Кантилевер для сканирующего зондового микроскопа

 

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию, а именно к устройствам, обеспечивающим наблюдение, изменение и модификацию поверхности объектов в туннельном и атомно-силовом режимах. Предлагаемый кантилевер для сканирующего зондового микроскопа включает основание, к которому крепятся одна или несколько балок, на дальнем от основания конце каждой из которых расположено по игле. Каждая балка кантилевера выполнена с поперечным утончением с треугольным сечением. Изобретение позволяет увеличить нормальную чувствительность кантилевера при сохранении без изменений паразитной поперечной чувствительности, упростить технологию производства кантилевера при увеличении повторяемости параметров устройства, повысить механическую прочность кантилевера, уменьшить нелинейность зависимости направления отраженного от балки кантилевера лазерного луча от нормального усилия, приложенного к балке, изготавливать кантилеверы с заданной частотой собственных резонансных колебаний балки. 5 ил.

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию, а именно к устройствам, обеспечивающим наблюдение, изменение и модификацию поверхности объектов в туннельном и атомно-силовом режимах.

Известен кантилевер для сканирования зондовым микроскопом, представляющий собой основание, к которому крепится прямоугольная балка, на дальнем конце которой расположена игла [1]. Недостатком данного устройства является высокое отношение паразитной поперечной чувствительности к нормальной чувствительности кантилевера в режимах контактной и бесконтактной моды сканирующего зондового микроскопа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является кантилевер, описанный в патенте [2]. Этот кантилевер для сканирующего зондового микроскопа состоит из основания, к которому прикреплена балка с расположенной на дальнем от основания конце иглой и имеющая поперечное утончение трапецевидной, полукруглой или эллипсовидной формы. Такая конструкция позволяет частично снизить отношение паразитной поперечной чувствительности к нормальной чувствительности кантилевера в режимах контактной и бесконтактной моды сканирующего зондового микроскопа; однако определенная протяженность утончения, имеющая место при использовании любой из описанных в [2] формы его сечения, подразумевает, что в рабочем режиме кантилевера, при приложении к нему нормального усилия, область изгиба балки кантилевера также имеет существенные размеры. Следствием этого является недостаточная нормальная чувствительность кантилевера. Кроме того, обычным методом съема информации о изгибе балки кантилевера является направление на некоторую область балки лазерного луча и детектирование направления отраженного от балки кантилевера светового потока. В случае же существенной протяженности места изгиба балки существует возможность пересечения областей изгиба балки и попадания на нее лазерного луча при которой наблюдается большая нелинейность зависимости направления отраженного от балки кантилевера лазерного луча от нормального усилия, приложенного к балке.

Задача изобретения - разработка кантилевера для сканирующего зондового микроскопа.

Технический результат изобретения заключается в увеличении нормальной чувствительность кантилевера при сохранении без изменений паразитной поперечной чувствительности, упрощении технологии производства кантилевера при увеличении повторяемости параметров устройства, повышении механической прочности кантилевера, уменьшении нелинейности зависимости направления отраженного балкой кантилевера лазерного луча от нормального усилия, приложенного к балке, изготовлении кантилевера с заданной частотой собственных резонансных колебаний балки.

Это достигается тем, что балка кантилевера имеет одно или несколько поперечных утончений треугольной формы. На фиг. 1 -4 изображены различные варианты предлагаемого кантилевера для сканирующего зондового микроскопа.

Предлагаемый кантилевер для сканирующего зондового микроскопа состоит из основания 1 (смотри фиг. 1), к которому крепится балка 2 с поперечным утончением треугольной формы 3, расположенным на произвольном расстоянии от основания, и иглы 4, находящейся на дальнем от основания конце балки. Треугольное утончение формируется на балке с помощью доведенного до конца анизотропного травления. Получаемый при этом радиус закругления в месте наименьшей толщины балки оказывается предельно малым и составляет величину порядка межатомного расстояния.

Предлагаемый кантилевер для сканирующего зондового микроскопа работает следующим образом. При сканировании исследуемой поверхности игла кантилевера движется по рельефу поверхности, вызывая изгиб балки кантилевера. Величина изгиба измеряется сканирующим зондовым микроскопом, что позволяет получить изображение исследуемой поверхности. Наиболее распространенным методом съема информации о изгибе балки кантилевера в современных сканирующих зондовых микроскопах является направление на некоторую область балки лазерного луча и детектирование направления отраженного от балки кантилевера светового потока.

При наличии утончения треугольной формы балка кантилевера ведет себя как жесткий рычаг, закрепленный на точечном шарнире и имеющий только одну степень свободы, направленную по нормали к исследуемой поверхности, что обеспечивает увеличение нормальной чувствительности кантилевера при сохранении без изменений паразитной поперечной чувствительности. Это увеличение нормальной чувствительности тем выше, чем меньше размеры области изгиба, предельно малые размеры которой достигаются при использовании утончения треугольной формы.

При анизотропном травлении кремния с кристаллографической ориентацией поверхности (100) процесс травления идет до тех пор, пока не обнажится кристаллографическая плоскость (111), находящаяся под углом 54.74^o к плоскости (100). Так, например в типичном анизотропном травителе, которым является водный раствор щелочи (например, тридцатипроцентный водный раствор КОН), соотношение скоростей травления кристаллографической плоскости (100) и плоскости (111) равно приблизительно четыремстам, что позволяет при практической работе считать скорость травления плоскости (111) нулевой [3]. Таким образом, если вся травимая поверхность кремния имеет ориентацию (111), то дальнейшее травления происходит только при наличии на поверхности выпуклостей, образованных двумя пересекающимися плоскостями (111). На фиг. 5 изображена схема травления кремния с кристаллографической ориентацией поверхности (100), которая совпадает с горизонтальными линиями схемы, в анизотропном травителе. Номером 1 на ней обозначены места поверхности, подверженные травлению, а номером 2 - места поверхности с ориентацией (111), в которых травление практически не идет. Трапецевидную форму протравленной канавки при таком способе травления, как это было предложено в [2], получить можно, однако точная выдержка глубины вытравленной трапеции является сложной технологической проблемой в связи с необходимостью точно выдерживать все условия проведения процесса травления, такие как: концентрация травителя, скорость отвода продуктов реакции и подвода реагентов к поверхности полупроводника (т.е. скорость перемешивания травителя), время и температура процесса травления. Особенно трудно добиться равенства и постоянства концентрации травителя вблизи кремниевой пластины, имеющей высокую протяженность по сравнению с размерами одного кантилевера, так как даже при травлении с перемешиванием имеют место колебания концентрации травителя, связанные с вероятностным ходом процесса травления в разных точках пластины. Кроме того, нижняя плоскость трапецевидного углубления, параллельная плоскости (100), не может получиться ровной, так как она будет состоять из большого числа мелких выступов и впадин, грани которых будут преимущественно ориентированы по плоскости (111). Все это приводит к значительному разбросу параметров производимых кантилеверов.

Углубление треугольной формы можно получить, доведя анизотропное травление до конца, то есть до полного окончания процесса травления, связанного с тем, что травимая поверхность будет состоять лишь из двух гладких плоскостей с ориентацией (111), смыкающихся с образованием тупого угла, направленного в массу кремния, а не острого выступа кремния в травитель. При известной концентрации травителя для получения углубления такой формы необходимо лишь выбрать достаточно большое время травления, при этом не критична его конкретная величина, важно только, чтобы оно было больше порогового. Таким образом применение в балке кантилевера утончения треугольной формы ведет к упрощению технологии производства кантилевера при увеличении повторяемости параметров устройства.

Монокристаллический кремний, из которого изготавливаются кантилеверы, обладает высокой механической прочностью. Деструкция монокристаллического кремния, находящегося под механической нагрузкой, происходит в первую очередь в местах, имеющих дефекты кристаллической решетки. Если уменьшить область изгиба балки кантилевера за счет применения утончения треугольной формы, то, статистически, за счет уменьшения вероятности наличия дефекта решетки кремния в зоне изгиба, повышается ее механическая прочность.

Обычным методом съема информации о изгибе балки кантилевера является направление на некоторую область балки лазерного луча и детектирование направления отраженного от балки кантилевера светового потока. Если часть луча лазера попала на место изгиба балки, то в силу нелинейной формы поверхности изогнутой балки отраженный луч станет расходящимся, что затруднит его детектирование, а кроме того приведет к существенному увеличению нелинейности зависимости направления отраженного балкой кантилевера лазерного луча от нормального усилия, приложенного к балке. В случае применения утончения треугольной формы, а значит малой протяженности места изгиба балки, такой негативный эффект отсутствует. Действительно, даже если конструкция некоторой конкретной модели сканирующего зондового микроскопа такова, что происходит попадание луча лазера в практически точечную по своей ширине зону изгиба, то отраженный луч распадается на два отдельных луча, отраженных от плоских участков балки кантилевера до и после места изгиба, каждый из которых сохраняет низкую расходимость начального пучка. Разделение сигнала от таких пучков не составляет труда. Кроме того, часть балки между основанием кантилевера и утончением можно покрыть материалом, поглощающим излучение лазера, а остальную часть балки, наоборот, отражающим материалом, что автоматически выделит только сигнальный пучок. Такое же применение отражающих и поглощающих материалов в случае протяженной зоны изгиба балки кантилевера тяжело осуществимо из-за деструкции, которой будет подвергаться в процессе эксплуатации кантилевера немонокристаллический и изобилующий дефектами, появившимися при его нанесении на кремний, материал, нанесенный на протяженную зону изгиба.

Использование утончения треугольной формы, а значит с малой протяженностью зоны изгиба, позволяет изготавливать кантилеверы с точно заданными геометрическими размерами балки, то есть с заданной частотой собственных резонансных колебаний балки кантилевера. Это приобретает особое значение при изготовлении многозондовых кантилеверов, в которых к основанию кантилевера крепится не одна, а несколько балок. Действительно, при сканировании исследуемой поверхности многозондовым кантилевером возбуждаются собственные колебания каждой из балок, частоты которых являются индивидуальными для каждой балки. В результате взаимодействия с исследуемой поверхностью параметры этих колебаний (фаза, частота и амплитуда) претерпевают возмущения, которые и несут информацию о рельефе поверхности. Выделение из общего сигнала кантилевера информации, поступающей от конкретной балки, происходит путем выделения из него частотных составляющих, соответствующих собственным резонансным колебаниям каждой из балок. Разрешение такого прибора тем выше, чем больше разница между резонансными частотами балок и выше точность задания этих частот при изготовлении кантилевера. Первый способ увеличения разрешения при заданной точности изготовления балок кантилевера и их геометрических размерах ограничивает количество балок в одном кантилевере, а, значит, необходимо идти по пути повышения точности задания частоты собственных резонансных колебаний балки кантилевера, что и обеспечивается использованием утончения треугольной формы.

Литература.

1. Anja Boisen, Ole Hansen and Siebe Bouwstra. AFM probes with directly fabricated tips. J. Micromec. Microeng. N 6, 1996, p. 61 2. Быков В.А., Гологанов А.Н. Кантилевер для сканирующего зондового микроскопа. Патент Российской Федерации N 2124780.

3. Труды Института Инженеров По Электротехнике и Радиоэлектронике, том 70, N 5, май 1982, Москва, "Мир" Список иллюстраций.

Фигура 1-4: Различные варианты предлагаемого кантилевера для сканирующего зондового микроскопа, в котором балка кантилевера имеет одно или несколько поперечных утончений треугольной формы.

Фигура 5: Травление кремния с кристаллографической ориентацией поверхности (100).

Формула изобретения

Кантилевер для сканирующего зондового микроскопа, состоящий из основания, к которому прикреплены одна или несколько балок, каждая из которых обладает расположенной на дальнем от основания конце иглой и имеет одно или более поперечное утончение, отличающийся тем, что утончение имеет треугольную форму.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5