МИНИАТЮРИЗОВАННЫЙ ПРУЖИННЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01Q60/38 G01Q70/16 B82B1/00 

Изобретение относится к миниатюризованному пружинному элементу с гибким основным телом. Оно также к балочному зонду для растрового микроскопа атомарных сил с подобным пружинным элементом, а также к способу изготовления подобного пружинного элемента.

Миниатюризованные пружинные элементы с гибким основным телом микроскопических размеров могут использоваться во множестве применений. Подобные пружинные элементы обычно включают в себя гибкое основное тело, которое в ответ на внешнее воздействующее механическое усилие деформируется или отклоняется и при снятии внешнего усилия вновь приобретает первоначальную форму. Отклонение основного тела может быть при этом, в частности, пропорциональным воздействующему усилию. В миниатюризованной форме, то есть при микроскопических размерах основного тела, подобные пружинные элементы могут использоваться, например, как микровесы для высокопрезиционного взвешивания отдельных молекул, в качестве чувствительных элементов микромеханики, биосенсорики или т.п.

Особенно значительным и распространенным применением подобных миниатюризованных пружинных элементов является использование в качестве так называемого балочного зонда или консоли в растровом микроскопе атомарных сил. В подобном растровом микроскопе атомарных сил используется принцип, состоящий в том, что на основе атомарных сил между тонким концом зонда и находящейся в непосредственной близости исследуемой поверхности возникают переменные взаимодействия между концом зонда и поверхностью, которые могут быть использованы для оценки атомарной структуры поверхности. При этом конец зонда обычно монтируется на гибком держателе или основном теле, причем в зависимости от имеющегося оконтуривания исследуемой поверхности на атомной шкале, в зависимости от местоположения, устанавливается соответствующее отклонение гибкого основного тела. Путем соответствующего определения этого отклонения или посредством определения соответственно выбранных управляющих сигналов, с помощью которых, например, расстояние между концом зонда и исследуемой поверхностью может поддерживаться постоянным, можно, таким образом, определить на атомной шкале отображение исследуемой поверхности.

При подобных применениях миниатюризованных пружинных элементов обычно главным является обеспечение возможности сравнительно точного измерения или определения отклонения соответствующего пружинного элемента, устанавливающегося в зависимости от параметров или ситуации. При этом определение отклонения может осуществляться, например, посредством отражения света на верхней стороне соответствующего пружинного элемента или посредством использования пьезоэффекта в гибком основном теле. При этом именно в отношении типично атомарных расстояний исследуемых образцов особенно желательно высокоточное и особенно надежное определение отклонения.

Поэтому в основе изобретения лежит задача создать миниатюризованный пружинный элемент, с помощью которого можно определять отклонение пружинного элемента особенно надежным образом и с высокой точностью. Кроме того, должен быть предложен особенно подходящий способ для изготовления подобного миниатюризованного пружинного элемента.

В отношении пружинного элемента эта задача в соответствии с изобретением решается тем, что гибкое основное тело имеет детекторную зону, электрическая проводимость которой определяется посредством электронных туннельных, ионизационных или предпочтительно прыжковых процессов.

При этом изобретение исходит из той идеи, что отклонение пружинного элемента названного типа следует вместе изгибом гибкого основного тела, которое, со своей стороны, в микроскопических размерах коррелирует с изменением длины, по меньшей мере, некоторых пространственных областей, например, относительно устанавливающейся кривизны внутренней или внешней поверхности основного тела. Чтобы обеспечить возможность особенно надежного определения отклонения, для этого должно предусматриваться особенно чувствительное определение также мельчайших изменений длины, в частности в ближней к поверхности области гибкого основного тела. Чтобы обеспечить эту возможность, в области детекторной зоны основного тела предусмотрена система, которая очень чувствительным образом реагирует на мельчайшие изменения длины сравнительно сильно выраженным изменением своей электрической проводимости.

Это достигается предоставлением системы в детекторной зоне, при которой за счет электрически изолированных наночастиц, легирующих примесей, дефектов или центров захвата или за счет структурной неупорядоченности образуются локальные состояния или нульмерный электронный газ или иным образом захваченные энергетические состояния для носителей заряда. Перенос заряда может тогда быть только термически активированным при подведении поддерживающей внешней электрической, электромагнитной или термической энергии активации. Возможными механизмами проводимости являются: так называемый прыжковый механизм, эффекты автоэлектронной (полевой, туннельной) эмиссии или ионизации, Poole-Frenkel-эффект или другой подобный туннельный эффект электронов между локальными участками или дефектами или центрами захвата. Как раз в подобных системах, при которых перенос электронов определяется, в основном, туннельным, ионизационным или прыжковым эффектом, именно электрическая проводимость в чрезвычайной степени зависит от расстояния между отдельными локализованными состояниями, так что уже при мельчайших изменения расстояния получаются сравнительно большие воздействия на электрическую проводимость, в частности, так как электрические параметры, такие как сопротивление или проводимость, в таких системах экспоненциально изменяются с изменением расстояния между туннельными партнерами.

В случае преобладания прыжковых процессов для электрической проводимости детекторной зоны, которая возникает в общем в неупорядоченных бесструктурных системах, как, например, в аморфном кремнии, температурная зависимость ее электрической проводимости определяется предпочтительно приближенным образом как соотношение ln σ~t^-γ. Предпочтительным образом детекторная зона при этом выполнена таким образом, что характеристическая экспонента γ этого соотношения имеет значение между 0 и 1, предпочтительно значение, равное примерно 0,25, примерно 0,5 или примерно 1.

В случае преобладания простых туннельных процессов, которые возникают вследствие автоэлектронной (полевой) эмиссии, или эффекта ионизации, или Poole-Frenkel-эффекта между локально чередующимися зонами с низкой и высокой проводимостью и которые не следуют соотношению ln σ~t^-γ, детекторная зона проявляет прямую экспоненциально выраженную чувствительность по отношению к изменяющимся по местоположению механическим напряженным состояниям, так как возникающий при туннельном эффекте туннельный ток спадает экспоненциально в зависимости от расстояния между туннельными партнерами. Подобные локально чередующиеся зоны с низкой и высокой проводимостью образуются, например, в композитной системе из внедренных в электрически изолирующую матрицу (базовую среду) проводящих нанокристаллов, дефектов или центров захвата или легирующих примесей. Так как экспоненциальная функция во всех вариантах является наиболее сильно растущей функцией, способ обнаружения деформации посредством туннельного эффекта представляет также чувствительный способ для измерения изменений местоположения.

Для обеспечения предусмотренного преобладания электронных туннельных, ионизационных или прыжковых процессов для электрической проводимости детекторной зоны образующий ее материал предпочтительным образом имеет особенно подходящую морфологию. В частности, морфология в детекторной зоне выбрана предпочтительно таким образом, что образуется множество сравнительно незначительно протяженных зон со сравнительно высокой электрической проводимостью, которые связаны между собой посредством промежуточных зон со сравнительно более низкой электрической проводимостью или граничат друг с другом. Для этого материал, образующий детекторную зону, может, например, иметь аморфную, нано- или поликристаллическую структуру. Предпочтительным образом, однако, детекторная зона образована из внедренных в матрицу из соответственно выбранного, в частности, непроводящего материала сравнительно низкой электрической проводимости, наночастиц с электрической проводимостью, более высокой по сравнению с материалом матрицы.

При этом наночастицы могут быть образованы из материала с соответственно высокой электрической проводимостью, например из полупроводящего или сверхпроводящего материала. Однако особенно соответствующее потребностям установление желательного свойства достигается тем, что наночастицы образованы металлическими, в частности из золота (Au) или платины (Pt).

Предпочтительным образом для образования матрицы предусматривается неорганический, органический или диэлектрический материал или также полимерный материал.

Предпочтительным образом материал, образующий детекторную зону, который предусмотрен как сенсорно активный материал, выполнен, в отношении выбора его соответствующих параметров, в особенности в расчете на желательную сильную зависимость его электрической проводимости от деформации или изменения длины. Чтобы обеспечить это, в особенности, наночастицы или вызывающие локализованные состояния дефекты, таким образом, выбираются в отношении их величины, промежутков, свойства и плотности числа частиц при внедрении в матрицу, что, по существу, доминирует результирующая электрическая проводимость, вызванная названными электронными туннельными, ионизационными или прыжковыми процессами. При этом наночастицы имеют среднюю величину частиц до 10 нм. Но, в качестве альтернативы, также возможны величины частиц до 100 нм или более, если они электрически в достаточной степени изолированы друг от друга и расстояния между ними достаточно малы, так что между ними могут устанавливаться туннельные эффекты.

В предпочтительном дальнейшем развитии детекторная зона образована покрытием, нанесенным на несущее тело. Относительно прочих свойств миниатюризованного пружинного элемента, как, например, качество, деформируемость или иные упругие свойства, можно при этом сослаться на существующие и уже зарекомендовавшие себя в использовании пружинные элементы, причем, в частности, при использовании в качестве балочного зонда в растровом микроскопе атомарных сил может быть предусмотрена кремниевая подложка. По типу повышения качества подобного обычного пружинного элемента или консоли можно при этом путем нанесения покрытия названного типа образовать детекторную зону основного тела. В качестве альтернативы, основное тело как единое целое может во всей своей полноте образовывать детекторную зону.

Пружинный элемент и, в частности, образующее его основное тело предпочтительным образом согласовано, в отношении его размеров и формы, с предполагаемой целью использования. Например, основное тело может быть выполнено в форме мембраны, что позволило бы, в частности, применение в датчиках давления или тому подобном. Предпочтительным образом, основное тело может быть также выполнено по типу протяженного в продольном направлении стержня, причем за счет задания подобной продольной протяженности создается определенная геометрия измерений. При этом основное тело имеет предпочтительным образом поперечное сечение, по существу, в форме призмы.

Пружинный элемент пригоден для большого количества применений, например как компактные и чувствительные датчики газа и биодатчики в области молекулярной химии или наук о жизни, как, например, при измерениях концентрации газов или ДНК-анализе. В медицине возможно использование многомерных полей подобных пружинных элементов, например, для диагноза заболеваний посредством анализа продуктов обмена веществ выдыхаемого воздуха посредством прямого взвешивания и характеризации молекул. Анализ крови с помощью мельчайших миниатюризованных пружинных элементов может использоваться, в общем, также для диагностики инфаркта сердца или для поиска опухолевых маркеров. В области микробиологии подобные пружинные элементы на основе интегрированной по детекторной зоне сенсорике отклонения могут использоваться для индикации микроорганизмов, а также для исследования устойчивости к антибиотикам, как она часто проявляется при медикаментозном лечении инфекционных заболеваний. Также подобные пружинные элементы могут применяться в области охраны окружающей среды для индикации токсических компонентов в воздухе, в газах и жидкостях или для обнаружения ядовитых или взрывоопасных веществ в химической промышленности.

В особенно предпочтительном дальнейшем развитии пружинный элемент используется, однако, в качестве консоли в растровом микроскопе атомарных сил, причем консоль для образования так называемого балочного зонда растрового микроскопа атомарных сил снабжается соответствующим образом щупом зонда или считывающим щупом. Именно в этом применении особенно предпочтительно реализуется чрезвычайно чувствительная и высокоразрешающая сенсорика отклонения и необходимая в растровой микроскопии атомарных сил особенно высокая чувствительность измерений.

При этом растровый микроскоп атомарных сил целесообразно выполняется обычным способом для латерального (горизонтального) сканирования топографии объекта измерения. Чтобы при этом иметь возможность особенно предпочтительного использования высокочувствительного изменения проводимости детекторной зоны в зависимости от отклонения пружинного элемента, растровый микроскоп атомарных сил предпочтительным образом снабжен блоком оценки, который с помощью данных управления или измерения балочного зонда формирует блок данных, характерный для топографии испытуемого объекта, причем блок оценки при выработке блока данных принимает во внимание параметры, характерные для проводимости детекторной зоны консоли. При этом топография могла бы оцениваться, например, по типу поверхностного рельефа. При оценке намагниченного зонда с магнитным считывающим щупом могла бы также оцениваться «магнитная топография». В качестве альтернативы или дополнительно, могло бы также предусматриваться латеральное перемещение консоли по поверхности, при котором из-за трения с поверхностью зонда возникает кручение консоли (так называемый «фрикционный режим»).

При работе растрового микроскопа атомарных сил предпочтительным образом отклонение балочного зонда определяется на основе измеренного значения, характерного для электрической проводимости детекторной зоны балочного зонда. Для этого детекторная зона пружинного элемента предпочтительным образом соответственно контактирует и связана с блоком оценки растрового микроскопа атомарных сил.

Для изготовления пружинного элемента в принципе возможны различные технологии. Способ, особенно хорошо пригодный для принципов выполнения пружинного элемента, в частности к подготовке детекторной зоны, и, тем самым, особенно пригодный для изготовлении, которым решается относящаяся к этому задача изобретения, заключается в нанесении покрытия посредством локального возбуждения энергии, например посредством нанесения, индуцированного ионным пучком, индуцированного пиролитически или индуцированного фотонным пучком, в особенности предпочтительно, нанесения, индуцированного пучком электронов (EBID). Эти способы основываются на физических или химических процессах преобразования газа-предшественника, имеющегося на месте пучка, под действием сканирующего пучка частиц, состоящего из электронов, ионов или фотонов, или пучка электромагнитных волн. Посредством этого способа возможно целенаправленное осаждение материала функциональной наноструктуры, в частности, в смысле структурирования осаждаемого материала (отложения) в микроскопическом масштабе, причем путем выбора подходящего параметра осаждения возможно целенаправленное пространственное построение желательных структур, ограниченное желательным в конечном продукте пространственным составом.

Тем самым последующая дополнительная обработка осажденных структур в смысле обычных методов, как, например, путем литографического травления или тому подобного, не требует, чтобы в миниатюризованном конечном продукте сформировать желательную пространственную форму. Процесс структурирования осаждаемого материала (отложения) основывается при этом на том принципе, что молекулы исходного материала (предшественника), которые находятся в газовой фазе и в вакуумной среде, абсорбируются на поверхности, возбуждаются локально концентрированным излучением энергии, которое может состоять, например, из сфокусированных электронов, ионов или фотонов или других энергетически связанных объектов, и за счет процессов разложения или преобразования их связей в качестве осадка или отложения продолжительно фиксируются на поверхности находящейся вблизи подложки. Начальное отложение материала служит при этом одновременно в качестве центров кристаллизации для новых осаждений, которые проводятся посредством локального позиционирования энергетического воздействия и его длительности нахождения, так что можно осуществлять осаждение любых трехмерных объектов на подложке в зависимости от фокусируемости источника энергии с точностью вплоть до нанометров.

За счет подходящего выбора исходных веществ и материалов-предшественников, а также за счет подходящего выбора параметров, применяемых в процессе осаждения, при этом возможно особенно гибкое и глубокое влияние на микроскопические свойства конечного продукта. Для того чтобы в детекторной зоне гарантировать желательную сильную зависимость электрической проводимости от соответствующего изменения длины и предусмотренное для этого целенаправленное и сравнительно однородное распределение наночастиц в подходящей матрице, в качестве материалов-предшественников предпочтительным образом применяются органические, неорганические, диэлектрические или металлорганические комплексы, мономеры, олигомеры, полимеры или смеси из таких мономеров, олигомеров и полимеров, которые предпочтительно находятся в газовой фазе и имеют особенно благоприятное для осаждения давление пара. Предпочтительным образом, в качестве вещества-предшественника применяются, в частности, CH₃, C₅O₂H₇, C₅O₂F₃H₄, C₅O₂F₆H, CH₅, Me₂Au(acac) [суммарная формула: (CH₃)₂AuC₅O₂H₇], Me₂Au(tfac) [суммарная формула: (CH₃)₂AuC₅O₂F₃H₄], Me₂Au(hfac) [суммарная формула: (CH₃)₂AuC₅O₂F₆H], Cu(hfac)₂ [суммарная формула: Cu(C₅O₂F₆H)₂], CpPtMe₃ [суммарная формула: C₅H₅Pt(CH₃)₃], CpMePtMe₃ [суммарная формула: C₅H₄(CH₃)Pt(CH₃)₃], Mo(CO)₆, W(CO)₆, WF₆, [RhCl(PF₃)₂]_2, Co₂(Co)₈, AuCl(PF₃) и/или Ni(CO)₄.

Названный способ осаждения подходит, в частности, как для изготовления покрытия поверхности для создания детекторной зоны на подложке, служащей в качестве несущего тела, по типу улучшения несущего тела, так и для изготовления объемного тела, при котором основное тело пружинного элемента уже образовано из наночастиц, внедренных в матрицу, и, таким образом, со своей стороны во всей своей полноте образует детекторную зону. Для изготовления подобных структур предпочтительным образом проводится предусмотренная для энергетического возбуждения материалов-предшественников обработка пучком частиц или локальная пиролитическая обработка, например, лазерным пучком по отношению к подложке латерально или трехмерно в зависимости от заданной номинальной геометрии осадка.

При этом предпочтительным образом температура подложки во время осаждения регулируется соответствующим образом. Тем самым оказывается влияние на скорость процессов поверхностной диффузии на подложке, что ведет к регулируемой скорости инжекции материала-предшественника и, тем самым, к контролируемой скорости роста осадка. В качестве альтернативы, скорость инжекции может также регулироваться тем, что температура источника предшественника либо повышается, либо снижается, так как это оказывает непосредственное влияние на давление паров предшественника.

В качестве альтернативы, предпочтительным образом может также применяться пиролитическое или пиролитически индуцированное осаждение. Твердые отложения могут также осаждаться на подложке за счет того, что подложка после ненаправленной адсорбции молекул предшественника нагревается, например, снизу посредством нити накала или сверху посредством лазерного пучка. Подача энергии затем обуславливает локально желательное преобразование материалов-предшественников. Тем самым может быть получен латерально, правда, лишь сравнительно грубо структурированный осадок, но который особенно хорошо может подходить, например, для дополнительного улучшения консолей на кремниевой основе. Кроме того, подобное пиролитическое осаждение может служить для изготовления мембран для измерения давления, при которых латеральное точное структурирование имеет лишь подчиненное значение.

За счет применения указанного структурирования отложения, в частности, путем изготовления детекторной зоны или также всего основного тела пружинного элемента посредством индуцированного электронным пучком осаждения или также посредством индуцированного ионным пучком, пиролитически индуцированного или индуцированного фотонным пучком осаждения достигается особенно высокая гибкость при установлении желательных свойств конечного продукта. В частности, за счет выбора подходящей структуры для матрицы может устанавливаться не только электрическая проводимость в смысле желательной чувствительности при изменении длины, но и, более того, целенаправленное влияние на параметры изготовления при осаждении структур также обеспечивает целенаправленное влияние на иные микроскопические свойства. В особенности, можно при этом соответствующим образом оказывать влияние на механические свойства основного тела и, тем самым, всего пружинного элемента в зависимости от заданной цели использования, причем, в частности, для цели применения может устанавливаться особенно благоприятная упругость или особенно благоприятное качество пружинного элемента.

Например, при применении предшественников из металлорганических комплексных соединений можно осаждать особенно легко изгибаемые, мягкие структуры, в частности электрически проводящие структуры материала с нанокристаллическим характером для использования в туннельной электронике. Предшественники, которые имеют высокое содержание углерода, как, например, летучие молекулы масел остаточного газа, образуют, напротив, в качестве осадка ввиду действующих в агломерате ковалентных углеродных соединений механически особенно «жесткие», алмазоподобные отложения, которые в качестве пружинных элементов ведут себя особенно неподатливо. При изготовлении пружинного элемента, особенно предпочтительным образом, это учитывается тем, что некоторое число параметров, тип, количество и/или состав веществ-предшественников, давление газа в зоне осаждения, интенсивность локального приложения энергии (например, пучка электронов), длительность облучения пучком электронов, степень фокусировки пучка электронов, материал подложки и/или температура подложки устанавливаются таким образом, что пружинный элемент имеет заданный коэффициент жесткости пружины и/или заданное качество.

За счет выбора параметров осаждения можно также изготавливать пружинные элементы, которые при механической нагрузке в сравнении с пружинными элементами на основе полупроводников из монокристаллов или поликристаллов (например, Si-консоли) отличаются высокой надежностью и долговечностью или свободой от усталости. Параметры осаждения могут, например, выбираться таким образом, что пружинный элемент преимущественной частью состоит из матрицы с преобладающими ковалентными компонентами соединения; например, между атомами углерода в форме алмазоподобного соединения (тетраэдрическая координация). Тогда можно также изготовить очень твердые пружинные элементы, если алмазоподобные соединения изготавливаются лишь локально (аморфная структура). В такой, в основном, аморфной структуре ввиду отсутствия упорядоченной решетчатой структуры атомов не проявляется или проявляется в очень незначительной степени образование дислокаций. Тем самым структура свободна от усталости, так как важным процессом диссипации является скольжение дислокаций. Поэтому подобные композиционные структуры в общем случае очень хорошо подходят для применений жестких материалов, например для нанесения покрытий жестких материалов.

В этой связи может также приниматься во внимание, что свободно выбираемая с нанометрической точностью возможность позиционирования пружинных структур отложений на подложке при осаждении, кроме того, позволяет формировать относительно сложные функционально взаимозависимые многократные пружинные системы, так что особенно простым образом обеспечивается возможность изготовления решеток пружинных устройств (так называемых пружинных или консольных решеток). Дополнительная адаптируемость к соответствующей цели применения, кроме того, обеспечивается тем, что при предусмотренном структурировании отложения обеспечивается сравнительно высокая гибкость по отношению к геометрическим аспектам. В частности, латеральное разрешение и аспектное отношение (отношение высоты к ширине) зависят, а также другие упругомеханические, электрические и магнитные свойства отложения сравнительно чувствительны к типу выбранного источника энергии, его интенсивности и его длительности действия, а также релевантного для процессов преобразования при осаждении отложения на подложку, сравнительно сложного взаимодействия используемого материала-предшественника, его количества и иных факторов среды, например температуры, материала подложки и качества вакуума процесса. За счет влияния на эти параметры тем самым возможно целенаправленное установление различных свойств изготавливаемого отложения.

Достигаемые с помощью изобретения преимущества заключаются, в особенности, в том, что за счет обеспечения детекторной зоны на основе внедренных в матрицу наночастиц достижима особенно чувствительная зависимость электрической проводимости детекторной зоны от изменений длины в наименьшем масштабе. Тем самым могут проводиться особенно чувствительные измерения, которые осуществляются при очень малых изменениях длины, как, например, такие, которые приводят к локальному сжатию или растяжению близких к поверхности участков пружинного элемента. Тем самым могут быть измерены с особой точностью отклонения пружинного элемента, так что могут быть предоставлены высокоточные датчики на основе подобных измерений отклонения. Для случаев применения, при которых также могут определяться сравнительно большие отклонения, пружинный элемент может быть дополнительно снабжен зеркальной поверхностью, которая обеспечивает возможность оптического определения отклонений.

Подобные датчики могут применяться, например, в микромеханике, биосенсорике или тому подобном. Посредством изготовления детекторной зоны или также всего пружинного элемента способом структурирования отложения, таким как, в частности, индуцированное электронным пучком осаждение, к тому же возможно целенаправленное изготовление микроскопических структур с широким спектром желательных свойств, причем, в частности, посредством подходящего выбора материалов и параметров, дополнительно к электрическим, также могут особенно благоприятным образом устанавливаться механические свойства. В особенности, за счет этой гибкости существует возможность предварительного установления пружинных характеристик и качества элементов, которые делают их особенно пригодными для использования в растровых микроскопах атомарных сил. Помимо этого за счет применения индуцированного электронным пучком осаждения могут изготавливаться чрезвычайно миниатюризованные пружинные элементы или консоли, причем, в частности, геометрия пружины и детектора может выбираться практически свободно. Миниатюризация микромеханических систем может при этом, в сравнении с обычными системами, реализовываться значительно шире, причем достижимы измерения длины, уменьшенные в 1000 раз по сравнению с системами, изготовленными традиционными способами структурирования.

Пример выполнения изобретения поясняется с помощью чертежей, на которых представлено следующее:

фиг.1а, 1b - соответственно миниатюризованный пружинный элемент,

фиг.2 - схематичное представление растрового микроскопа атомарных сил,

фиг.3а-3с - соответственно выращиваемое на подложке отложение на различных фазах осаждения.

Миниатюризованный пружинный элемент 1, 1' согласно фиг.1а или 1b предназначен, в частности, для использования в качестве консоли 2 или балочного зонда в растровом микроскопе атомарных сил. Но, в качестве альтернативы, также возможно множество других применений в микросенсорике или биосенсорике. Миниатюризованный пружинный элемент 1, 1' содержит гибкое основное тело 4, которое выполнено по типу протяженного в обозначенном стрелкой 6 продольном направлении стержня и имеет, по существу, призмообразное поперечное сечение. При этом основное тело 4 в отношении его упругих свойств и тому подобного выполнено таким образом, чтобы за счет внешнего приложенного механического усилия отклоняться в направлении отклонения, по существу, перпендикулярном продольному направлению, как указано стрелкой 8. На фиг.1а, 1b соответствующее основное тело 4 показано в подобным образом отклоненном положении. При снятии действующего извне механического усилия основное тело 4 и вместе с ним весь пружинный элемент 1, 1' возвращаются в исходное положение, ориентированное, по существу, прямолинейно. Если растянуть пружинный элемент 1, 1' в его очертании перпендикулярно промежуточной плоскости, то получается тонкая мембрана для определения воздействующих по плоскости усилий, например для измерения термодинамического давления газа.

Пружинный элемент 1, 1' проектируется таким образом, чтобы отклонение при воздействии механического усилия определять особенно чувствительным образом и с высоким разрешением. Для этого основное тело 4 пружинного элемента 1, 1' содержит, соответственно, детекторную зону 10, которая образована внедренными в матрицу 12 предпочтительно металлическими наночастицами 14. При этом матрица 12 в примере выполнения выполнена как полимерная матрица, в которую внедрены металлические наночастицы 14. Наночастицы 14 образуют при этом внедренные локализованные состояния для электрических зарядов. В качестве альтернативы или дополнительно, они могут быть также образованы дефектами или центрами захвата или посредством структурной неупорядоченности, например, в аморфной среде.

Относительно выбора материала матрицы 12 и наночастиц 14, а также относительно средней величины частиц, в примере выполнения порядка 10 нм, и плотности наночастиц 14 соответствующие параметры выбираются таким образом, что электрический перенос между наночастицами 14 внутри матрицы 12 характеризуется прыжковыми процессами и выполняется посредством туннельных процессов. Поэтому механизм проводимости в детекторной зоне 10 осуществляется посредством термически активированного прыжкового механизма (скачок, скачок к ближнему соседу, скачок переменной дальности) между локализованными участками и возникает посредством квантово-механического туннельного эффекта. За счет поддержания этого краевого условия гарантируется, что электрическая проводимость детекторной зоны 10 очень сильно и чувствительно зависит также от изменений длины или взаимного расстояния, так что они могут определяться с высокой чувствительностью и разрешением. Как можно видеть из представлений на фиг.1а и фиг.1b, отклонение основного тела 4 в направлении отклонения приводит, по меньшей мере, локально и вблизи поверхности основного тела 4 к, по меньшей мере, незначительным изменениям длины в продольном направлении, так что подобные отклонения могут быть измерены по изменению электрической проводимости детекторной зоны 10 с высокой чувствительностью.

Пружинный элемент 1 согласно фиг.1а выполнен при этом с обращением к пружинному элементу обычного типа на кремниевой основе, которая служит несущим телом 16 и для образования детекторной зоны 10 снабжается поверхностным покрытием. Структура пружинного элемента 1 согласно фиг.1а соответствует, таким образом, улучшению обычного пружинного элемента, в котором за счет дополнительного нанесения покрытия выполнена детекторная зона 10, предусмотренная для желательного высокого разрешения.

В противоположность этому пружинный элемент 1 согласно фиг.1b выполнен по типу трехмерного или объемного, полностью заново изготовленного основного тела 4, которое само образовано внедренными в матрицу 12 металлическими наночастицами 14 и, со своей стороны, образует во всей своей полноте детекторную зону 10. Именно в этой форме выполнения, таким образом, за счет соответствующего выбора параметров наряду с электрическими свойствами, в частности свойствами проводимости, детекторной зоны 10, также могут соответственно устанавливаться механические свойства всего основного тела 4. В частности, в этом примере выполнения доминируют механические свойства матрицы 12, упругие свойства (модуль упругости), а также механическое качество основного тела 4. За счет соответствующего выбора материала, используемого для образования матрицы 12, и за счет структуры металлического компонента на уровне наночастиц при изготовлении основного тела 4 в значительной степени подавляется образование дислокаций, так что достижимое при этом качество и механическая способность нагружения и свобода от усталости пружинного элемента 1' и, тем самым, его надежность и долговечность при механических нагрузках особенно высоки.

Пружинные элементы 1, 1' выполнены, в особенности, для использования в растровом микроскопе атомарных сил. Для этого на основном теле 4 сформирован, соответственно, щуп 20 зонда, посредством которого возможно сканирование объекта измерения. Структура соответствующего растрового микроскопа 22 атомарных сил представлена схематично на фиг.2. Растровый микроскоп 22 атомарных сил содержит консоль 2, также называемую балочным зондом, которая выполнена как пружинный элемент 1, 1'. Щуп 20 зонда может при этом перемещаться по поверхности объекта 24 измерения. Щуп 20 зонда перемещается при этом посредством пьезоэлектрического сканирующего (зондирующего) устройства 2 по поверхности объекта 24 измерения. При этом отклонения консоли 2 устанавливаются тем, что за счет соответствующего контактирования соответственно предусмотренных детекторных зон 10 определяются изменения в электрической проводимости пружинного элемента 1, 1', образующего консоль 2.

Зондирующее устройство (пьезопреобразователь) 26 приводится в действие пьезоусилителем 29. Его выходное напряжение задается компаратором 28, который сравнивает поступающий от датчика отклонения консоли 2 измеренный сигнал, усиленный усилителем 27 (действительное значение), с номинальным значением с задатчика 30 номинального значения. Выходное напряжение компаратора изменяется до тех пор, пока разность между номинальным значением и действительным значением не исчезнет. Тем самым высота консоли над объектом измерения или сила прижатия консоли при измерениях в «контактном режиме» при горизонтальной развертке поддерживается постоянной. Из выходного напряжения компаратора 28 обычным способом определяется изображение в растровом микроскопе атомарных сил.

Для измерений с колеблющейся консолью с периодически устанавливающимся минимальным расстоянием до поверхности объекта измерения предусмотрен осциллятор 31. При этом сигнал осциллятора подается на компаратор. Измерения отклонения консоли требуют тогда фазочувствительного выпрямителя в качестве составной части усилителя 27.

Детекторная зона 10 пружинного элемента 1, 1' и, возможно, все основное тело 4 изготавливаются посредством так называемого структурирования отложения, причем конкретный рост соответствующих структур формируется в тех участках пространства, а также ограничивается в таких участках, где предусмотрено возникновение желательных структур. Тем самым отпадает необходимость в требующемся в других миниатюризованных устройствах дополнительном, например, литографическом травлении. Для изготовления соответствующих структур в данном примере выполнения предусмотрен способ так называемого индуцированного электронным пучком или индуцированного ионным пучком осаждения. Отдельные фазы возникновения соответствующих структур изображены при этом на фиг.3а-3с.

Как можно видеть из схематичного представления на фиг.3а, в подходящей среде, например в вакууме, вещества-предшественники, как они изображены на фиг.3а посредством частиц 50, в газообразной форме помещаются вблизи подложки 52. За счет адгезионных сил между молекулами предшественника и подложкой на подложке происходит поглощение материала предшественника.

В зоне 54 осаждения в непосредственной близости подложки 52 вещества-предшественники энергетически возбуждаются для преобразования, причем продукты преобразования в твердой и нелетучей форме, как осадок или отложение 56, продолжительно осаждаются на подложку 52. Начальное отложение материала на подложку 52 служит при этом также в качестве центра кристаллизации для новых отложений, которые реализуются локальным позиционированием энергетического воздействия и его длительностью существования, так что можно сформировать практически любые трехмерные объекты на подложке 52. Как показано на фиг.3b, за счет подходящего пространственного изменения фокуса электронного пучка или ионного пучка возможно целенаправленное осаждение отложения 56 в различных геометриях, причем, как показано на фиг.3с, с помощью латерального относительного перемещения также можно формировать изогнутые структуры в отложении 56.

Список ссылочных позиций

1,1' - пружинный элемент

2 - консоль (балочный зонд)

4 - основное тело

6, 8 - стрелка

10 - детекторная зона

12 - матрица

14 - наночастицы

16 - несущее тело

20 - щуп зонда

22 - растровый микроскоп атомарных сил

24 - объект измерения

26 - зондирующее устройство (пьезопреобразователь)

27 - усилитель (при необходимости, логарифмический)

28 - компаратор

29 - пьезоусилитель

30 - задатчик номинального значения

31 - осциллятор (факультативно)

50 - частицы (вещества-предшественники)

52 - подложка

54 - зона осаждения

56 - отложение

Изобретение относится к зондовой спектроскопии, а именно к миниатюризованному пружинному элементу, пригодному для использования в качестве балочного зонда или консоли (2) для определения атомарных или молекулярных сил, в частности, в растровом микроскопе (22) атомарных сил. Миниатюризованный пружинный элемент (1, 1') содержит гибкое основное тело (4), которое образовано из матрицы с внедренными наночастицами (14) или дефектами. Пружинный элемент (1, 1') изготавливается с применением принципа локального осаждения с помощью сфокусированных энергетических частиц или электромагнитных волн или с помощью пиролитически индуцированного осаждения. Технический результат - надежное и с высоким разрешением определение отклонения балочного зонда. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ изготовления пружинного элемента (1, 1') с гибким основным телом (4), который имеет детекторную зону (10), электрическая проводимость (σ) которой определяется посредством электронных туннельных, ионизационных или прыжковых процессов, при котором детекторная зона (10) изготавливается посредством локального приложения энергии, причем некоторое число материалов-предшественников (50), подведенных в газообразной форме от зоны (54) осаждения вблизи подложки (52), энергетически возбуждается для преобразования, причем продукты преобразования (56) в твердой и нелетучей форме осаждаются на подложке (52).

2. Способ по п.1, в котором основное тело (4) изготавливают посредством локального приложения энергии.

3. Способ по п.1, в котором детекторная зона (10) и/или основное тело (4) изготавливают посредством индуцированного электронным пучком осаждения.

4. Способ по любому из пп.1-3, при котором в качестве материалов-предшественников (50) применяют органические, неорганические, диэлектрические или металлорганические мономеры, олигомеры и/или полимеры.

5. Способ по любому из пп.1-3, при котором предусмотренный для энергетического возбуждения материалов-предшественников (50) пучок ионов, фотонов или электронов по отношению к подложке (52) направляют латерально или трехмерно в зависимости от заданной номинальной геометрии отложения (56).

6. Способ по любому из пп.1-3, при котором температуру подложки (52) и/или температуру источника-предшественника во время осаждения регулируют в зависимости от давления паров материалов-предшественников (50), определенного в зоне (54) осаждения.

7. Способ по любому из пп.1-3, при котором некоторое число параметров, тип, количество и/или состав веществ-предшественников (50), давление газа в зоне (54) осаждения, интенсивность локального приложения энергии, длительность облучения пучком электронов, степень фокусировки пучка электронов, материал подложки и/или температура подложки устанавливают таким образом, что пружинный элемент (1, 1') имеет заданный коэффициент жесткости пружины и/или заданное качество, и/или детекторная зона (10) имеет заданную электрическую проводимость.

8. Миниатюризованный пружинный элемент (1, 1'), изготовленный способом по любому из пп.1-7 для использования в качестве сенсорного элемента, в частности для определения изменений длины или сил отклонения.

9. Пружинный элемент (1, 1') по п.8, в котором температурная зависимость электрической проводимости (σ) детекторной зоны определяется приближенно соотношением ln σ~t^-γ, причем характеристическая экспонента γ имеет значение между 0 и 1, предпочтительно значение, равное примерно 0,25, примерно 0,5 или примерно 1.

10. Пружинный элемент (1, 1') по п.8, в котором детекторная зона (10) образована из внедренных в матрицу (12) наночастиц с электрической проводимостью, более высокой по сравнению с материалом матрицы.

11. Пружинный элемент (1, 1') по п.10, в котором наночастицы (14) являются металлическими.

12. Пружинный элемент (1, 1') по п.10, в котором матрица (12) образована из полимерного материала, предпочтительно из органических или неорганических или диэлектрических структурных элементов, из соединений на углеродной основе, из углеродно-кислородных соединений, из водородных соединений, из соединений фтора и/или из содержащих металл структурных элементов.

13. Пружинный элемент (1, 1') по любому из пп.10-12, в котором наночастицы (14) имеют среднюю величину частиц до 100 нм, предпочтительно до 10 нм.

14. Балочный зонд для растрового микроскопа атомарных сил со снабженной щупом (20) зонда консолью (2), причем консоль (2) выполнена как пружинный элемент (1, 1'), изготовленный способом по одному из пп.1-7.

15. Растровый микроскоп (22) атомарных сил с балочным зондом по п.14, имеющий блок оценки, который с помощью данных управления или измерения балочного зонда формирует блок данных, характерный для топографии объекта (24) измерения, причем блок оценки при выработке блока данных принимает во внимание параметры, характерные для проводимости (σ) консоли (2).