых местах трех верхних кромок стенок различных ячеек. Из массива имеющихся экспериментальных результатов было выявлено, что высота острий находится в диапазоне от 20 до 100 нм. Расстояние между отдельными остриями в диапазоне от 10 до 500 нм. Это обусловлено тем, что существующие электролиты не обеспечивают воспроизводимого формирования пористого анодного оксида алюминия менее 10 нм и более 0,5 мкм. Приповерхностный слой основания выполнен из алюминия. Тестовая структура может быть выполнена полностью из алюминия. Этот случай реализуется, когда основанием является алюминиевая фольга. Основание структуры может быть выполнено в виде подложки, на которой расположена тонкая пленка алюминия, содержащая приповерхностный слой основания. Это обеспечивает высокую механическую прочность структуры. Одним из наиболее подходящих материалов подложки является кремний. Это обусловлено тем, что алюминий имеет хорошую адгезию к кремнию. Кроме того, развитая в настоящее время технология кремниевой микроэлектроники существенно упрощает технологию создания таких структур.

Для доказательства достижимости конструктивных параметров заявляемой тестовой структуры было проведено детальное исследование поверхности алюминия после удаления с него слоя пористого анодного оксида алюминия.

Для исследования были изготовлены кремниевые кантилеверы, имеющие различный радиус кривизны острия иглы:

- стандартные кантилеверы с радиусом кривизны острия иглы ˜10-30 нм (1-го типа);

- кантилеверы, содержащие специально выращенное на вершине иглы углеродное острие с радиусом кривизны ˜5-7 нм (2-го типа);

- кантилеверы, имеющие специально выращенное на вершине иглы кремниевое острие с радиусом кривизны ˜1-2 нм (3-го типа).

На основе метода атомной силовой микроскопии в полуконтактном режиме была исследована топография нанорельефной поверхности алюминия с использованием каждого из трех типов кантилеверов. С использованием первых двух типов кантилеверов было получено 3-х мерное изображение поверхности алюминия, согласующееся с известными данными (см. фиг.5). С использованием кантилеверов 3-го типа впервые на основе АСМ было получено изображение структуры пористого оксида, принципиально отличающееся от известных (см. фиг.6). Выявленная разница в полученных изображениях поверхности структуры обусловлена следующим. При измерениях морфологии поверхности на основе АСМ характерно паразитное явление конволюции, часто приводящее к искажению истинной картины рельефа поверхности. Суть явления в том, что каждая точка данных на получаемом изображении исследуемой рельефной поверхности представляет собой пространственную свертку формы острия иглы кантилевера и формы исследуемого объекта. Получаемая картина поверхности вместо изображения локальных частиц с размером, меньшим радиуса кривизны острия иглы кантилевера, содержит изображение острия иглы. С использованием кантилеверов 3-го типа явление конволюции удалось преодолеть и получить изображение, в максимальной степени приближенное к истинному. Из результатов исследования было выявлено, что структура реальных элементарных ячеек пористого оксида алюминия отличается от идеальных тем, что в узловых местах соединения верхних кромок стенок трех ячеек различных ячеек наблюдаются острия, радиус кривизны вершины которых находится в диапозоне от 1 до 3 нм (см. фиг.3) и которые не могли быть зафиксированы с использованием традиционных кантилеверов.

Такие слои алюминия с развитой упорядоченной нанорельефной поверхностью по сути как раз и представляют собой тестовые структуры для точного определения радиуса кривизны вершины острия иглы ккантилеверов, используемых в сканирующей силовой микроскопии.

Пример исполнения

Тестовая структура для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера сканирующей зондовой микроскопии состоит из основания, представляющего собой алюминиевую фольгу. Приповерхностный слой имеет рельефную ячеистую структуру (сотообразные ячейки). Ячейки плотно упакованы. Каждая ячейка является шестистенной. Различные ячейки имеют общую стенку. Стенки каждой ячейки расположены вертикально. Верхние кромки стенок имеют вогнутую форму. Острия выполнены соединением в узловых местах верхних кромок трех стенок различных ячеек. Радиус кривизны вершин острий равен 2 нм. Высота острий равна 40 нм, расстояние между отдельными остриями равно 0,1 мкм.

Данную структуру можно изготовить следующим образом.

В качестве исходной была выбрана алюминиевая фольга толщиной 300 мкм. Проводят анодное окисление верхней части алюминиевой фольги. Анодирование проводят в 1 М водном растворе ортофосфорной кислоты при плотности тока 10 мА/см² в течение десяти минут. В течение всей стадии напряжение между анодируемым образцом и катодом составляет 120 В. Слой анодного оксида селективно по отношению к нижележащему алюминию удаляют в смеси Н₃PO₄ и CrO₃.

Источники информации

1. Патент США US5578745, G01H 1/00, 1996.

2. Патент РФ №2001135713, G01L 1/00, 2003.

3. Патент РФ №97101994, G01B 15/00, 1999 - прототип.

4. V.Bykov, A.Gologanov, V.Shevyakov. Test structure for SPM tip shape deconvolution. / Appl. Phys. A. 1998. V.66. P.499-502.

Тестовая структура для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера сканирующей зондовой микроскопии состоит из основания, на котором размещены вертикально расположенные острия. Основание содержит приповерхностный слой, имеющий рельефную ячеистую структуру с плотной упаковкой, соседние ячейки имеют общую стенку. Каждая ячейка является, как минимум, пятистенной, стенки каждой ячейки расположены вертикально, верхние кромки стенок ячеек имеют вогнутую форму. Острия выполнены соединением в узловых местах трех верхних кромок стенок различных ячеек, радиус кривизны вершин острий от 1 до 3 нм, высота острий от 20 до 100 нм. Расстояние между отдельными остриями от 10 до 500 нм, приповерхностный слой основания выполнен из алюминия. Основание представляет собой подложку, на которой расположена тонкая пленка алюминия, содержащая приповерхностный слой основания. Подложка выполнена из монокристаллического кремния. Технический результат - повышение воспроизводимости в оценке радиуса кривизны игл кантилеверов. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Тестовая структура для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера сканирующей зондовой микроскопии, состоящая из основания, на котором размещены вертикально расположенные острия, отличающаяся тем, что основание содержит приповерхностный слой, имеющий рельефную ячеистую структуру с плотной упаковкой, соседние ячейки имеют общую стенку, а каждая ячейка является как минимум пятистенной, стенки каждой ячейки расположены вертикально, верхние кромки стенок ячеек имеют вогнутую форму, острия выполнены соединением в узловых местах трех верхних кромок стенок различных ячеек, радиус кривизны вершин острий от 1 до 3 нм, высота острий от 20 до 100 нм, расстояние между отдельными остриями от 10 до 500 нм, приповерхностный слой основания выполнен из алюминия.2. Тестовая структура по п.1, отличающаяся тем, что основание выполнено из алюминия.3. Тестовая структура по п.1, отличающаяся тем, что основание представляет собой подложку, на которой расположена тонкая пленка алюминия, содержащая приповерхностный слой основания.4. Тестовая структура по п.3, отличающаяся тем, что подложка выполнена из монокристаллического кремния.