Тестовая структура для определения формы и геометрических размеров иглы сканирующего зондового микроскопа

 

Тестовая структура состоит из основания и расположенных на нем выступающих микроструктур геометрической формы, выполненных в виде игл. Иглы могут иметь форму многогранной пирамиды или конуса с углом при вершине менее 20^o. Радиус кривизны острия может быть менее 10 нм. Иглы могут быть расположены регулярно с постоянным шагом. Тестовая структура обеспечивает получение полного трехмерного изображения иглы сканирующего микроскопа. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию, а более конкретно, к устройствам, обеспечивающим наблюдение и изменение геометрической формы игл сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), в том числе атомно-силовых микроскопов (АСМ).

Известна тестовая структура для сканирующего зондового микроскопа [1], представляющая собой основание из монокристаллического материала с расположенными на нем микроструктурами в виде полос треугольной формы в поперечном сечении. При сканировании данной структуры на изображении, формируемом сканирующим зондовым микроскопом, описывается геометрическая форма полос. Радиус кривизны верхнего ребра на полученном изображении равен сумме радиусов кривизны ребра микроструктуры и вершины сканирующей иглы. Зная радиус кривизны ребра тестовой микроструктуры, мы можем определить радиус кривизны иглы, используемой для сканирования. Однако на такой структуре возможно получить только радиус кривизны иглы в сечении, перпендикулярном направлению полос.

Данный недостаток отсутствует у тестовой структуры [2], состоящей из основания, на которое нанесено множество золотистых микрочастиц в форме шаров с характерным размером от 5 до 50 нм. Проведя сканирование такой структуры, мы получим искаженное изображение полусфер. По форме искажения возможно математически рассчитать форму трехмерного изображения иглы кантилевера. Однако данная структура позволяет определить форму иглы только в пределах ее кончика - не более диаметра используемых шариков. Кроме того, она требует достаточно сложных математических расчетов.

Цель изобретения - разработка тестовой структуры для определения формы и геометрических размеров иглы сканирующего зондового микроскопа.

Технический результат изобретения заключается в получении структуры, позволяющей получать полное трехмерное изобретение иглы сканирующего зондового микроскопа без дополнительных математических операций в диапазоне высот от единиц нанометров до десятков микрон.

Это достигается тем, что структура состоит из основания, на котором расположен массив игл правильной геометрической формы.

Тестовая структура для определения формы и геометрических размеров иглы сканирующего зондового микроскопа состоит из основания и расположенных на нем выступающих микроструктур правильной геометрической формы. Она отличается тем, что выступающие микроструктуры выполнены в виде игл правильной геометрической формы. Иглы могут иметь форму многогранной пирамиды или конуса с углом при вершине менее 20^o и радиус кривизны острия менее 10 нм. Иглы могут быть расположены на основании регулярно с постоянным шагом.

Например, при сканировании исследуемой поверхности игла АСМ движется по рельефу микроструктуры, вызывая изгиб балки кантилевера АСМ. Величина изгиба измеряется по величине сигнала обратной связи, поддерживающей постоянной величину изгиба балки кантилевера, что позволяет получить трехмерное изображение исследуемой поверхности. В случае если игла кантилевера АСМ имеет больший угол при вершине, чем иглы тестовой структуры, при сканировании игла кантилевера упирается своей боковой гранью в вершину иглы тестовой структуры. Это приводит к изгибу балки кантилевера, который компенсируется обратной связью АСМ, при этом формируется трехмерное изображение грани иглы кантилевера. При снятии полного скана иглы тестовой структуры мы получаем изображение иглы кантилевера АСМ. Радиус кривизны полученной на изображении иглы равен сумме радиусов игл кантилевера и тестовой структуры.

В случае если игла кантилевера имеет угол при вершине, меньший, чем игла тестовой структуры, при сканировании будет формироваться изображение не иглы кантилевера, а иглы тестовой структуры, хотя радиус кривизны иглы на полученном изображении будет также равен сумме радиусов игл кантилевера и тестовой структуры.

Выпускаемые в настоящее время кантилеверы для АСМ имеют иглы с углом при вершине 20^o и более и номинальный радиус кривизны от 10 до 40 нм. Например, фирма Park Scientific Instruments выпускает нитридные кантилеверы с иглами, у которых угол при вершине равен 70^o. Если тестовая структура имеет иглы, у которых угол при вершине менее 20^o, то при ее сканировании иглами указанных выше кантилеверов будет формироваться полное трехмерное изображение игл кантилеверов.

Если иглы тестовой структуры будут иметь радиус кривизны менее 10 нм, то у изображения иглы, полученного при сканировании величина радиуса кривизны в основном будет определяться радиусом кривизны иглы кантилевера. Это существенно повышает точность определения радиуса кривизны иглы кантилевера.

При расположении игл на основании регулярно с постоянным шагом на любом полученном при сканировании изображении можно отличить характерные особенности, относящиеся к игле АСМ от особенностей тестовой структуры. Так, не повторяющиеся на изображении характерные особенности относятся только к тестовой структуре. Повторяющиеся характерные особенности могут относиться и к игле АСМ, и к тестовой структуре.

Пример исполнения тестовой структуры. На фиг. 1 приведено изображение тестовой структуры, полученное на растровом электронном микроскопе у которой иглы имеют форму многогранной пирамиды с углом при вершине менее 20^o и радиусом кривизны острия менее 10 нм. Высота игл составляет 0,8 мкм. Данная структура позволяет получать полное трехмерное изображение игл кантилеверов для сканирующих зондовых микроскопов в диапазоне высот от единиц нанометров до 0,8 микрона. При этом не требуется проведение дополнительных математических операций. По полученному изображению можно определить геометрические параметры иглы СЗМ, такие как угол сходимости граней в диапазоне от 20 до 180^o и радиус кривизны от 10 нм.

Иглы данной структуры расположены периодически с шагом 2,12 мкм. Это позволяет обнаружить по крайней мере одну иглу решетки за одно сканирование при использовании сканера с полем от 3 мкм.

Литература 1. Патент ЕПВ N 0676614, кл. G 01 B 1/00, 1995.

2. Vesenka J., Мanne S., March T., Henderson "Colloidal gold particles as an incompressible atomic force microscope imaging standard for assessing the compressibility of biomolecules." Byophysical J., 1993, v. 65, pp. 1 - 6.

Формула изобретения

1. Тестовая структура для определения формы и геометрических размеров иглы сканирующего зондового микроскопа, состоящая из основания и расположенных на нем выступающих микроструктур правильной геометрической формы, отличающаяся тем, что выступающие микроструктуры выполнены в виде игл.

2. Тестовая структура по п. 1, отличающаяся тем, что иглы имеют форму многогранной пирамиды или конуса с углом при вершине менее 20^o.

3. Тестовая структура по п. 1, отличающаяся тем, что иглы имеют радиус кривизны острия менее 10 нм.

4. Тестовая структура по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что иглы расположены регулярно с постоянным шагом.

РИСУНКИ

Рисунок 1