Способ изготовления проводящего покрытия на поверхности зонда для атомно-силовой микроскопии Российский патент 2024 года по МПК G01Q70/16 

Настоящее изобретение относится к способам изготовления зондов для атомно-силового микроскопа и может быть использовано для их промышленного производства.

Уровень техники

В настоящее время существуют большое количество методов диагностики материалов, где используются проводящие зонды. Технология их получения и материалы постоянно расширяются [Permiakov N. et al. Investigation of the Conductive Properties of ZnO Thin Films Using Liquid Probes and Creation of a Setup Using Liquid Probes EGaIn for Studing the Conductive Properties of Thin Films // Technologies. - 2023. - Т. 11. - №. 1. - C. 26. Бородзюля В.Ф., Мошников В.А., Пермяков Н.В. Измерительный зонд и способ его изготовления. - 2018].

Это же касается и атомно-силовой микроскопии, в которой для исследования электрических характеристик используются зонды с проводящим металлическим покрытием. [Рыков С.А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур / Под ред. Шика А.Я. СПб.: Наука, 2000. 50 с.

Бухараев А.А., Овчинников Д.В., Бухараева А.А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей силовой микроскопии (обзор) // Заводская лаборатория. 1996. №5. С. 10-27.

Dryakhlushin V.F., Klimov A.Yu., Rogov V.V., Shashkin V.I., Sukhodoev L.V., Volgunov D.G., Vostokov N.V. Development of contact scanning probe lithography methods for the fabrication of lateral nano- dimensional elements. 2000. Vol. 11. №3.

Christman J.A. et al. Piezoelectric measurements with atomic force microscopy // MRS Online Proceedings Library (OPL). - 1998. - T. 541. - C. 617.

CN 102279288 B Device and method for measuring sample interface potential barrier by atomic force microscope 2011.

CN 102759638 B Method for testing metal layer by utilizing atomic force nanoprobe 2012].

Стандартная технология получения таких проводящих зондов заключается в нанесении на поверхность кремниевого зонда металлического слоя (платина, золото, алюминия и др.). Кроме этого, также используют кремниевые зонды с высоким уровнем легирования, а также имплантацию ионов бора или фосфора, что значительно снижает сопротивление зонда. [Зонд для сканирующей емкостной микроскопии, патент RU 2289862 С2].

Несмотря на существующие различные методы получения проводящих зондов, получающиеся зонды имеют недостаток, а именно малый срок службы. Это связано с разрушением проводящего покрытия вследствие механического взаимодействия зонд/образец. Несмотря на незначительную силу прижима зона к образцу, малое пятно взаимодействия зачастую приводит к возникновению больших механических напряжений, приводящих к разрушению проводящего покрытия, и тем самым потерю электрического контакта между зондом и образцом.

Другой же причиной нарушения проводящего покрытия является высокий протекающий ток, возникновение которого при малом пятне контакта зонд/образец. При этом ток, протекающий через тонкое проводящее покрытие, приводит к локальному разогреву этого покрытия и при превышении определенного порога приводит к полному выгорания покрытия в месте его контакта с образцом.

Увеличения срока службы проводящих зондов осуществляется, например, за счет нанесения сильнолегированных алмазоподобных покрытий [CN 112162115 А].

Такие покрытия обеспечивают низкое удельное сопротивление и повышенную износостойкость.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа создания зонда для атомно-силовой микроскопии с проводящим покрытием, обладающим разным удельным сопротивление, а также более стойким к механическому воздействию.

Также, стоит отметить, что в отличие от стандартных металлических проводящих слоев, таких как платина, золото и алюминий, оксид цинка обладает большей твердость по сравнению с ними (4…5 по шкале Мооса), что уменьшит механические повреждения проводящего покрытия и увеличит срок службы такого зонда.

В качестве прототипа настоящего изобретения выбрана технология [Y. Wen, J. Chen, Y. Guo, В. Wu, G. Yu and Y. Liu, Multilayer. Graphene-Coated atomic Force Microscopy Tips for Molecular Junctions, Adv. Mater., 2012, 24, 3482-3485]. Ее недостатки заключаются в необходимости использования зонда с уже сформированным золотым покрытием, на поверхности которого метод CVD осаждаются слои графена, что в свою очередь ухудшает разрешающую способность зонда. А также указанная технология не позволяет создавать такие зонды в промышленном масштабе.

Использование в качестве метода нанесения проводящего покрытия атомно-слоевого осаждения (АСО), позволяет сохранить минимальный радиус закругления исходного зонда, посредством полного конформного покрытия его наносимым материалом, чем достигается повышение разрешающей способности по сравнению с зондами с нанесенным проводящим металлическим слоем. Также, низкие температуры процесса нанесения пленок не приведут к повреждению зонда и изменению механических характеристик. Кроме того, метод АСО позволяет в едином цикле осуществлять процесс нанесения слоев на большие площади, а значит позволяет создавать за один цикл большие партии зондов с проводящем покрытием, что является коммерчески выгодно.

Раскрытие сущности изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления проводящего покрытия на поверхности зонда для атомно-силовой микроскопии, заключающимся в процессе нанесения на поверхность зонда проводящего не металлического покрытия, проводящее не металлическое покрытие наносят конформно на всю поверхность зонда, посредством использования метода атомно-слоевого осаждения полупроводникового нанометрового слоя оксида цинка и дальнейшего нанесения нанометрового слоя оксида алюминия.

Существует вариант, в котором операцию нанесения слоя оксида цинка и слоя оксида алюминия повторяют неоднократно.

Существует вариант, в котором процесс нанесения проводящего не металлического покрытия начинают с любого из слоев.

На прилагаемом чертеже изображен зонд для атомно-силовой микроскопии с варьируемым уровнем проводимости.

Осуществление изобретения

Способ изготовления проводящего покрытия зонда для атомно-силовой микроскопии с широким уровнем варьирования удельного сопротивления заключается в следующем.

Исходно берут зонд для атомно-силового микроскопа 1 с требуемыми характеристиками жесткости, резонансной частоты, радиуса закругления острия 4. Зонд помещают в вакуумную камеру установки по атомно-слоевому осаждению. После откачки камеры происходит ее нагрев до температур порядка 220 градусов Цельсия (значение температуры может варьироваться в зависимости от используемых прекурсоров). Далее на поверхность зонда наносят нанометровую пленку оксида цинка 2 посредством поочередной подачи в камеру прекурсоров, так, например, в качестве прекурсоров оксида цинка может выступать диэтилцинк и вода. После каждой подачи прекурсора вакуумная камера продувается и откачивается от продуктов реакции. Типичные времена подачи прекурсоров составляют сотые доли секунды (в частности 0,06 с), а времена продувки несколько секунд. При таких параметрах, средняя скорость роста пленки оксида цинка составляет 1 ангстрем за цикл и длительность цикла лимитируется временем продувки (5-20 с). В качестве газа носителя выступает инертный газ - азот.

После нанесения пленки оксида цинка, аналогичным методом происходит рост нанометровой пленки оксида алюминия 3. В качестве исходных прекурсоров могут выступать триметилалюминия и вода. Типичные времена подачи триметилалюминия составляют 0,05-0,3 с, время подачи воды 0,2-1 с. Время продувки составляют порядка 1-3 с. Толщина пленки контролируется количеством циклов подачи прекурсора.

Проведенные эксперименты показали, что при нанесении нанослоев оксида алюминия на поверхность наноструктур оксида цинка приводит к резкому увеличению электропроводности, вплоть до 10⁵ раз и достигая значений порядка 10^-2 - 10^-3 Ом*см. Данные электрические параметры уже лежат в диапазонах проводимости коммерческих зондов для атомно-силовой микроскопии с нанесенными проводящими металлическими покрытиями, такие как платина (0.01 - 0.02 Ωcm OSCM-PT-R) и платиноиридиевое (0.01 - 0.025 Ωcm SCM-PIT-V2).

Кроме того, сопротивление получившейся структуры возможно варьировать изменением толщины нанесенного слоя Al2O3.

Последовательность нанесения слоев может быть и обратная.

Соотношения толщин слоев и, следовательно, циклов нанесения, либо цикличность повторения операции нанесения, задается исходя из требуемой проводимости формируемого покрытия. Например, для создания покрытия с удельным сопротивлением 3,2*10^-3 Ом*см соотношения между слоями оксида цинка и оксида алюминия составляет 19:1.

После нанесения всех слоев камера охлаждается до комнатной температуры и наполняется инертным газом до выравнивания давления с атмосферным. После этого, зонд со сформированным проводящим не металлическим покрытием вынимается из камеры и готов к использованию.

Технические результаты

То, что в способе изготовления проводящего покрытия на поверхности зонда для атомно-силовой микроскопии, заключающемся в процессе нанесения на поверхность зонда 1 проводящего, не металлического покрытия, при этом проводящее не металлическое покрытие наносят конформно на всю поверхность зонда 1, посредством использования метода атомно-слоевого осаждения полупроводникового нанометрового слоя оксида цинка 2 и дальнейшего нанесения нанометрового слоя оксида алюминия 3 приводит к созданию на поверхности зонда проводящей оксидной пленки обладающей большим коэффициентом твердости по сравнению с металлическими покрытиями, а также обладающей высокой химической стойкостью, сохранению исходных физических параметров зонда, таких как жесткость, радиус закругления зонда 4, в связи с равномерным покрытием зонда формируемой проводящей не металлической пленкой нанометровой толщины.

Кроме того, использование особенности метода АСО, а именно конформность создаваемых покрытий, позволяет повысить разрешающую способность проводящих зондов, полученных таким методом по сравнению с зондами с нанесенным проводящим металлическим слоем. Масштабируемость метода АСО ограничивается лишь объемом рабочей камеры, что позволяет получать зонды с не металлическим проводящим покрытием в промышленных масштабах.

То, что операцию нанесения слоя оксида цинка 2 и слоя оксида алюминия 3 повторяют неоднократно, приводит к формированию покрытия с необходимым уровнем проводимости, которое определяется соотношением атомов алюминия в структуре оксида цинка, выступающего в роли легирующей примеси.

То, что процесс нанесения начинают с любого из слоев приводит к достижению того же результата, так как не происходит изменение физико-химических свойств покрытия, в связи с получением того же материала.

Изобретение относится к способам изготовления проводящего покрытия на поверхности зонда атомно-силового микроскопа для использования его в электропроводящих методиках. Способ реализуется посредством нанесения на поверхность непроводящего зонда методом атомно-слоевого осаждения нанометровых слоев оксида цинка и оксида алюминия в различных соотношениях, что позволяет варьировать электропроводность получаемого слоя. Технический результат – обеспечение получения зонда с проводящим покрытием для атомно-силового микроскопа с необходимым значением электропроводности без изменения радиуса острия. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления проводящего покрытия на поверхности зонда для атомно-силовой микроскопии, заключающийся в процессе нанесения на поверхность зонда проводящего неметаллического покрытия, отличающийся тем, что проводящее неметаллическое покрытие наносят конформно на всю поверхность зонда посредством использования метода атомно-слоевого осаждения полупроводникового нанометрового слоя оксида цинка и дальнейшего нанесения нанометрового слоя оксида алюминия.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что операцию нанесения слоя оксида цинка и слоя оксида алюминия повторяют неоднократно.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что процесс нанесения проводящего неметаллического покрытия начинают с любого из слоев.