МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ СКАНИРУЮЩИХ ПРИБОРОВ Российский патент 2017 года по МПК G01Q70/08 B82Y35/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области изготовления микромеханических устройств, а именно к способам формирования зондов сканирующих зондовых микроскопов и их конструкциям, в частности кантилеверов, состоящих из консоли и иглы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сканирующие зондовые приборы (СЗП) в состоянии давать изображения поверхностей твердых тел с высоким пространственным разрешением. Известно использование углеродных нанотрубок, "посаженных" на такие зонды. 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.). 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. Однако и форма острий, и состав емкость образующих материалов не оптимальны для высокой чувствительности этих приборов.

Известны СЗП-зонды с боковыми остриями для исследований профилей элементов поверхности. 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.

Сегодня присутствующие на рынке зонды изготовлены из двух используемых в полупроводниковой промышленности материалов - кремния и нитрида кремния. Применяются известные технологии из арсенала литографических работ. Иногда для целей доработки качества зондов используются приемы, не изменяющие принципиально характер создания острий.

В настоящее время наибольшее число исследований связано с проблемой формирования тонких эпитаксиальных слоев металла на полупроводниках с высоким совершенством структуры. Существует весьма ограниченный набор комбинаций «металл-полупроводник», который позволяет реализовать эпитаксиальный рост металлической пленки на полупроводниковой подложке (http://cyberleninka.ru/article/n/poluchenie-plenok-sosi2-si-100-i-analiz-ih-morfologii-i-stehiometrii-metodami-molekulyarno-luchevoy-tverdofaznoy-i-reaktivnoy-epitaksii#ixzz3In8NcMfD).

В уровне техники известна модификация кантилевера (US 5811017 A, дата публикации 22.09.1998), при изготовлении которого на выращенную нанотрубку наносят вспомогательный верхний металлический слой для повышения отражающей способности обратной стороны левера. Недостаток данного технического решения, как и большинства других методов изготовления кантилеверов, состоит в том, что формирование держателя, левера и самого зонда проводится в сложном технологическом цикле. Это сильно ограничивает возможности создания зондов.

Также известна методика нанесения металлического покрытия на существующий нановискер для улучшения его функциональности (EP 2290137 A1, дата публикации 02.03.2011). Металлический слой нанесен с лицевой стороны на поверхность иного материала для целей выполнения другой функции, в отличие от предыдущего технического решения, - проводимости зонда. Получаемый металлический наконечник, основная часть которого изготовлена из нитрида кремния, эпитаксиален тонкому слою-подложке для роста. Используемый вариант создания пленки - осаждение из паровой (газовой) фазы.

Недостатком таких решений, направленных на простое напыление металла на кремниевый зонд, является потеря технических характеристик: ухудшение разрешения, так как вершина острия становится толстой/массивной, и снижение надежности такого покрытия. Поэтому зонды с напылением металла служат мало.

В уровне технике также известна конструкция кантилевера, а также способ его изготовления (US 6458206 B1, дата публикации 01.10.2002). Тонкий верхний слой кантилевера выполнен из кремния с ориентацией (100), а на свободной части размещен монокристаллический зонд, полученный путем химического травления материала указанного тонкого слоя.

Наиболее близким по технической сущности является зонд (RU 2240623 C2, дата публикации 20.11.2004), тонкий верхний слой которого выполнен из кремния с ориентацией (111), на свободной части которого размещен монокристаллический зонд, полученный путем эпитаксиального роста из материала указанного тонкого слоя.

В отличие от традиционных технологий, где острие создается за счет процедуры травления, то есть удаления части ненужного материала (минимум степеней свободы для технологов-производителей), предлагаемая технология наиболее близкого аналога основывается на методе управляемого роста монокристалла при максимуме степеней свободы для поиска конструкционных решений.

В технических решениях аналогов создание самого зонда отделено от создания держателя («подставки») и левера. В технологии наиболее близкого аналога создание зонда не зависит от процессов создания держателя и левера, что повышает надежность и долговечность зонда.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей, на которое направлено изобретение, является создание новой конструкции зонда для использования в сканирующей зондовой микроскопии, сформированного на кантилевере, позволяющей реализовать в одном зонде сразу две важные характеристики: получить морфологию поверхности с учетом распределения участков с электрической проводимостью. Используя полученное распределение проводимости, можно многократно увеличить разрешение объекта в определенных таким образом локализациях участков с электрической проводимостью.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в обеспечении проводимости зонда при одновременном улучшении разрешения и повышении надежности зонда.

Технический результат достигается за счет того, что зонд для сканирующих приборов содержит кантилевер на массивном держателе и монолитный с кантилевером ус, расположенный на свободной части кантилевера, при этом кантилевер выполнен из металлического монокристаллического слоя, а ус эпитаксиален указанному слою.

В одном из вариантов осуществления материалом массивного держателя является кристаллический или аморфный материал.

В одном из вариантов осуществления ус получен путем эпитаксиального роста из материала указанного слоя.

В одном из вариантов осуществления по меньшей мере часть кантилевера выполнена на держателе непосредственно или опосредованно через тонкий слой.

В одном из вариантов осуществления тыльная сторона свободной части кантилевера содержит дополнительное функциональное покрытие.

При этом термин «эпитаксиальность» в широко используемой литературе означает «выращенность эпитаксиально». Однако более поздняя трактовка этого термина допускает его использование и когда острие/ус вытравлен из массива материала.

В данной заявке термин «эпитаксиальный ус» рассматривается как совпадающий/продолжающий кристаллографическое строение подложки.

Заявляемое изобретение имеет преимущество в конструкции с использованием металлического верхнего слоя для последующего роста уса перед имеющимися конструкциями зонда с нанесением металлического слоя на уже выращенную нанотрубку.

В данном техническом решении подложкой для роста уса является не верхний металлический слой, как в аналогах, а самостоятельная свободная часть металлического монокристаллического кантилевера, несущая функцию изгиба, что повышает надежность и долговечность зонда.

Принципиальным отличием конструкции от наиболее близкого аналога является непосредственное использование в качестве верхнего слоя другого материала, а именно металла, что позволит обеспечить проводимость зонда.

Дополнительное преимущество конструкции кантилевера, используемого в настоящем изобретении, состоит в повышении отражающей способности лазерного излучения, которое используется в сканирующей зондовой микроскопии для реализации обратной связи системой контроля сканирующей зондовой микроскопии и напрямую влияет на качество соотношения сигнал/шум за счет того, что самостоятельная свободная часть кантилевера является монокристаллической и металлической, в том числе и ее обратная сторона.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность заявляемого технического решения поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 приведена схема конструкции металлического монокристаллического зонда для сканирующих приборов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение основано на зонде из металлического уса, изготовленного из металлических монокристаллических нитевидных кристаллов (вискеры), которые выращивают из пара в соответствии с процессом пар-жидкость-кристалл (ПЖК).

Значимая особенность технологии выращивания заключается в том, что сначала создают слой на поверхности кремния или иного массивного материала. Далее, из этого слоя создают две детали: первую часть, непосредственно контактирующую и держащуюся на массивном слое кремния или другого материала, и вторую часть (левер/тонкую балку). Потом на этом левере (его конце) создают острие. Создается оно путем размещения растворителя на конце балки в конкретном месте, и через механизм роста, известный как CVD, растят эпитаксиально подложке (леверу). Механизм роста аналогичен механизму, описанному в наиболее близком аналоге. В одном из вариантов осуществления ус получен путем эпитаксиального роста из материала указанного слоя.

Таким образом, конструкция монокристаллического металлического зонда для сканирующих приборов выполнена следующим образом: тонкий верхний слой материала (металлический монокристаллический слой) (101) размещен непосредственно или опосредовано через тонкий слой (102) иного материала на массивном держателе (103). Массивный держатель (103) может быть выполнен из кристаллического (например, кремния) или аморфного (например, стекла) материала.

В качестве материалов верхнего слоя в предлагаемом изобретении используются любые металлы с ориентацией (111).

Тонкий слой (102) - аморфный слой любого материала, в случае выполнения массивного держателя из кремния, обеспечивающего пассивирование поверхности кремниевой подложки от образования химических соединений кремния с металлом (силицидов).

Свободная часть (104) тонкого верхнего слоя (101), которая является и свободной частью кантилевера, представляет собой лепесток/балку, на конце которой размещен ус (105), который может быть заострен и иметь вид острия (конуса) или цилиндра.

Тыльная сторона лепестка/балки может иметь дополнительное тонкопленочное функциональное прозрачное покрытие (106) другого материала толщиной порядка 10-20 нм. Данное функциональное покрытие является технологическим элементом при создании верхнего тонкого металлического слоя (101).

Толщина данного слоя ничтожна в сравнении с отражающими слоями, напыляемыми на поверхность традиционных зондов, поэтому результат сигнал/шум будет лучше по сравнению с аналогами.

Изобретение относится к области формирования зондов сканирующих зондовых микроскопов и к их конструкциям, в частности кантилеверов, состоящих из консоли и иглы. Зонд для сканирующих приборов содержит кантилевер на массивном держателе и монолитный с кантилевером ус, расположенный на свободной части кантилевера. Кантилевер выполнен из металлического монокристаллического слоя, а ус эпитаксиален указанному слою. Использование устройства обеспечивает его проводимость при одновременном улучшении разрешения и повышении надежности зонда. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Зонд для сканирующих приборов, содержащий кантилевер на массивном держателе (103) и монолитный с кантилевером ус (105), расположенный на свободной части кантилевера (104), отличающийся тем, что кантилевер выполнен из металлического монокристаллического слоя (101), а ус (105) эпитаксиален указанному слою.

2. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что ус получен путем эпитаксиального роста из материала указанного слоя.

3. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что материалом массивного держателя является кристаллический или аморфный материал.

4. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть кантилевера выполнена на держателе (103) непосредственно или опосредованно через тонкий слой (102).

5. Зонд по п. 1, отличающийся тем, что тыльная сторона свободной части кантилевера содержит дополнительное функциональное покрытие (106).