BG110480A - Sensors for scanning probing microscopy, a method of three-dimensional measuing and a method for producing such sensors - Google Patents
Sensors for scanning probing microscopy, a method of three-dimensional measuing and a method for producing such sensors Download PDFInfo
- Publication number
- BG110480A BG110480A BG10110480A BG11048009A BG110480A BG 110480 A BG110480 A BG 110480A BG 10110480 A BG10110480 A BG 10110480A BG 11048009 A BG11048009 A BG 11048009A BG 110480 A BG110480 A BG 110480A
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- probe
- sensor
- measurement
- elements
- microcontroller
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 134
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 title abstract 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 399
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 110
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 claims abstract description 31
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical class [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims abstract description 20
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 48
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 38
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 37
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 32
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 19
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 14
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 claims description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 11
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 238000007373 indentation Methods 0.000 claims description 6
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 4
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 claims 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012876 topography Methods 0.000 abstract description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 43
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 40
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 28
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 description 19
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 15
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 12
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 12
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 10
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 10
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 9
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 6
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 description 4
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 3
- 238000000347 anisotropic wet etching Methods 0.000 description 2
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 description 2
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 2
- 230000009193 crawling Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000004574 scanning tunneling microscopy Methods 0.000 description 2
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 2
- 238000009623 Bosch process Methods 0.000 description 1
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- -1 Snanonishka Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010044565 Tremor Diseases 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000007036 catalytic synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 238000009429 electrical wiring Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 1
- 239000013081 microcrystal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000009885 systemic effect Effects 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 description 1
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
- G01Q70/08—Probe characteristics
- G01Q70/10—Shape or taper
- G01Q70/12—Nanotube tips
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/045—Self-actuating probes, i.e. wherein the actuating means for driving are part of the probe itself, e.g. piezoelectric means on a cantilever probe
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
- G01Q70/08—Probe characteristics
- G01Q70/10—Shape or taper
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретението се отнася до сензори за сканираща сондова микроскопия (SPM), които осигуряват висока точност и разделителна способност при измерване, метод за тримерно измерване с подобни сензори и метод за получаването им, които чрез измерване на изменения в амплитудата, честотата, фазовата разлика или на тунелен ток намират приложение за определяне на топографски релеф, геометричен размер, или друга характеристика на обекти в различни области на техниката. Сензорите се състоят от тяло, микроконзола и сондова част, които имат обща плоска повърхност, в която е формиран поне един елемент за функционализиране във вид на отвор и/или канавка, в който е поместен хетерогенен сондов елемент като въглеродна нанотръба (CNT), борна или борнитридна нанотръба, нанонишка, нанокристал и др., включително със сложна форма, например цилиндър със сфера. Методът на тримерно измерване дава възможност като се използват сензори, притежаващи еластичност по три направления с обичайната техника за сканираща сондова микроскопия, при измерване в дадена точка да се определят характеристиките на образеца в трите направления без завъртане на сензора и/или на изследвания образец. Изобретението се отнася и до метод за получаване на описаните сензори по възпроизводим и точен начин.The invention relates to scanning probe microscopy (SPM) sensors that provide high accuracy and resolution in measurement, a three-dimensional measurement method with similar sensors, and a method for obtaining them, by measuring changes in amplitude, frequency, phase difference, or tunneling currents are used to determine topographic relief, geometric size, or other characteristics of objects in various fields of technology. The sensors consist of a body, a microcontroller and a probe having a common planar surface, in which at least one hole-forming element and / or groove is formed, housing a heterogeneous probe element such as a carbon nanotube (CNT), boron or boronitride nanotube, nanowire, nanocrystal, etc., including a complex shape, such as a sphere cylinder. The three-dimensional measurement method makes it possible to use three-way elastic sensors using the usual scanning probe microscopy technique to determine, at a given point in time, the characteristics of the sample in the three directions without rotating the sensor and / or the test specimen. The invention also relates to a method for obtaining the sensors described in a reproducible and accurate manner.
претенции, 30 фигуриclaims, 30 figures
Да се публикува фиг. 9а!FIG. 9a!
СЕНЗОРИ ЗА СКАНИРАЩА СОНДОВА МИКРОСКОПИЯ, МЕТОД НА ТРИМЕРНО ИЗМЕРВАНЕ И МЕТОД ЗА ПОЛУЧАВАНЕ НА ТАКИВА СЕНЗОРИSENSORS FOR SCANNING PROBE MICROSCOPY, THREE DIMENSION METHOD AND METHOD OF OBTAINING SUCH SENSORS
Област на приложениеField of application
Изобретението се отнася до сензори за сканираща сондова микроскопия (SPM) осигуряващи висока точност и разделителна способност при измерване, метод за тримерно измерване с подобни сензори и метод за получаването им, които чрез измерване на изменения в амплитудата, честотата, фазовата разлика или на тунелен ток намират приложение за определяне на топографски релеф, геометричен размер, или другаThe invention relates to scanning probe microscopy (SPM) sensors providing high precision and resolution in measurement, a three-dimensional measurement method with similar sensors and a method for producing them, by measuring changes in amplitude, frequency, phase difference or tunneling current find an application to determine topographic relief, geometric size, or other
характеристика на обекти в различни области на техниката. По-специално, изобретението се отнася до сензори, в които се използват хетерогенни сондови елементи, метод на тримерно измерване и метод за получаване на такива сензори за сканираща микроскопия, които са предназначени за използване в обичайни системи за атомно-силова микроскопия (AFM) и сканираща тунелна микроскопия (STM).characteristics of objects in various fields of technology. In particular, the invention relates to sensors using heterogeneous probe elements, a three-dimensional measurement method and a method for producing such scanning microscopy sensors for use in conventional atomic force microscopy (AFM) systems and scanning tunneling microscopy (STM).
Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION
Сканиращата сондова микроскопия и нейните най-използвани форми - атомносиловата микроскопия (AFM) и сканиращата тунелна микроскопия (STM), са широко използвани съвременни методи за изследване и формиране на изображения на повърхности, анализи в нанообластга, манипулации и др. Формирането на изображения с SPM става чрез регистриране на взаимодействието между сензор и образец в предварително зададени от сканиращата система мрежа от точки и обичайно SPM методите използват сензори, съдържащи микроконзоли или друг вид микромеханични еластични елементи със сондови елементи (наричани също остриета, сонди). Микроконзолите реагират на малки въздействия и по този начин преобразуват въздействие, дължащо се на изследван образец в измерима величина, като се огъват и променят характеристиките на механичното трептене или провеждат електрически токове между образеца и сензора. Един пример на такъв обичайно използван сензор е показан на фиг. 1. Този сензор има тяло 1, от което е оформена микроконзола 2 с дължина L, ширина W и дебелина Н. Микроконзолата има един свободен край и съответно направление на деформация по оста Z, като в свободния й край е оформен сондов край 3 със сондов елемент (сонда) Р, който взаимодейства с изследвания образец.Scanning probe microscopy and its most commonly used forms, atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM), are widely used modern methods for the study and formation of surface images, nanoblast analyzes, manipulations, and more. Image formation with SPM is done by recording the interaction between the sensor and the sample in a network of points pre-defined by the scanning system and typically SPM methods use sensors containing microcontrolls or other types of micromechanical elastic elements with probe elements (also called blades, probes). The microcontroller responds to small effects and thus converts the impact due to the test sample to a measurable amount by bending and changing the characteristics of mechanical oscillation or conducting electrical currents between the sample and the sensor. An example of such a commonly used sensor is shown in FIG. 1. This sensor has a body 1 from which is formed microcontroller 2 of length L, width W and thickness H. The microcontroller has one free end and a corresponding direction of deformation along the Z axis, and a probe end 3 with a probe is formed at its free end. element (probe) P that interacts with the test sample.
Свободният край на такава микроконзола под въздействие на сила F с направление по оста Z би се отклонила на разстояние AZ, като между тези две величини е в сила зависимостта:The free end of such a micro-bracket under the force F with a direction along the Z axis would deviate at a distance AZ, with the dependence between these two quantities:
F = k.AZ,(1) където к е коефициент на еластичност, който се определя от геометричните размери и материала. За хомогенна микроконзола с правоъгълно сечение, к в редица източници, например патент US 5345815, е описана чрез зависимоста:F = k.AZ, (1) where k is the coefficient of elasticity, which is determined by the geometric dimensions and the material. For a homogeneous rectangular cross-sectional microconsole, k in a number of sources, for example, US patent 5345815, is described by the dependence
k=E.W.H3/(4L3):(2) където Е е модулът на Юнг (който за силиций е: Е = 1.9.1011 N/m2).k = EWH 3 / (4L 3 ) : (2) where E is the Young's modulus (which for silicon is: E = 1.9.10 11 N / m 2 ).
При това микроконзолата има резонансна честота Fr на огъване по оста Z, която сеIn this case, the microconsole has a resonant frequency F r of bending along the Z axis, which is
определя от връзката:determined by the link:
Fr = ft 162 (Е/р),/2 .H.L'2(3)F r = ft 162 (E / p) , / 2 .H.L ' 2 (3)
Λ·} където р е плътноста на материала (за силиций р = 2.3 .10 kg.m').Където ·} where p is the material density (for silicon p = 2.3 .10 kg.m ').
Видът на взаимодействията между сондовия елемент Р и образеца, протичащи в равнина, успоредна на повърхността на микроконзолата, се определят от формата и състава на сондовия елемент. В резултат на взаимодействието микроконзолата се огъва и/или се променя амплитудата AZ и фазата на трептенето й. Промяната на тези параметри се регистрира посредством различни методи на детекция, като оптически, капацитивен, пиезоелектрически, пиезорезистивен и др., известни на специалистите в областта.The type of interaction between the probe element P and the sample, which takes place in a plane parallel to the surface of the microcontroller, is determined by the shape and composition of the probe element. As a result of the interaction, the microcontroller bends and / or changes the amplitude of the AZ and its oscillation phase. The change in these parameters is detected by various detection methods, such as optical, capacitive, piezoelectric, piezoresistive, etc., known to those skilled in the art.
За получаване на сондови елементи с различни размери и форма, изградени от материала на подложката и физически обединени с микроконзолата, са разработени редица методи. Такива например са разкрити в патентите US 5051379, US 5242541, US 5345816, © US 5611942.A number of methods have been developed to obtain probes of various sizes and shapes made of substrate material and physically coupled to the microcontroller. For example, such are disclosed in US Pat.
Характерно за методите за получаване на такива сензори е това, че при тях сондовият елемент се получава с ецване, което се извършва върху доминираща част от повърхността на сензора, с изключение на зоните на сондите; последователността от технологични стъпки е дълга, тъй като обичайно първо се формират сондовите елементи (сондите), а след това се получават останалите микромеханични елементи върху новоформираната повърхност след ецването. При това, след получаването на структурите за сондите, се обработват структури с изпъкнали елементи, което налага използването на специални оборудване и материали в следващите технологични стъпки. Освен това, като следствие от процеса на получаване чрез ецване, съществуват ограничения за формата и параметрите на остриетата, която форма се определя от геометрията и ориентацията на маската за ецване, и от анизотропията и • · · · · · 99 9Typical of methods for producing such sensors is that the probe element is obtained by etching, which is carried out on a dominant part of the sensor surface, except for the probe zones; the sequence of technological steps is long, as the probe elements (probes) are usually first formed, and then the remaining micromechanical elements are obtained on the newly formed surface after etching. In addition, after receiving the structures for the probes, structures with protruding elements are processed, which necessitates the use of special equipment and materials in the next technological steps. In addition, as a consequence of the etching process, there are limitations to the shape and parameters of the blades, which shape is determined by the geometry and orientation of the etching mask, and by the anisotropy and the anisotropy.
9 9 9 9 9 9 999 9 9 9 9 9 99
9 9 9 9 9 9 9 9 999 9 9 9 9 9 9 9 99
999 99 9 999 99 9999 • 9 9 9 9 9 99999 99 9 999 99 9999 • 9 9 9 9 9 99
9 99 9 9 9 9 9 9 9 99 9 селективността на използваните процеси; получените в един процес на ецване сонди са ориентирани в една посока и по технологични причини не могат да бъдат получавани едновременно сонди с различна ориентация, което води до практическата невъзможност да се получават сензори с повече от една сонда.9 99 9 9 9 9 9 9 9 99 9 the selectivity of the processes used; probes obtained in one etching process are oriented in one direction and for technological reasons cannot be obtained simultaneously with probes with different orientation, which makes it practically impossible to obtain sensors with more than one probe.
За избягване на част от така описаните трудности са разработвани микроконзоли, които са разположени изцяло в равнината на подложката. Такива прибори са разкрити например в патенти US 5729026 и US 5856672, които използват микроконзола с острие получено посредством фотолитография и последващо анизотропно мокро ецване, без да се формира структура извън равнината на микроконзолата. Тази микроконзола може да се огъваTo avoid some of the difficulties described above, micro-consoles have been developed that are located entirely in the plane of the substrate. Such utensils are disclosed, for example, in US Patents 5729026 and US 5856672, which use a blade microconsole obtained by photolithography and subsequent anisotropic wet etching without forming a structure beyond the plane of the microconsole. This microconsole can be bent
само в направление, перпендикулярно на повърхността на подложката, а разполагането на острието в равнината на подложката позволява използването на сензора единствено при сравнително голям наклон към равнината на изследвания образец.only in a direction perpendicular to the surface of the substrate, and the position of the blade in the plane of the substrate allows the use of the sensor only at a relatively large inclination to the plane of the specimen under study.
Разделителната способност на един сензор за сканираща микроскопска система зависи от формата и размера на сондовия елемент. За съществено подобряване на тази разделителна способност през последните години са направени редица изследвания за интегриране на въглеродни нанотръби (CNT) като сондови елементи. CNT са най-добрите известни остриета заради забележителните си свойства, като: съотношение дължина към диаметър до 1.106: 1; когато са бездефектни имат голяма механична здравина, добра електрои топло-проводимост, огромна специфична площ (до 100 м2/г за едностенните въглеродни нанотръби - SWCNT), свойствата им могат да се променят чрез функционализиране, като самите те са химически стабилни. Известно е също така, че при определени условия се получават нанотръби с краища във формата на полусфера.The resolution of a scanning microscope sensor depends on the shape and size of the probe element. A number of carbon nanotube integration (CNT) studies have been performed to substantially improve this resolution in recent years as probe elements. CNTs are the best known blades for their remarkable properties, such as: length to diameter ratio up to 1.10 6 : 1; when defect-free they have great mechanical strength, good electrical and thermal conductivity, huge specific surface area (up to 100 m 2 / g for single-wall carbon nanotubes - SWCNT), their properties can be changed by functionalization, and they themselves are chemically stable. It is also known that under certain conditions nanotubes with hemisphere-shaped ends are produced.
Известни са множество методи за получаване на сензори за AFM с нанотръби, напр. описаните в патенти US 6346189, US 6401526, US 6528785, US 6871528, US 7048903, US 7138627, като при всички тях се използват вече формирани остриета от материала на микроконзолата, а нанотръбите върху остриетата се получават по два основни подхода:Numerous methods are known for obtaining nanotube AFM sensors, e.g. described in US Patents 6346189, US 6401526, US 6528785, US 6871528, US 7048903, US 7138627, all of which use already formed blades from the material of the microconsole, and nanotubes on the blades receive two main approaches:
- високотемпературен или друг вид контролиран синтез на нанотръби - в подходяща среда върху области (острови) с каталитични за синтеза свойства, които области са разположени върху остриетата;- high-temperature or other controlled synthesis of nanotubes - in suitable environment on regions (islands) with catalytic properties for synthesis, which regions are located on the blades;
- закрепване (фиксиране) на предварително синтезирани нанотръби върху предварително подготвени остриета.- securing (fixing) of pre-synthesized nanotubes to pre-prepared blades.
Общи недостатъци и на двата споменати подхода за създаване на сензори за AFM с нанотръби са ниската възпроизводимост на получаваните крайни резултати, дължаща се на ниската възпроизводимост на прилаганите при тези методи процеси на установяване и ориентиране на въглеродните нанотръби, както и необходимостта от използването на сложно и специализирано оборудване.Common disadvantages of both the mentioned approaches for creating AFM sensors with nanotubes are the low reproducibility of the end results, due to the low reproducibility of the carbon nanotube detection and orientation processes used in these methods, and the need to use complex and specialized equipment.
Така например, от патентна заявка US 2008121029 е известен метод за получаване на сензори за AFM с въглеродна нанотръба, които сензори се състоят от тяло, микроконзола явяваща се продължение на тялото и разположен извън равнината на микроконзолата сондов участък във формата на извит конус, пирамида или призма, върху който е направена канавка във вид на прорез, който може да представлява и отвор. На странична стена на прореза се закрепва въглеродната нанотръба.For example, patent application US 2008121029 discloses a method of producing carbon nanotube AFM sensors, which sensors consist of a body, a micro-console extending over the body, and a probe-shaped, conical, pyramid-shaped probe section outside the plane of the micro-console. a prism on which a groove is made in the form of a slot, which may also represent an opening. A carbon nanotube is attached to the side wall of the slot.
За сензорите, получени по този метод е характерно това, че повърхностите на структурите, върху които се закрепват CNT, сключват ъгъл с равнината на повърхноста на подложката, който е строго различен от 0° и се определя от наклона, под който е изграден (формиран) сондовия участък. В заявката за патент са описани няколко алтернативни примера за прилагане на метода, от които става ясно, че възможните ъгли на наклон на CNT към посочената повърхност са определен ограничен брой, като за всеки конкретен наклон е предложен специфичен, различен технологичен подход. В този смисъл, в метода от цитирания патент не е разкрит общ подход за получаване на сонди със сондови елементи, разположени под различни ъгли, което е необходимо на първо място за получаване на оптимални резултати при измерване, но също и за по-ефективен процес на производство.The sensors obtained by this method are characterized by the fact that the surfaces of the structures on which the CNTs are attached conclude an angle with the plane of the surface of the substrate, which is strictly different from 0 ° and is determined by the slope under which it is formed (formed ) the probe section. The patent application describes several alternative examples of application of the method, from which it becomes clear that the possible angles of inclination of the CNT to the specified surface are defined by a limited number, and a specific, different technological approach is proposed for each particular inclination. In this sense, the method of the cited patent does not disclose a common approach for producing probes with probe elements at different angles, which is necessary in the first place for optimal measurement results, but also for a more efficient process of measurement. production.
Изложеният в посочената заявка метод за фиксиране на CNT към стена на прореза изисква използването на специализирано оборудване, като сканиращ електронен микроскоп, а процесът на това фиксиране не е достатъчно точен, за да осигури повторяемост на положението на мястото на фиксиране, което прави метода трудно изпълним практически.The method of fixing the CNT in the aforementioned slot in the said request requires the use of specialized equipment, such as a scanning electron microscope, and the process of this fixation is not precise enough to provide a repeatability of the position of the fixation site, which makes the method difficult to perform. practically.
От заявка за патент US 2008011066 е известен метод за получаване на сензор за AFM, състоящ се от тяло на сензора, микроконзола, сондова част с формата на изпъкнал връх и острие (сонда), получени изцяло с фотолитографско структуриране. За получаването на такъв прибор са използвани пластини от типа силиций-върху-изолатор (SOI), като е описана възможността за получаване на микроконзоли с разнообразна форма изцяло с фотолитографско структуриране. Развитието на съвременните литографски методи гарантира висока точност и възпроизводимост на получените съгласно цитираната заявка • · ♦ · ·· 9 tt • · · · · ···· • · · · · · · · · ·· • ··» · · · ··· · · ···· • · · · * · ·· • · · · · · · · · · · · · · елементи в много широки граници на размерите. Въпреки това, методът изисква специален материал на подложката (SOI пластини) и сравнително сложна технологична последователност. При това в стъпката на оформяне на сондов елемент с връх в равнина, различна от началната равнина на подложката посредством процес на ецване, поради наличието на свързващ продълговат елемент на фигурата е практически невъзможно да се постигне достатъчна възпроизводимост на положението на върха на сондовия елемент,According to patent application US 2008011066, a method is known for obtaining an AFM sensor consisting of a sensor body, a microconsole, a convex tip and a blade (probe) probe, obtained entirely by photolithographic structuring. Silicon-on-insulator (SOI) plates were used to produce such a device, describing the possibility of obtaining microconsoles of various shapes entirely with photolithographic structuring. The development of modern lithographic methods guarantees the high accuracy and reproducibility of the received according to the cited application. · · · · · · 9 tt • · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Elements within very wide size limits. However, the method requires special substrate material (SOI plates) and a relatively sophisticated technological sequence. Moreover, in the step of forming a probe element with a tip in a plane other than the initial plane of the substrate by an etching process, it is practically impossible to achieve sufficient reproducibility of the tip position of the probe element, due to the presence of the elongating binder element of the figure,
спрямо останалите елементи на сензора.relative to other sensor elements.
В посочената патентна заявка US 2008011066, използване на CNT за остриета на сензори за AFM се споменава само в състоянието на техниката, но като елемент за сонди, който според изобретателите е проблемен. В този патент нито се споменава, нито се предполага, че е възможно формирането и използването на канавки и/или отвори в сондата, още повече ориентирани по специфичен начин, като елемент, който да служи за поставяне на острие от CNT.In said patent application US 2008011066, the use of CNTs for AFM sensor blades is mentioned only in the prior art, but as a probe element, which according to the inventors is problematic. This patent neither mentions nor implies that it is possible to form and use grooves and / or holes in the probe, further oriented in a specific manner, as an element to serve for CNT blade insertion.
В заявка за патент WO 2009/000885 е разкрит метод за получаване на микроконзолни сензори, които са биморфна структура с плоска форма. Остриетата са оформени посредством фотолитографски процес и ецване строго по оста на микроконзолите, а деформирането на микроконзолите е чрез биморфен термоелемент и допълнителен елемент за нагряване, с който се регулира дължината на микроконзолата. В работно положение този сензор се разполага вертикално спрямо повърхността на изследвания образец, като актюирането по височина към повърхността на образеца е чрез нагревателния елемент. В този случай предпочитаната равнина на деформация на микроконзолите е перпендикулярна на повърхноста на подложката. Според описанието, предпочитаните остриета са CNT, закрепени към края на сондовия елемент. В тази заявка обаче нито е разкрит някакъв, какъвто и да било метод на закрепване на тези CNT, представляващи елемент от претендираните със заявката сензори, нито се споменава или предполага възможността да се използват канавки и/или отвори за такава цел.In patent application WO 2009/000885, a method is disclosed for producing micro-cantilever sensors, which are a bimorphic flat-shaped structure. The blades are shaped by a photolithographic process and are etched strictly along the axis of the microcontroller, and the deformation of the microcontroller is by a bimorph thermocouple and an additional heating element that regulates the length of the microcontroller. In the operating position, this sensor is positioned vertically relative to the surface of the test specimen, the height actuation of the specimen surface being via the heating element. In this case, the preferred deformation plane of the microconsoles is perpendicular to the surface of the substrate. According to the description, the preferred blades are CNTs attached to the end of the probe element. However, this application neither discloses any method of fastening these CNTs as an element of the claimed sensors, nor does it mention or suggest the possibility of using ditches and / or openings for such purpose.
Известните към момента сензори, притежаващи едно направление на измерване, намират приложение в традиционните методи за измерване със сканираща сондова микроскопия, в която обичайно се използват сканиращи системи с една или две оси на сканиране на повърхността. Сигналът от сензора с едно направление на измерване се използва за конструиране на изображение на сканираната повърхност на изследвания обект, което отразява взаимодействието на сондовия елемент по време на сканирането с образеца. С този тип системи се изследват образци, за които участъка от повърхността им за сканиране е предварително зададен, като е известно и направлението за достигането му, а стръмността на профила на елементите в същия този участък е ограничена. При необходимост от получаване на изображения на участъци от повърхността на образеца със сложна форма или голяма стръмност, както и от получаване на дву- и три-мерни профили, образците се завъртат по отношение на направлението на измерване на сензора, така че да бъде компенсирана невъзможността за достъп до тези участъци от повърхността, обусловена от използваните съвременни сензори и сканиращи системи. Така, поради този ограничен достъп, за създаване на тримерен образ във всяка точка от повърхността на образеца, в която се извършва С измерване, с помощта на сканиращата система освен преместването по едно направление за достигане до точката, трябва да се извършват и завъртания (премествания), за изследване на всяко от останалите две направления в същата точка, включително понякога се налага и да се сменя сензора, когато той не предоставя възможност за такова измерване след завъртане.The currently known sensors, having one direction of measurement, find application in conventional scanning probe microscopy methods, which typically use one or two axis scanning systems for surface scanning. The signal from the one-way sensor is used to construct an image of the scanned surface of the object under study, which reflects the interaction of the probe element during scanning with the sample. This type of system examines specimens for which the area of their scanning surface is predetermined, and the direction to reach it is known, and the steepness of the profile of the elements in the same area is limited. When it is necessary to obtain images of portions of the surface of the sample with a complex shape or high steepness, as well as to obtain two- and three-dimensional profiles, the samples are rotated with respect to the measurement direction of the sensor so as to compensate for the impossibility to access these areas from the surface conditioned by the modern sensors and scanning systems used. Thus, because of this restricted access, rotations (displacements) must be made in addition to moving one direction to reach the point to create a three-dimensional image at any point on the surface of the sample in which the measurement is performed. ) to examine each of the other two directions at the same point, including sometimes having to change the sensor when it does not allow such measurement after rotation.
В заявка за патент US 2008083270 са разкрити система и метод за многомерноIn the patent application US 2008083270 disclosed a system and method for multidimensional
регистриране и измерване на сили за целите на сканиращата сондова микроскопия с чувствителност в няколко направления, в частност система и метод с използване на CNT. Характерно за този метод за измерване е, че при него се реализират премествания на върха на сондовия елемент в различните направления, като се използват различни режими на трептене на микроконзолата - на огъване и на усукване. За получаване на сонда със CNT на контролируеми позиции с контролируеми параметри, се използва каталитичен синтез върху подготвена МЕМС структура, описан в патент US 6146227 на същия изобретател. Независимо от идеята за сондова част с няколко сондови елементи, илюстрирана на фиг. 20 от заявка за патент US 2008083270, в тази заявка и в патент US 6146227 няма разкрит някакъв, какъвто и да било начин за получаване на подобни МЕМС със CNT, разположени върху различните повърхнини на сондата - такова техническо решение в тези документи липсва. Освен това, както е пояснено за фиг. 20 и фиг. 21 в заявка US 2008083270, това е изпълнение, при което се реализира CNT-осцилатор с цилиндрична симетрия, докато сондовата част, още по-малко микроконзолата, не се подлага на осцилиране и това прави невъзможно разграничаването на резултата от измерването с една и съща подобна сонда, както показаната на фиг. 21, в повече от едно направление на измерване.recording and measuring forces for the purpose of multi-directional scanning probe microscopy, in particular a CNT system and method. Characteristic of this measurement method is that it performs displacements on the tip of the probe element in different directions, using different modes of oscillation of the microcontroller - bending and twisting. To obtain a CNT probe at controllable positions with controllable parameters, catalytic synthesis is used on a prepared MEMS structure described in patent US 6146227 of the same inventor. Notwithstanding the idea of a probe portion with several probe elements, illustrated in FIG. 20 of patent application US 2008083270, this application and patent US 6146227 do not disclose any way of obtaining such MEMS with CNTs located on different surfaces of the probe - such a technical solution is absent in these documents. Moreover, as explained in FIG. 20 and FIG. 21 in application US 2008083270, this is an embodiment in which a cylindrical symmetry CNT oscillator is implemented, while the probe part, much less the microcontroller, is not subject to oscillation and this makes it impossible to differentiate the measurement result with the same a probe as shown in FIG. 21, in more than one measurement direction.
Следователно съществува необходимост от създаването на микроконзолен сензор за сканираща микроскопия със сондов елемент (сонда), осигуряващ висока разделителнаTherefore, there is a need to create a micro-console scanning microscope sensor with a probe element providing a high resolution
способност, с който сензор да се извършват измервания с висока точност под желан спрямо изследвания образец ъгъл. Необходимо е освен това, този сензор да бъде усъвършенстван и възможностите му - разширени, така че да се преодолее невъзможността понастоящем сthe ability by which the sensor to perform measurements with high accuracy at the desired angle from the test specimen. In addition, this sensor needs to be improved and its capabilities expanded to overcome the impossibility of
един и същи сензор да се извършват измервания в две и три направления в една точка на измерване. Съществува необходимост освен това, от адекватен метод на тримерно измерване, с помощта на който, като се използват сензори с такива разширени възможности, бързо и опростено да се прави тримерно (и двумерно) точно измерване с обичайната техника на сканиращата сондова микроскопия във всяка конкретна точка на измерване, без да се налагат допълнителни стъпки на завъртане по второто направление или ново измерване за третото направление, за да се съберат всички данни в измерваната точка от повърхността и да се получи цялостният профил или размер на изследвания образец, възможности, които съществуващите към момента измервателни методи не предоставят. Съществува и необходимост от разработването на общ, лесен за изпълнение и възпроизводим метод, чрез който да се получава желания сензор с контролируеми еластични характеристики и не само с един, а и с повече сондови елементи, разположени под различен ъгъл спрямо оста на микроконзолата, така че да се реализират на практика търсените разширени възможности и висока разделителна способност и точност на сензора.the same sensor to take measurements in two and three directions at one measuring point. There is also a need for an adequate three-dimensional measurement method, using sensors with such advanced capabilities, to quickly and easily make three-dimensional (and two-dimensional) accurate measurements with the usual scanning probe microscopy technique at any particular point measurement without the need for additional steps in the second direction or a new measurement for the third direction to collect all the data at the measured point from the surface and to obtain the complete profile or dimension PhD research model options currently available measuring methods do not provide. There is also a need to develop a common, easy-to-implement and reproducible method to obtain the desired sensor with controllable elastic characteristics and not only with one but also with multiple probe elements at different angles to the axis of the microcontroller, so that to put into practice the advanced capabilities and high resolution and accuracy of the sensor sought.
Описание на изобретениетоDescription of the invention
ДефиницииDefinitions
Освен ако изрично не е специфицирано друго, по отношение на описанието на настоящото изобретение и приложените претенции се прилагат определени дефиниции, както следва.Unless expressly stated otherwise, certain definitions apply to the description of the present invention and the appended claims, as follows.
Терминът „елемент за функционализиране”, както е използван тук, означава участък от сондовата част, оформен вдлъбнато с постоянна форма на напречното сечение, като наклонът на стените и размерите на елемента за функционализиране са достатъчни той да поеме в себе си част от продълговат хетерогенен сондов елемент чрез самопозициониране. Елементът за функционализиране може да бъде отвор или канавка. И в двата случая, след поставяне на продълговат хетерогенен сондов елемент в елемента за функционализиране, хетерогенният сондов елемент се позиционира или самопозиционира в предварително избрано положение. Елементите за функционализиране се получават посредством процес на ецване през маска в монокристалната силициева подложка, с или без допълнителни спомагателни слоеве.The term "functionalizing element" as used herein means a portion of the probe portion formed concave with a constant cross-sectional shape, the slope of the walls and the dimensions of the functionalizing element being sufficient to accommodate a portion of an elongated heterogeneous probe element through self-positioning. The functional element may be an opening or a ditch. In both cases, after placing a heterogeneous probe element in the functionalizing element, the heterogeneous probe element is positioned or self-positioned in a pre-selected position. The functionalizing elements are obtained by masking etching into the single crystalline silicon pad, with or without additional auxiliary layers.
Терминът „съставна канавка”, използван тук, означава всяка вдлъбнатина, която е резултат от поне два отделни, независими процеса на ецване, вторият от които обхваща само дъното на вдлъбнатината, получена при първото ецване.The term "composite groove" as used herein means any indentation that results from at least two separate, independent etching processes, the second of which only covers the bottom of the indentation obtained during the first etching.
Терминът „хетерогенен сондов елемент” (или само „сондов елемент”), за целите на настоящото описание и претенции означава използван за регистрация на определено взаимодействие елемент, направен от материал, различен от този на подложката, като например въглерод, бор, бор нитрид, цинков оксид и др., във вид на нанотръба, наножица, Снанонишка, нанокристал и подобни. Хетерогенният сондов елемент може да бъде използван така, както е получен, или може да бъде съставен от отделно получени хетерогенни части, а може също да бъде предварително подходящо обработен, така че да има определени физични, химични и/или биологични свойства. При всички случаи хетерогенният сондов елемент притежава характерно взаимодействие с изследвания образец, резултиращо в механичен отклик на сензора и/или електрически сигнал.The term "heterogeneous probe element" (or only "probe element"), for the purposes of the present description and claims, means an element used to register a particular interaction made from a material other than that of the substrate, such as carbon, boron, boron nitride, zinc oxide and the like, in the form of nanotubes, nanoparticles, Snanonishka, nanocrystals and the like. The heterogeneous probe element may be used as obtained or may be composed of separately obtained heterogeneous moieties, and may also be pretreated to have certain physical, chemical and / or biological properties. In any case, the heterogeneous probe element has a characteristic interaction with the test specimen resulting in a mechanical response of the sensor and / or electrical signal.
Терминът „еластичен микромеханичен елемент”, използван тук, означава механичен елемент с размери в микро- или нано-метричния диапазон, който поради формата си и материала, от който е направен, по време на измерване при взаимодействие с изследвания образец преобразува това взаимодействие в еластична механична деформация. В това описание, в зависимост от контекста, примери за еластични микромеханични елементи са както микроконзолата и сондовата част по отделно, така и двете заедно.The term "elastic micromechanical element" as used herein means a mechanical element of dimensions in the micro or nanometric range, which, because of its shape and the material from which it is made, during conversion with the test specimen converts this interaction into an elastic mechanical deformation. In this specification, depending on the context, examples of elastic micromechanical elements are both the microcontroller and the probe part separately and both together.
Терминът „еластична микромеханична структура” означава еластичен микромеханичен елемент в междинно състояние по време на неговото получаване, в което той вече е формиран върху общата за сензора от настоящото изобретение, плоска повърхност на монокристалната силициева подложка, но все още не е обемно отделен от нея или процесът на получаването му не е довършен по друг начин.The term " elastic micromechanical structure " means an elastic micromechanical element in the intermediate state at the time of its preparation, in which it is already formed on the surface of the monocrystalline silicon substrate common to the sensor of the present invention, or not yet separated by volume or the process of receiving it has not been completed otherwise.
Терминът „направление на измерване” се отнася до процеса на измерване посредством принудено трептене на еластичен микромеханичен елемент с променлива честота в честотен диапазон, включващ резонансна честота на трептене на еластичния микромеханичен елемент. Направлението, в което по време на измерването в споменатия честотен диапазон, еластичният микромеханичен елемент трепти с резонансна честота, е направление на измерване. Когато в настоящото описание се използва терминът „резонансна • ···«· · ···«· · 4·· • · · · · · · · ···· « · · · · · ·· · · честота”, трябва да се разбира, че той се отнася до трептене в резонанс в режим на огъване по дадено направление, на еластичен микромеханичен елемент. Освен ако изрично не е посочено друго, собствената честота обичайно попада в използвания честотен диапазон, с който се работи.The term "direction of measurement" refers to the process of measurement by the forced oscillation of an elastic micromechanical element with a variable frequency in the frequency range including a resonant oscillation frequency of the elastic micromechanical element. The direction in which, during the measurement in said frequency range, the elastic micromechanical element trembles with resonant frequency is the direction of measurement. When the term "resonant frequency" is used in the present description, "frequency", it should be understood that it refers to the resonance in a bending mode in a given direction of an elastic micromechanical element. Unless otherwise stated, the natural frequency is usually within the frequency range used to operate it.
Термините „контролна” и „работна” амплитуда се отнасят до различните по магнитуд амплитуди, с които се работи в различните режими от метода на тримерно измерване съгласно изобретението. „Контролната” амплитуда е голяма по стойност, докато „работната” амплитуда е малка по стойност.The terms "control" and "operating" amplitudes refer to the different amplitudes used in different modes by the three-dimensional measurement method according to the invention. The "control" amplitude is large in value, while the "operating" amplitude is small in value.
Терминът „точка на измерване” означава позиция на сензора по отношение на С образеца, в която се извършва измерване. „Точката на измерване” е част от мрежа от точки, характерна за всяка сканираща система, по която повърхността на образеца се обхожда в съответствие със свойствения за сканиращата система алгоритъм на движение на сензора и/или на образеца.The term "measuring point" means the position of the sensor relative to the C specimen in which the measurement is made. A "measurement point" is a part of a network of points characteristic of any scanning system, on which the surface of the sample is crawled in accordance with the algorithm of motion of the sensor and / or the sample inherent in the scanning system.
Кратко описание на изобретениетоBrief description of the invention
В първи аспект, настоящото изобретение се отнася до сензор за сканираща сондова микроскопия, включващ оформени съвместно от монокристална подложка тяло, разпростираща се от него микроконзола и разпростираща се от свободния край на микроконзолата сондова част със сондов елемент. Сензорът има плоска сондова част, която се намира в една равнина с тялото и с микроконзолата, представляваща тяхна обща плоска странична повърхност. Сондовата част включва свободен сондов край с формиран върху него поне един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране, в който е поместен продълговат хетерогенен сондов елемент. Върху микроконзолата и/или сондовата част за всяко едно направление на измерване със сензора за сканираща сондова микроскопия, е обособен съответен участък с подбрани геометрични размери, който определя индивидуални статични и динамични характеристики на огъването на микроконзолата и/или сондовата част на сензора в споменатото направление на измерване. Подбирането на тези геометрични размери, определящи еластичните характеристики на микроконзолата и/или сондовата част на сензора, е направено в съответствие със зависимости за различимост на резонансните честоти, които са предпочитана част от този аспект на изобретението.In a first aspect, the present invention relates to a scanning probe microscope sensor comprising a co-formed body with a single crystalline substrate extending from it a micro-console and extending from the free end of the micro-console a probe portion with a probe element. The sensor has a flat probe portion that is flush with the body and the microcontroller, representing their common flat lateral surface. The probe portion includes a free probe end with at least one concave shaped functional element formed therein, in which a long heterogeneous probe element is housed. On the microcontroller and / or probe part for each measurement direction with the scanning probe microscope sensor, there is a separate section with selected geometric dimensions that determines the individual static and dynamic bending characteristics of the microcontroller and / or probe part of the sensor in said direction of measurement. The selection of these geometric dimensions defining the elastic characteristics of the microcontroller and / or the probe portion of the sensor is made in accordance with the resonance frequency differences that are a preferred part of this aspect of the invention.
В други варианти, изобретението разкрива сензори за сканираща сондова микроскопия с повече от един елементи за функционализиране и съответно, разположени в • ·In other embodiments, the invention discloses scanning probe microscopy sensors with more than one functionalizing element and, respectively, located in
тях сондови елементи, които имат подходящо подбрани съотношения на геометричните параметри на еластичния микромеханичен елемент на сензора, които позволят извършването на измервания в повече от едно направление.their probe elements having suitably selected geometrical parameter ratios of the elastic micromechanical element of the sensor that allow measurements to be made in more than one direction.
Съгласно изобретението, в сензорите за сканираща сондова микроскопия като сондови елементи се използват продълговати хетерогенни сондови елементи, подбрани от нанотръба, нанонишка, наножица от въглерод, бор или бор-нитрид, или нанокристал като цинков оксид, за предпочитане единична нанотръба или сноп от нанотръби, всяка от които избрана от едностенна или многостенна въглеродна нанотръба; борна или бор-нитридна нанотръба. Сондовите елементи могат да бъдат съставени от хетерогенни части със сферична, пирамидална или многопирамидална конфигурация, или да бъдат допълнително функционализирани за специфични приложения, включително направени с повишена електропроводимост.According to the invention, in the scanning probe microscope sensors, elongated heterogeneous probe elements selected from a nanotube, nanowire, carbon, boron or boron nitride nanoparticle, or nanocrystalline zinc oxide, preferably a single nanotube or bundle, are used as probe elements each selected from a single-wall or multi-walled carbon nanotube; boron or boron nitride nanotube. The probe elements may be composed of heterogeneous parts with a spherical, pyramidal or multi-pyramidal configuration, or may be further functionalized for specific applications, including those made with increased electrical conductivity.
Във втори аспект, изобретението разкрива метод за тримерно измерване със сензор за сканираща сондова микроскопия, на повърхността на образец, при който сензорът и/или изследваният образец се преместват един спрямо друг от сканиращата микроскопска система за достигане на всяка точка от повърхността, в която се осъществява измерване. Съгласно изобретението, използва се сензор с една микроконзола и една сондова част, имащи обща плоска повърхност, и с индивидуални динамични характеристики на огъване без усукване във всяко от направленията X, Y и Z, които характеристики са различими една от друга при детекция; а сондовата част на сензора е снабдена с един или повече хетерогенни сондови елементи, чийто брой е достатъчен да осигури извършването на измерване по всяко от направленията X, Y и Z. По време на измерването, с техниката на сканиращата сондова микроскопия сензорът и образецът чрез поетапно контролирано преместване достигат до точка на измерване и тогава се установяват в неподвижно положение. В тази позиция, на измерване се подлага околната повърхност, разположена около сондовата част, до която сондата достига при вибриране във всяко от направленията X, Y и Z. Процесът на измерване се реализира без преместване на сензора и/или образеца, посредством привеждане на микроконзолата и сондовата част в трептене, които се осъществяват последователно с работна амплитуда и/или с контролна амплитуда за всяко от направленията X, Y и Z и с честота в диапазон, съдържащ резонансната честота за това направление на измерване. Данните за полученото в резултат на взаимодействието с образеца изменение наIn a second aspect, the invention discloses a method of three-dimensional measurement with a scanning probe microscope, on the surface of a sample, in which the sensor and / or the examined sample are moved relative to each other by the scanning microscope system to reach any point from the surface at which performs measurement. According to the invention, a sensor is used with one microcontroller and one probe part having a common flat surface and with individual dynamic bending characteristics without twisting in each of the X, Y and Z directions, which characteristics are different from each other in detection; and the probe portion of the sensor is provided with one or more heterogeneous probe elements, the number of which is sufficient to allow measurement in each of the X, Y and Z directions. During the measurement, the scanning probe microscopy technique and the step-by-step sample controlled displacement reaches a measuring point and then settles into a stationary position. In this position, the surrounding surface located around the probe portion to which the probe reaches during vibration in each of the X, Y, and Z directions is subjected to measurement. The measurement process is carried out without moving the sensor and / or sample by adjusting the microcontroller and the oscillating probe portion, which are implemented sequentially with a working amplitude and / or a control amplitude for each of the X, Y and Z directions and with a frequency in the range containing the resonant frequency for that measurement direction. Data on the result of the interaction with the sample change to
амплитудата, честотата, фазовата разлика или друга измервана физична величина, се отчитат и обработват за получаване на съответната тримерна характеристика на образеца.the amplitude, frequency, phase difference or other measured physical quantity shall be counted and processed to obtain the corresponding three-dimensional characteristic of the sample.
В трети аспект, настоящото изобретение се отнася до метод за получаване на сензора за сканираща сондова микроскопия съгласно първия аспект на изобретението, при който върху пластина от монокристален силиций с ориентация (100), с р-тип на легиране със специфично съпротивление от 0.1 до 20 Q.cm или с п-тип на легиране и специфично съпротивление от 0.003 до 20 Q.cm, се формира поне един горен спомагателен слой и след това се осъществява фотолитографски дефинирано повърхностно структуриране. По избор, процесът на повърхностно структуриране може да бъде предшестван от формиране върху повърхността на пластината на най-малко един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране с дълбочина на вдлъбването, по-малка от дебелината на свободния сондов край, и тогава повърхностното структуриране се извършва съвместено към този вдлъбнато оформен, най-малко един елемент за функционализиране. При това повърхностно структуриране чрез ецване, в една равнина едновременно се формират тялото на сензора, разпростиращата се от него микроконзола, сондовата част и по избор, един централно разположен вдлъбнато оформен елемент за функционализиране с дълбочина на вдлъбването, равна на дебелината на свободния сондов край, така че се получават тяло и плоска еластична структура с поне един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране. Те се подлагат на структуриране на задната повърхност на силициевата подложка с последващо обемно ецване и освобождаване на цялата сензорна структура, като същевременно се формира спомагателна планарна носеща структура. В следващ етап на получаването на сензорите, в създадения наймалко един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране се поставя хетерогенен продълговат сондов елемент, който се позиционира или самопозиционира към дъното на вдлъбнато оформения елемент за функционализиране и се фиксира към дъното, като накрая готовият сензор се освобождава от спомагателната планарна носеща структура.In a third aspect, the present invention relates to a method for producing a scanning probe microscope according to the first aspect of the invention, wherein on a single-crystal silicon wafer with orientation (100) having a p-type alloy with a specific resistance of 0.1 to 20 Q.cm or with n-type doping and a specific resistance of 0.003 to 20 Q.cm, at least one upper auxiliary layer is formed and then photolithographically defined surface structuring is performed. Optionally, the surface structuring process may be preceded by the formation on the surface of the plate of at least one concave shaped member for functionalization with a depth of indentation less than the thickness of the free probe end, and then the surface structuring is performed jointly to this concave shaped at least one functional element. In this surface etching by etching, the body of the sensor, the micro-console extending from it, the probe part and, optionally, a centrally arranged concave shaped element for functionalization with a depth of indentation equal to the thickness of the free probe, are simultaneously formed in one plane simultaneously. so that a body and a flat elastic structure are obtained with at least one concave shaped functional element. They undergo structuring of the posterior surface of the silicon substrate, followed by bulk etching and release of the entire sensory structure, while forming an auxiliary planar support structure. In a further step of obtaining the sensors, a heterogeneous elongated probe element is positioned in the at least one concave shaped functional element, which is positioned or self-positioned to the bottom of the concave shaped functional element and fixed to the bottom, finally releasing the finished one auxiliary planar support structure.
В едно предпочитано изпълнение на метода за получаване на сензорите за сканираща сондова микроскопия съгласно изобретението, формираният върху повърхността на пластината, най-малко един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране е с дебелина, по-малка от дебелината на свободния сондов край, и се получава преди процеса на повърхностно структуриране чрез фотолитография и последващ най-малко един процес на ецване.In a preferred embodiment of the method for producing scanning probe microscopes according to the invention, at least one concave shaped functional element formed on the surface of the plate is less than the thickness of the free probe end, and is obtained before the process of surface structuring by photolithography followed by at least one etching process.
В друго особено предпочитано изпълнение на метода за получаване на сензор за сканираща сондова микроскопия, се използва пластина от монокристален силиций с п-тип легиране и съпротивление от 1 до 20 Q.cm, която допълнително съдържа предварително изградени върху нея и галванично свързани легирани пиезорезистивни и силнопроводящи области. В този случай, по време на повърхностното структуриране, в процеса на фотолитография към легираните области се съвместяват участъците с подбрани геометрични размери на микроконзолата и сондовата част. След това в последващия процес на маскирано ецване от тези легирани области се формират пиезорезистори. По нататък методът за получаване продължава с процеси за метализация, при които в контакт със силнопроводящите области, върху сондовата част, микроконзолата и тялото на сензора се получават свързващи метални пътеки с изводи за осъществяване на връзка към система за имерване на електрическа величина.In another particularly preferred embodiment of the method for obtaining a scanning probe microscope, a single-crystal silicon wafer with a n-type doping and a resistance of from 1 to 20 Q.cm is used, which further comprises pre-constructed and galvanically coupled doped piezoresistive and strong conducting areas. In this case, during the surface structuring, in the process of photolithography, the sections with selected geometrical dimensions of the microcontroller and the probe part are combined with the alloyed areas. Subsequently, piezoresistors are formed in the subsequent masking etching process from these alloyed areas. Further, the production method continues with metallization processes in which, in contact with the highly conducting areas, on the probe part, the microcontroller and the sensor body, connecting metal paths are obtained with terminals for connection to an electrical metering system.
Тези и други особености на изобретението, и неговите предимства са пояснени подробно в детайли по-нататък в описанието и примерите, които го илюстрират без да го ограничават.These and other features of the invention and its advantages are explained in detail in the following by way of description and by way of examples which illustrate it without limitation.
Описание на приложените фигуриDescription of the attached figures
Фиг.1. показва аксонометричен изглед на класически микроконзолен сензор, познат от състоянието на техниката в областта на сканиращата сондова микроскопия.Figure 1. shows an axonometric view of a classic micro-console sensor known in the art in scanning probe microscopy.
На фиг. 2. е показан аксонометричен вид на микроконзола, подложена на сила сIn FIG. 2. shows an axonometric view of a microcontroller subjected to a force
произволно направление, познат от състоянието на техниката в областта.any direction known in the art.
На фиг. 3. е показан изглед на микроконзолен сензор с едно направление на измерване по оста X с елемент за функционализиране V-образна канавка.In FIG. 3. shows a view of a single-direction micro-console sensor along the X-axis with a functional V-groove element.
На фиг. 4. е показан изглед на микроконзолен сензор с едно направление на измерване по оста X и със сондов елемент, сключващ с оста на микроконзолата ъгъл 120°.In FIG. 4. shows a view of a micro-console sensor with a single axis of measurement along the X-axis and with a probe element having an angle of 120 ° with the micro-console axis.
Фиг. 5. е изглед на микроконзолен сензор с едно направление на измерване по оста Z с елемент за функционализиране отвор с форма на права триъгълна призма.FIG. 5. is a view of a single-axis micro-console sensor along the Z axis with an element for the functional opening of a straight triangular prism.
Фиг. 6 е изглед отгоре на микроконзолен сензор с едно направление на измерване по оста X и с два сондови елемента, сключващи с оста на сондовата част различни ъгли.FIG. 6 is a plan view of a micro-console sensor with one direction of measurement along the X axis and with two probe elements joining different angles with the probe axis.
Фиг. 7а, 76, 7в и 7г показват варианти на сензори от изобретението с две направления на измерване, от които фиг. 7а представлява изглед на сензор с два сондови елемента по осите X и Z; фиг.7б е изглед отгоре на сензор с два сондови елемента по осите X и Y; фиг. 7вFIG. 7a, 76, 7b and 7d show variants of sensors of the invention with two measurement directions, of which FIGS. 7a is a view of a sensor with two probe elements along the X and Z axes; 7b is a plan view of a sensor with two probe elements along the X and Y axes; FIG. 7c
е изглед отгоре на сензор с три сондови елемента по осите X и Y, като измерването по оста Y може да се извършва в права и обратна посока; и фиг.7г представлява изглед отгоре на сензор с три сондови елемента с различна ориентация в равнината XY.is a top view of a sensor with three probe elements along the X and Y axes, the measurement on the Y axis can be done in the opposite and the opposite direction; and Fig. 7d is a plan view of a sensor with three probe elements of different orientation in the XY plane.
Фиг. 8а и 86 показват варианти на сензори от изобретението с три направления на измерване, от които фиг.8а представлява изглед отгоре на сензор с три сондови елемента по осите X, Y и Z; а фиг.8б е изглед отгоре на сензор с четири сондови елемента по осите X, Y и Z, като измерването по оста Y може да се извършва в права и обратна посока;FIG. 8a and 86 show variants of sensors of the invention with three measurement directions, of which Fig. 8a is a plan view of a sensor with three probe elements along the X, Y and Z axes; and Fig. 8b is a top view of a sensor with four probe elements along the X, Y and Z axes, the measurement on the Y axis can be done in the forward and reverse directions;
На фиг. 9а е показан аксонометричен вид на сензор с три направления на измерване с четири сондови елемента в три оси: X, Y, и Z, като измерването по осите Y и Z може да се извършва в права и обратна посока. Фиг. 96 показва честотната характеристика на нормализираната амплитуда на механичните трептения на сензора от фиг. 9а в трите направления.In FIG. 9a shows an axonometric view of a sensor with three measurement directions with four probe elements in three axes: X, Y, and Z, and the measurement on the Y and Z axes can be done in the forward and reverse directions. FIG. 96 shows the frequency response of the normalized amplitude of the mechanical oscillations of the sensor of FIG. 9a in the three directions.
На фиг. 10а е показан аксонометричен вид на сензор с три направления на измерване с един сондов елемент и пиезорезистивна детекция на трептенето. Фиг. 106 представя еквивалентна електрическа схема за свързване на пиезорезисторите в този сензор; фиг. 10в показва честотната характеристика на съпротивлението на последователно свързаните пиезорезистори, а на фиг. Юг са представени примери за сондови елементи на сензора от фиг. 10а.In FIG. 10a shows an axonometric view of a sensor with three measurement directions with a single probe element and piezoresistive vibration detection. FIG. 106 presents an equivalent wiring diagram for connecting the piezoresistors in this sensor; FIG. 10c shows the frequency response of the resistors of the series-connected piezores, and in FIG. South shows examples of probe elements of the sensor of FIG. 10a.
На фиг. 11 е показана структура на микромеханичен сензор за сканираща сондова микроскопия с елемент на функционализиране отвор с форма на права триъгълна призма,In FIG. 11 shows a structure of a micromechanical sensor for scanning probe microscopy with a functional element aperture in the form of a right triangular prism,
след завършване на етапа на повърхностно структуриране.after completion of the surface structuring step.
На фиг. 12а, фиг. 126, фиг. 12в-1 и фиг. 12в-П са показани различни варианти на получаване на елементи за функционализиране - канавки.In FIG. 12a, FIG. 126, FIG. 12b-1 and FIGS. 12c-P show various embodiments of receiving ditches.
Фиг. 13а показва структури на елементи на микромеханичен сензор за сканираща сондова микроскопия след завършване на етапа на повърхностно структуриране, получени съвместено към елементи за функционализиране. Фиг. 136 показва такива структури във варианта на сензор с пиезорезистивна детекция.FIG. 13a shows the structures of elements of a micromechanical sensor for scanning probe microscopy after completing the surface structuring step obtained jointly for functionalizing elements. FIG. 136 shows such structures in the embodiment of a piezoresistive sensor.
На фиг. 14а е показан аксонометричен вид на сондова част със сондов край, към който в увеличени детайли на фиг. 146 и фиг. 14в е показано съвместено разполагане на елементите за функционализиране V-образна и съставна канавки съответно, в сондовия край.In FIG. 14a shows an axonometric view of a probe portion with a probe end, to which in magnified detail in FIG. 146 and FIG. 14c shows a joint arrangement of the functional elements V-shaped and composite grooves respectively at the probe end.
·· · · *- ♦♦ ·φ • · · ·· ···· • · с · ♦ · · · · · · • ····· * ·♦· · · · ··· • · · · ··· · •··· ·· ·· ·· ·· ··· · · · - - · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
Фиг. 15а показва аксонометричен вид на сондова част, а фиг. 156 - напречен разрез на сондовия край при позициониране, включително самопозициониране, на сондовия елемент в елемента на функционализиране V-образна канавка.FIG. 15a shows an axonometric view of the probe portion, and FIG. 156 is a cross-sectional view of the probe end in positioning, including self-positioning, of the probe element in the functional element of the V-groove.
На фиг. 16а е показан изглед отгоре, а на фиг. 166 и фиг. 16в - напречен разрез на сондовия край на сензор със закрепен сондов елемент след позиционирането, включително самопозициониране, към двата вида елементи за функционализиране канавки, съответно.In FIG. 16a is a top view, and in FIG. 166 and FIG. 16c is a cross-sectional view of the probe end of a sensor with a fixed probe element after positioning, including self-positioning, to the two types of grooves, respectively.
Основни характеристики и предимства на изобретениетоMain features and advantages of the invention
А. Сензор с висока точност и разделителна способностA. High precision and resolution sensor
Основна характеристика и предимство на сензорите, получени съгласно настоящото изобретение е това, че те имат разнообразни по форма и ориентация микроконзолни елементи и сондови части, а сондовите им елементи са с точно контролирано положение и дължина на разпростиране от сондовите краища и с голямо съотношение диаметър към дължина, водещо до разделителна способност от порядъка на, и по-добра от 1 nm при микроскопски измервания със сензорите.A major feature and advantage of the sensors obtained according to the present invention is that they have a variety of shape and orientation microcontroller elements and probe parts, and their probe elements have a precisely controlled position and length of extension from the probe ends and with a large diameter to A length leading to a resolution of better than 1 nm for microscopic measurements with sensors.
Втора основна характеристика на сензорите съгласно настоящото изобретение е това, че имат микроконзолни еластични елементи, които могат да се огъват по желание в едно, двеA second main feature of the sensors according to the present invention is that they have micro-console elastic elements that can be bent as desired in one, two
или три направления, което създава възможност с един сензор да се извършва измерване във всяко от тези направления, в зависимост от избраното приложение. Това неочаквано и изключително предимство на сензорите от настоящото изобретение е пояснено чрез принципния модел, показан на фиг. 2 и се демонстрира по-нататък във вариантите на сензорите от изобретението. Както е илюстрирано на фиг. 2, когато микроконзолата 2 се огъва под въздействието на сила с модул F и компоненти Fx и Fz по осите X и Z, тази сила предизвиква отмествания на свободният й край АХ и ΔΖ, съответно по осите X и Z. Между тези величини, аналогично на уравнение (1), са в сила зависимостите:or three directions, which allows one sensor to measure in each of these directions, depending on the application selected. This unexpected and exceptional advantage of the sensors of the present invention is explained by the principle model shown in FIG. 2 and is further demonstrated in the variants of the sensors of the invention. As illustrated in FIG. 2, when the microcontroller 2 bends under the influence of a force of modulus F and components F x and F z on the X and Z axes, this force causes displacements at its free end AX and ΔΖ, respectively on the X and Z axes. similarly to equation (1), the dependences are valid:
Fx = kx.AX, (4)F x = k x .AX, (4)
Fz = kz.AZ, (4>) където kx е коефициентът на еластичност по оста X, a kz е коефициентът на еластичност на микроконзолата по оста Z, които се определят от геометричната форма и свойствата на материала. За хомогенна микроконзола с правоъгълно сечение, аналогично на уравнението (2), за кх и kz са в сила зависимостите:F z = k z .AZ, (4>) where k x is the coefficient of elasticity on the X-axis, ak z is the coefficient of elasticity of the microconsole on the Z-axis, which is determined by the geometric shape and material properties. For a homogeneous rectangular-section microcontroller, similar to equation (2), for k x and k z , the dependences apply:
kx = E.az.ax 3/(4f), (5) • · · * ♦ · · · • » · · · ···· • · · · · · · · · · · • ··«·· · ····· ♦ «·· • ··· · · · · • ··· · · ·· · · ·· · ·k x = Ea z .a x 3 / (4f), (5) • · · * ♦ · · · • »· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
кг= Е. ах. а//(4/),(5’) където ах и az са съответно параметрите височина и дебелина на микроконзолата.k r = E. a x . a // (4 /), (5 ') where a x and a z are the microconsole height and thickness parameters respectively.
При това, аналогично на уравнението (3), микроконзолата има резонансни честоти /ох на огъване по оста X и foz на огъване по оста Z, които се определят съгласно уравненията:Moreover, analogous to equation (3), the microcontroller has resonant bending frequencies / ohms along the X axis and f oz bending along the Z axis, which are determined according to the equations:
fox= 0.162. (Е/р)т. ах. I-2,(6) fn= 0.162. (E/p)I/2.az.f2(6).f ox = 0.162. (E / p) t . and x . I- 2 , (6) f n = 0.162. (E / p) I / 2 .a z .f 2 (6).
При въздействие със сила с еднакви по модул компоненти Ех и Ео съотношението между деформациите АХ и AZ, съответно по осите X и Z се определя от равенствотоIn the case of force with the same modulus components E x and E o, the ratio between the deformations АХ and AZ, respectively on the axes X and Z, is determined by the equality
ΛΧ/ΛΖ = α2/α2(7)ΛΧ / ΛΖ = α 2 / α 2 (7)
За съотношението на резонансните честоти на огъване по осите X и Ζ е в сила зависимоста fox/foz = лх/аг(8)For the ratio of the resonant bending frequencies along the axes X and Ζ, the dependence fox / foz = l x / a g (8) holds.
Следователно, чрез подходящ подбор на параметрите аю аг и I могат да се постигат предварително зададени стойности на еластичните параметри на микроконзолата, като коефициент на еластичност и резонансна честота, в направленията Хи Z.Therefore, by appropriately selecting the parameters a y a g a d and I, predefined values of the elastic parameters of the microcontroller, such as the coefficient of elasticity and resonance frequency, can be achieved in the He Z directions.
За микроконзоли с по-сложна форма е удобно вместо геометричните параметри понякога да се използват съответни характеристични параметри, например характеристични дължини като 1Х и 1У, при което зависимостите (5), (5’), (6), (6’), (7) и (8) остават в сила, като се въвежда само подходящ коефициент на пропорционалност. Когато е необходимо, за всеки конкретен случай може да бъде изведена връзката между стойностите на характеристичните параметри и реалните геометрични параметри. В настоящото описание за по-голяма яснота при обяснението на принципите, върху които почива изобретението, са използвани изброените зависимости.For microconsoles with a more complex shape, it is convenient to sometimes use appropriate characteristic parameters instead of geometric parameters, such as characteristic lengths such as 1 X and 1 Y , where the dependencies (5), (5 '), (6), (6') , (7) and (8) remain in force, introducing only an appropriate proportionality factor. Where necessary, the relation between the values of the characteristic parameters and the actual geometrical parameters can be deduced on a case-by-case basis. In the present description, for the sake of clarity, the following dependencies are used to explain the principles underlying the invention.
Аналогично, когато се желае измерване в направление по оста Y, чрез ориентиране на еластични микромеханични елементи по оста X и подбиране стойностите на параметрите им ширина и дебелина, се реализира огъване на сондовата част с предварително зададени характеристики по осите Y и Z.Similarly, when it is desired to measure in the Y-axis direction, by bending the elastic micromechanical elements along the X-axis and selecting the values of their width and thickness parameters, bending of the probe part with predefined characteristics on the Y and Z axes is realized.
При сензорите от настоящото изобретение, които съдържат както ориентирани по оста X, така и ориентирани по оста Y еластични елементи, разположени върху обща плоска повърхност, чрез подбиране на стойностите на съответните параметри се реализира трептене с огъване на сондовия край с предварително зададени характеристики по осите X, Y и Z.In the sensors of the present invention, which contain both X-axis and Y-axis elastic elements arranged on a common flat surface, by bending the values of the respective parameters, a bending of the probe end with pre-set axis characteristics is achieved. X, Y and Z.
*4 · 4♦ ·* 4 · 4 ·
4* ·· · · ·» • »·· 44 « 44* « · 4*444 * ·· · · · »•» ·· 44 «44 *« · 4 * 44
4 4 » 4 4 ·· *4*4 ·· ·· *4 ·4··4 4 »4 4 ·· * 4 * 4 ·· ·· * 4 · 4 ··
В допълнение, изненадващо бе установено, че плоският еластичен микромеханичен елемент, направен съгласно настоящото изобретение, който има две или три степени на свобода на огъване, и може да извършва измервания съответно в две или три направления на измерване, при периодично въздействие с променлива честота в честотен диапазон съдържащ резонансна честота, преобразува въздействието в огъване с най-голяма амплитуда в онова направление, в което има резонанс. Така с един сензор и един едноосов хармоничен осцилатор могат да се анализират образци по две или три направления на измерване, като всяко направление на резонансна деформация се определя еднозначно от една съответна резонансна честота. Поради това със сензорите, предмет на настоящото изобретение, които имат две и три степени на свобода на огъване, могат да се извършват измервания изключително опростено, улеснено и рационално, тъй като във всяка точка на измерване с промяна единствено на честотата и амплитудата на трептене, без да се налага завъртане на сензора и/или на образеца, или смяна на сензора, се изследват всички направления, в които еластичният микромеханичен елемент е способен да се огъва. В това число, за разлика от съществуващите известни сензори за SPM, които взаимодействат с изследвания образец в равнина, успоредна на равнината на тяхната подложка, сензорите, получени посредством описания в това изобретение метод, могат да взаимодействат както през равнината, успоредна на равнината на подложката, така и през равнините, перпендикулярни наIn addition, it has surprisingly been found that the flat elastic micromechanical element made according to the present invention, which has two or three degrees of bending freedom, and can perform measurements in two or three measurement directions, respectively, with periodic variable-frequency impact a frequency range containing a resonant frequency converts the bending action with the largest amplitude in the direction in which it resonates. Thus, with one sensor and one uniaxial harmonic oscillator, samples can be analyzed in two or three directions of measurement, each direction of resonant deformation being uniquely determined by one corresponding resonant frequency. Therefore, the sensors of the present invention having two and three degrees of bending freedom can be measured extremely simplified, facilitated and rational, since at each measurement point with a change only in the frequency and amplitude of the oscillation, without having to rotate the sensor and / or the sample, or changing the sensor, all directions in which the elastic micromechanical element is able to bend are investigated. Including, unlike existing known SPM sensors that interact with the test sample in a plane parallel to the plane of their substrate, the sensors obtained by the method described in this invention can interact as through a plane parallel to the plane of the substrate , and through planes perpendicular to
повърхноста на подложката им, т.е., те са чувствителни по желание в една, две или три оси.the surface of their substrate, i.e., they are optionally sensitive in one, two or three axes.
Друго предимство на плоските сензори, получени по метода от настоящото изобретение е възможността за разполагане на хетерогенни сондови елементи с подходяща форма и свойства, както в произволно направление в равнината на подложката (пластината), така и перпендикулярно на тази равнина. При това отпада нуждата от ецване на доминираща част от повърхноста за формиране на острие, и следователно се създава неочакваната възможност чрез опростена последователност от процесии стъпки с използването на обичайни за областта материали и оборудване, да се получават сензори с изключително възпроизводими параметри, дължащи се на възпроизводимостта на процесите на позициониране, ориентация и желана оптимална дължина на разпростиране извън сондовия край на сондовите елементи.Another advantage of the flat sensors obtained by the method of the present invention is the ability to position heterogeneous probe elements of suitable shape and properties, both in any direction in the plane of the substrate (plate) and perpendicular to that plane. This eliminates the need for etching of the dominant part of the blade surface, and thus creates the unexpected possibility, through a simplified sequence of process steps, of using commonly used materials and equipment to obtain sensors with extremely reproducible parameters due to the reproducibility of the positioning, orientation and desired optimum propagation length beyond the probe end of the probe elements.
Съществено предимство на сензорите съгласно настоящото изобретение е и възможноста за използване на разнообразни сондови елементи, помествани в едни и същи елементи за функционализиране, като при това видът на сондовите елементи не е определящ, а от значение са само геометричните им параметри.An important advantage of the sensors according to the present invention is the ability to use a variety of probe elements housed in the same functional elements, whereby the type of probe elements is not determinative but only their geometrical parameters are relevant.
Б. Метод на тримерно измерванеB. Three-dimensional measurement method
В съвременните методи на сканираща сондова микроскопия, по време на измерване движението на сензора спрямо образеца следва алгоритъм на обхождане на повърхността на образеца по мрежа от точки, обусловен от използваната сканираща система. Обхождането по мрежата от точки се характеризира със стъпки 6lt еднакви или различни за всяко направление на сканиране. Това обхождане се осъществява обичайно и при метода от настоящото изобретение. По време на тримерното измерване съгласно настоящото изобретение, използваният сензор, еластичният микромеханичен елемент на който притежава характеристиките, описани в изобретението, се привежда в режим на принудено трептене с огъване без усукване. Характерно за този процес е, че амплитудата на трептене на свободния край на микромеханичен елемент със сонда зависи от интензитета на периодичното въздействие въху сензора. От друга страна, при еднакви други условия, амплитудата на принудено трептене на еластичен елемент, трептящ с променлива честота в диапазона околоIn modern methods of scanning probe microscopy, the measurement of sensor motion relative to the sample follows an algorithm of crawling the surface of the sample over a network of points determined by the scanning system used. Point-by-point crawling is characterized by 6 lt steps identical or different for each scanning direction. This crawl is also customary in the method of the present invention. During the three-dimensional measurement according to the present invention, the sensor used, the elastic micromechanical element of which possesses the characteristics described in the invention, is brought to a forced torsion mode without twisting. Characteristic of this process is that the amplitude of oscillation of the free end of a micromechanical element with a probe depends on the intensity of the periodic impact on the sensor. On the other hand, under the same other conditions, the amplitude of the forced oscillation of an elastic element oscillating with a variable frequency in the range of about
резонансната е значително, напр. до повече от сто пъти, по-голяма от амплитудата на същото трептене извън споменатия диапазон. С други думи, за фиксиран интензитет на периодичното въздействие, като се променя единствено честотата на принудените трептения на еластичния микромеханичен елемент, притежаващ еластичност и в трите направления X, Υ и Ζ, само при честоти близки до (или в диапазона на) някоя от резонансните, той ще трепти с увеличена амплитуда в съответното направление. Поради това, при достатъчно близко отстояние на сондовия елемент от изследвания образец ще възникне взаимодействие между тях само в някой от споменатите диапазони на резонансните честоти. В резултат от взаимодействието се променят характеристиките на трептенето, които се регистрират и/или протича електрически тунелен ток. В този случай съществува еднозначна връзка между честотата, при която се регистрира взаимодействието и направлението, в което е станало взаимодействието - това е предварително известното направление, в което за дадената честота еластичният микромеханичен елемент има резонанс.the resonance is significant, e.g. up to more than one hundred times the amplitude of the same oscillation outside the said range. In other words, for a fixed intensity of periodic impact, changing only the frequency of the forced oscillations of the elastic micromechanical element having elasticity in all three directions X, Υ and Ζ, only at frequencies close to (or in the range of) any of the resonant , it will flicker with increased amplitude in the corresponding direction. Therefore, at a sufficiently close distance from the probe element of the test sample, an interaction will occur between them only in one of the mentioned resonance frequency ranges. As a result of the interaction, the characteristics of the oscillations that are recorded and / or electric tunneling current change. In this case, there is an unambiguous relationship between the frequency at which the interaction is recorded and the direction in which the interaction occurred - this is the previously known direction in which the elastic micromechanical element resonates for a given frequency.
В метода на тримерно измерване съгласно настоящото изобретение, се използва принудено трептене, предизвикващо огъване на еластичния елемент с две съществено различни по стойност (магнитуд) амплитуди: 1) “контролна”, голяма по стойност, използвана ♦ » • 9In the method of three-dimensional measurement according to the present invention, forced oscillation is used to cause the elastic element to bend with two substantially different magnitudes (magnitudes) of amplitudes: 1) "control", large in value, used ♦ »• 9
за първоначално установяване наличие на взаимодействие между сондовия елемент и сканираната повърхност, и 2) “работна”, която е от 10 до 200 пъти по-малка от контролната амплитуда, за предпочитане около 100 пъти по-малка, която се използва за сканиране на повърхност с висока разделителна способност. Двете амплитуди на трептене се получават посредством изменение на интензитета на периодичното въздействие.to initially detect the interaction between the probe element and the scanned surface, and 2) a "working" one that is 10 to 200 times smaller than the control amplitude, preferably about 100 times smaller, used for surface scanning high resolution. Both oscillation amplitudes are obtained by varying the intensity of the periodic impact.
Връзката между амплитудата на принуденото трептене и честотата му за зададен интензитет на външното въздействие, се описва чрез непрекъсната функция. Това дава възможност да се определи разликата Mi между амплитудите на принудени трептения с честота, равна на резонансната, и с честоти, извън диапазона на резонансната в /-тото направление на измерване, нормализирана към интензитета на въздействие. Тази величина за всяко направление на измерване е характерна за сензора и се използва за определяне на стъпката А, на сканиращата система в разглежданото направление при първоначалното достигане на повърхноста, като се спазва съотношението:The relation between the amplitude of the forced oscillation and its frequency for a given intensity of external influence is described by a continuous function. This makes it possible to determine the difference Mi between the amplitudes of the forced oscillations with a frequency equal to the resonance one and with frequencies outside the range of the resonance in the ith direction of measurement normalized to the intensity of the impact. This value for each measurement direction is characteristic of the sensor and is used to determine step A, the scanning system in the direction in question, when initially reaching the surface, keeping the ratio:
At = s.Mt (9) където ε е коефициент, характеризиращ връзката между стъпката на преместване Л,· от сканиращата система и разликата Mi между амплитудите във всяко конкретно направление /, при която се избягва инцидентен контакт.At = sM t (9) where ε is the coefficient characterizing the relationship between the displacement step A · from the scanning system and the difference Mi between the amplitudes in each particular direction / in which accidental contact is avoided.
При сканирането на повърхността с висока разделителна способност във всяко отWhen scanning a high resolution surface in each of the
трите възможни направления, интензитетът и честотата на принуденото трептене с честота близка до резонансната, се избират така, че да се извършва трептене с контролирана амплитуда.the three possible directions, the intensity and frequency of the forced oscillation at a frequency close to the resonance one, are chosen so that the oscillation with controlled amplitude is performed.
Когато се извършва измерване със сензор, способен да се огъва и по трите направления по метода на тримерно измерване от това изобретение, се използват последователно два режима на работа: 1) режим на достигане на точка на измерване, при който сензорът се привежда в принудено трептене в честотни диапазони, включващи резонансните честоти за всяко от направленията на сканиране X, Y и/или Z. Първоначално амплитудата на това трептене се променя от работна до контролна, а след достигане на магнитуд, обичаен за използваната измерителна система и при условие, че не е регистрирано взаимодействие с образеца, едновременно с трептенето сензорът започва да се премества спрямо образеца до достигане на точка, в която се регистрира взаимодействие. След това се определя направлението на регистрираното взаимодействие по честотния диапазон, в който е постигнато това взаимодействие и амплитудата на трептене се променя отново от контролна • ♦ • ····· » ····· · · · · • ··· · · · · ···· ·· ·· ·· ·· ·· на работна, а преместването продължава в така определеното направление до достигане на точката на измерване, която е първата достигната точка, в която е регистрирано взаимодействие на сондата с образеца при трептене с работна амплитуда; и 2) режим на измерване, при който в достигнатата точка се измерва нейната околна повърхност, при неподвижно състояние на сензора и/или образеца. За целта, след достигане в точката за измерване, първоначално в направлението на измерване се извършват трептения с работна амплитуда и диапазон на честотата, съдържащ резонансната честота за това направление, като се определя стойността на величината, характеризираща взаимодействието на сондовия елемент с повърхността на образеца. По-нататък сканирането продължава в перпендикулярните направления по начина, описан за първото направление, като едновременно с това се отчитат и обработват данните за полученото в резултат на взаимодействието с образеца изменение на амплитудата, честотата, фазовата разлика, или друга измервана физична величина, за получаване на съответната тримерна характеристика на образеца.When measuring with a sensor capable of bending in all three directions by the three-dimensional measurement method of this invention, two operating modes are used in succession: 1) a mode of reaching a measuring point in which the sensor is forced to oscillate in the frequency ranges including the resonance frequencies for each of the scanning directions X, Y and / or Z. Initially, the amplitude of this oscillation changes from operating to control, and after reaching a magnitude customary for the measuring system used and at Sllovia that is not registered with the interaction model simultaneously flicker sensor starts to move relative to the sample to reach a point in which registers interaction. The direction of the recorded interaction is then determined by the frequency range in which this interaction is achieved, and the oscillation amplitude changes again from the control. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Working, and moving continues in the defined direction until reaching the measuring point, which is the first point reached at which the interaction of the probe with the sample at oscillation with operating amplitude; and 2) a measurement mode in which, at the point reached, its surrounding surface is measured, with the sensor and / or sample stationary. For this purpose, after reaching the measuring point, oscillations of working amplitude and frequency range containing the resonant frequency for that direction are initially made in the measurement direction, determining the value of the quantity characterizing the interaction of the probe element with the sample surface. Further, the scan is continued in the perpendicular directions in the manner described for the first direction, while at the same time accounting for and processing the data of the resulting change in amplitude, frequency, phase difference, or other measured physical quantity for interaction with the sample. of the corresponding three-dimensional characteristic of the specimen.
Съществено и неочаквано предимство на така описания метод за измерване е това, че във всяка точка на измерване могат да се прилагат трептения с различна амплитуда - от работна до контролна, и без да се осъществява завъртане или смяна на сензора, чрез промяна на интензитета на периодичното въздействие и/или на диапазона на честотите в една точка могат да се изследват всички направления във фигурата на трептене при осцилиране на микромеханичната еластична част със сондовия елемент/елементи. При това се получава необходимата информация както за изследвания обект, така и за изпълнението на алгоритъма за сканиране на образеца. По този начин, съгласно метода за тримерно измерване от настоящото изобретение, даден образец за всяка точка може да бъде цялостно изследван в един единствен, опростен и удобен процес на измерване, с един единствен сензор. Същевременно се използват гъвкави измервателни алгоритми, които не са ограничени от формата на образците и се работи без да е необходима предварителна информация за тях, както в прилаганите до момента методи, изискващи да са приблизително известни например отстоянието, стръмността на профила, вдлъбната форма или др.A significant and unexpected advantage of the measurement method described so much is that oscillations of different amplitudes can be applied at each measurement point - from operating to control and without rotating or changing the sensor by varying the intensity of the periodic influence and / or frequency range at one point all directions in the oscillation figure can be investigated when oscillating the micromechanical elastic part with the probe element (s). This provides the necessary information for both the object under study and the execution of the sample scan algorithm. Thus, according to the three-dimensional measurement method of the present invention, a sample for each point can be comprehensively examined in a single, simple and convenient measurement process with a single sensor. At the same time, flexible measurement algorithms are used, which are not limited by the shape of the specimens and are operated without the need for prior information about them, as in the methods used so far, requiring approximately known for example distance, profile inclination, concave shape, etc. .
По този начин чрез метода за тримерно измерване със сензора от настоящото изобретение, използващ във всяка точка на мрежата на сканиране комбинацията от трептене с различни амплитуди в различните направления в режим на огъване, се сканират и охарактеризират образци с повърхност в което и да е направление на измерване j със стръмност на профила, ограничен единствено от съотношението на споменатата разлика в амплитудите Mi и стъпката на сканиране в напречно направление ф±/.In this way, by means of the three-dimensional method with the sensor of the present invention, using at each point of the scanning network the combination of oscillations with different amplitudes in different directions in the bending mode, scans and characterizes samples with a surface in any direction of measurement j with profile steepness limited only by the ratio of the mentioned difference in amplitudes Mi and the step of scanning in the transverse direction φ ± /.
По такъв начин, чрез използването на плоски еластични микроконзолни структури, в които могат да се създадат елементи с точно зададени динамични еластични характеристики и чувствителност в три направления, става възможно реализирането на този опростен и удобен метод на тримерно измерване на повърхност на образци.Thus, by using flat elastic micro-console structures, in which elements with precisely defined dynamic elastic characteristics and sensitivity in three directions can be created, it is possible to realize this simple and convenient method of three-dimensional measurement of the surface of samples.
В. Метод за получаване на сензори за сканираща сондова микроскопияC. Method for obtaining sensors for scanning probe microscopy
Основното технологично и системно предимство на метода за получаване на сензорите съгласно изобретението се състои в това, че тъй като тялото, микроконзолата и сондовата част се получават в равнината на пластината, то методът позволява да се използва обичайното фотолитографско структуриране, като при това с него могат да се получават разнообразни, включително множество различни сондови елементи върху един микроконзолен сензор, съобразно предвижданото приложение на сензора и на цялата измерителна система. Също така, основни параметри на получаваните по метода микромеханични елементи, а именно ах, 1Х, ау и 1У, се определят от един фотолитографски процес и не зависят от разсъвместяването между различни фотолитографски нива. Доколкото използваните в практиката методи за изпълнение на фотолитография позволяват тези параметри да се получават с достатъчна равномерност върху една пластина и да се възпроизвеждат от пластина-до-пластина с висока точност, то това създава възможност за производство на сензори, работещи с висока точност, използвани за сканираща микроскопия с висока разделителна способност и с възпроизводими зададени характеристики.The main technological and systemic advantage of the method for producing the sensors according to the invention is that since the body, the microcontroller and the probe part are obtained in the plane of the plate, the method allows to use the usual photolithographic structuring, and in doing so can to produce various, including multiple, different probe elements on a single micro-console sensor according to the intended application of the sensor and the entire measuring system. Also, the basic parameters of the micromechanical elements obtained by the method, namely a x , 1 X , and y and 1 Y , are determined by a single photolithographic process and do not depend on the displacement between different photolithographic levels. Insofar as photolithography techniques used in practice allow these parameters to be obtained with sufficient uniformity on a single plate and reproduced from plate-to-plate with high accuracy, this creates the possibility of producing high-precision sensors used. for high-resolution scanning microscopy with reproducible setpoints.
Друго съществено предимство на описания метод за получаване на микроконзолни или други деформируеми елементи на микромеханични сензори е, че той дава възможност да бъдат получавани едновременно елементи с различни съотношения между геометричните им характеристики ах, 1х, ау, 1У и аг, а оттук, да се реализират сензори, притежаващи направление на измерване по всяка от осите X, Υ и Ζ, със съответен различен честотен диапазон.Another significant advantage of the method described for the production of micro-cantilever or other deformable elements of micromechanical sensors is that it allows to obtain simultaneously elements with different ratios between their geometric characteristics a x , 1 x , a y , 1 Y and a g , and hence to realize sensors having a direction of measurement along each of the X, Υ and Ζ axes, with a corresponding different frequency range.
Друго предимство на метода съгласно това изобретение е, че тъй като в процеса на получаване на сензорите няма изпъкнали структури, монтирането на сондовите елементи се извършва еднотипно върху горната повърхност на сензора посредством некритично позициониране или самопозициониране, и последващо фиксиране. Същевременно, методът позволява използването на сондови елементи с пределно високи стойности на • · • · · ·· · I f · • · · · · · * · ·· · • »·« · · Ж ··* ♦ · ···· • · · · ···· ·«·· 4· «· · 4 ···· съотношението надлъжен/напречен размер, като дължината им на разпростиране извън сондовия край 1Р варира в широки граници, без за това да е необходимо различно третиране на сензорната структура.Another advantage of the method according to this invention is that since there are no convex structures in the sensor acquisition process, the mounting of the probe elements is performed uniformly on the upper surface of the sensor by uncritical positioning or self-positioning, and subsequent fixation. At the same time, the method allows the use of probe elements with extremely high values of • · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · The ratio of longitudinal / transverse size, their length extending beyond the probe end 1 P, varies widely, without the need for it. different treatment of the sensory structure.
Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of carrying out the invention
А. Сензор за сканираща сондова микроскопияA. Scanning probe microscopy sensor
Пример 1 - сензор с едно направление на измерванеExample 1 - One-way sensor
На фиг. 3 е показан пример за един предпочитан вариант на изпълнение на сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно настоящото изобретение с едно направление на измерване, който се състои от тяло 1, разпростираща се от него микроконзола 2 и сондова част 3. Сондовата част 3, разпростираща се от микроконзолата на разстояние lt извън тялото 1, със сондов елемент 4 позволява взаимодействие през повърхнина, перпендикулярна на равнината на пластината.In FIG. 3 shows an example of a preferred embodiment of a scanning probe microscope according to the present invention with one measurement direction, which consists of a body 1 extending from it a micro-console 2 and a probe part 3. The probe part 3 extending from the microcontroller at a distance of l t outside the body 1, with a probe element 4, permits interaction through a surface perpendicular to the plane of the plate.
Микроконзолата 2 съгласно изобретението има микроконзолна свързваща част 5, която я обединява с тялото 1 и е с височина ах, която може да бъде по-малка, както е в настоящия пример, или равна на височината на микроконзолата 2. Свободният край на микроконзолата 2 е обединен със сондовата част 3, разпростираща се от нея, като осите на тези два елемента се пресичат в точка С, определяща характеристичната дължина на микроконзолата /х> която представлява отстоянието на пресечната точка С от тялото 1. Когато споменатите два елемента са съосни, положението на точка С се дефинира от положението на сондовия елемент 4.The micro-bracket 2 according to the invention has a micro-bracket connecting part 5 which unites it with the body 1 and has a height a x that may be smaller than in the present example or equal to the height of the micro-bracket 2. The free end of the micro-bracket 2 is connected to the probe portion 3 extending therefrom, the axes of these two elements intersect at point C defining the characteristic length of the microcontroller / x> which represents the distance of the intersection point C from the body 1. When said two elements are coaxial, laid the point C is defined by the position of the probe element 4.
Сондовата част има свободен сондов край 6, в който е разположен елемент за функционализиране във формата на V-образна канавка 7, пресичаща околната стена 8.The probe portion has a free probe end 6 in which a functional element is arranged in the form of a V-shaped groove 7 intersecting the surrounding wall 8.
Тялото 1, микроконзолата 2 и сондовата част 3 със свободния сондов край 6 са формирани едновременно от обща монокристална полупроводникова подложка от силиций, и се намират в една равнина, представляваща тяхна обща плоска странична повърхност, не притежаваща изпъкнали части. За тази плоска микроконзола 2 е характерно това, че когато нейните геометрични характеристики се подчиняват на съотношението:The body 1, the microcontroller 2 and the probe part 3 with the free probe end 6 are formed simultaneously from a common single crystal semiconductor substrate of silicon, and are located in a plane representing their common flat lateral surface, free of convex parts. This flat microconsole 2 is characterized by the fact that when its geometric characteristics obey the ratio:
аг>2.ах (10) където ах е височината на микроконзолната свързваща част 5, a az е дебелината на микроконзолата 2, то тази микроконзола, съгласно зависимостите (7) и (8), има по-голяма деформация АХ и съответно, по-ниска резонансна честота на трептене по оста X, в сравнениеa d > 2.a x (10) where a x is the height of the micro-console connecting part 5, and aa z is the thickness of the micro-console 2, then this micro-console, according to dependences (7) and (8), has a larger deformation AX and respectively, a lower resonant frequency of oscillation along the X axis, compared
с тези по оста Z. Това дава възможност посредством подбор на подходящи стойности на параметрите аг, ах и 1Х, един еластичен микромеханичен елемент в даден честотен диапазон на измерване, да има само една резонансна честота и съответно едно направление на измерване по остаХ, в което направление на измерване е предвиден сондов елемент 4.with those of the Z axis. This makes it possible, by selecting the appropriate values of the parameters a g , a x and 1 X , an elastic micromechanical element in a given frequency range of measurement, to have only one resonant frequency and, accordingly, one direction of measurement along the axis X , in which the probe element 4 is provided in the measuring direction.
Съгласно настоящото изобретение, сондовите елементи 4, които се използват в сензорите, са самостоятелни, готови продълговати елементи с екстремно малък радиус или размер на напречното сечение и съотношение диаметър към дължина от около 1 : 500 до 1 : 5000. Сондовите елементи са хетерогенни - те са изградени от материал, различен от материала на подложката, който може да бъде въглерод, например едностенна (SWCNT) или многостенна (MWCNT) цилиндрична въглеродна нанотръба (CNT), но могат да бъдат използвани и други продълговати хетерогенни елементи от въглерод, бор или бор-нитриденAccording to the present invention, the probe elements 4 used in the sensors are stand-alone, finished elongated elements with an extremely small radius or cross-sectional size and a diameter-to-length ratio of about 1: 500 to 1: 5000. The probe elements are heterogeneous - they are made of a material other than the substrate material, which may be carbon, for example, single-walled (SWCNT) or multi-walled (MWCNT) cylindrical carbon nanotubes (CNTs), but other elongated heterogeneous carbon elements may be used e, boron or boron nitride
материал, например наножица или нанонишка, нанокристал от цинков оксид и други. Подходящи са всякакви продълговати хетерогенни елементи или снопове от тях, включително могат да се използват елементи със сложна конфигурация, например нанотръба завършваща със сфера, пирамида, многопирамидална форма или други подобни, които могат да са съставени или получени в един процес хетерогенни елементи, а може също хетерогенните сондови елементи да бъдат предварително подходящо обработени, така че да имат определени физични, химични и/или биологични свойства. В настоящия пример сондовият елемент е електропроводяща едностенна въглеродна нанотръба, със съотношение диаметър към дължина от около 1:500. В други предпочитани варианти на изобретението се предпочита използването на снопове от SWCNT.material, such as nanoparticles or nanowires, zinc oxide nanocrystals and the like. Any elongated heterogeneous elements or bundles thereof, including complex configuration elements, for example a nanotube ending in a sphere, a pyramid, a multi-pyramidal shape or the like, which may be composed or produced in a single process by heterogeneous elements, may be suitable also that the heterogeneous probe elements are pre-treated to have certain physical, chemical and / or biological properties. In the present example, the probe element is a conductive single-walled carbon nanotube having a diameter-to-length ratio of about 1: 500. In other preferred embodiments of the invention, the use of SWCNT bundles is preferred.
Самостоятелният продълговат хетерогенен сондов елемент 4, поместен в елемента за функционализиране V-образна канавка 7, пресича едностранно околната стена 8 на издадената част на свободния сондов край 6. V-образната канавка е получена в резултат на ориентирането й в процеса на получаването в направление {110} на монокристалната подложка. Ориентацията на сондовия елемент 4 съвпада с ориентацията на елемента за функционализиране V-образна канавка 7 и точността на позициониране на споменатия сондов елемент се определя от точността на получаване на елемента за функционализиране.The self-elongated heterogeneous probe element 4, placed in the functional element V-shaped groove 7, intersects unilaterally the surrounding wall 8 of the protruding portion of the free probe end 6. The V-shaped groove is obtained as a result of its orientation in the process of production in the direction { 110} on the single crystal support. The orientation of the probe element 4 coincides with the orientation of the functional element V-groove 7, and the positioning accuracy of said probe element is determined by the accuracy of receipt of the functional element.
Този вариант на изпълнение на сензора е особено подходящ за измерване на образци, за които е съществено сондовият елемент да е ортогонален на изследваната повърхност на образеца.This embodiment of the sensor is particularly suitable for measuring specimens for which the probe element is substantially orthogonal to the test surface of the specimen.
·«· «
Друг вариант на сензор с едно направление на измерване, е показан на фиг. 4. Той се състои от микроконзола 2 с характеристична дължина 1Х и размер ах на микроконзолната свързваща част 5, и сондова част 3 със свободен сондов край 6. При този вариант сондовата част 3 и елементът за функционализиране - съставна канавка 9 с дълбочина dt, са ориентирани така, че оста на сондовата част 3 сключва с оста на микроконзолата 2 ъгъл β, който може да бъде с произволна стойност в границите от 30° до 180°, а в дадения пример за предпочитане ъгълът β е равен на 120°. Този вариант на изпълнение на сензора е особено подходящ за измерване на образци, за които е съществено да има пряко визуално наблюдение на областта на взаимодействие на сондовия елемент с образеца.Another embodiment of a one-way sensor is shown in FIG. 4. It consists of a microconsole 2 with a characteristic length of 1 X and a x a size of the microconsole connecting part 5, and a probe part 3 with a free probe end 6. In this embodiment, the probe part 3 and the functional element - composite groove 9 with a depth d t , are oriented such that the axis of the probe portion 3 concludes with the axis of the microcontroller 2 an angle β, which can be of arbitrary value in the range of 30 ° to 180 °, and in the present example, the angle β is preferably equal to 120 ° . This embodiment of the sensor is particularly suitable for measuring specimens for which it is essential to have direct visual observation of the area of interaction of the probe element with the specimen.
На фиг. 5 е показан друг вариант на изпълнение на сензора съгласно изобретението, със сондов елемент 4, разположен перпендикулярно на равнината на общата плоска повърхност на сензора в елемент за функционализиране отвор 10. Аналогично, сензорът се състои от тяло 1, разпростираща се от него микроконзола 2 обединена с тялото 1 посредством микроконзолната свързваща част 5, и разпростираща се от микроконзолата 2 сондова част 3, които се намират в една равнина, представляваща тяхна обща плоска странична повърхност, не притежаваща изпъкнали части. За плоската микроконзола 2 е характерно това, че когато нейните геометрични характеристики се подчиняват на съотношението:In FIG. 5 shows another embodiment of the sensor according to the invention, with a probe element 4 arranged perpendicular to the plane of the common flat surface of the sensor in an aperture functionalizing element 10. Similarly, the sensor consists of a body 1 extending from it a microcontroller 2 united with the body 1 by means of the micro-console connecting portion 5, and extending from the micro-console 2 the probe part 3, which are located in a plane representing their common flat lateral surface having no protruding parts. Flat microconsole 2 is characterized by the fact that when its geometric characteristics obey the ratio:
ах>2.аг (11) където ах е ширината на микроконзолната свързваща част 5, a αζ е дебелината на микроконзолата 2, то тази микроконзола, съгласно зависимостите (7) и (8), има по-голямо отместване на свободния край Λ Ζ и, съответно, по-ниска резонансна честота на трептене по оста Ζ, в сравнение с тези по оста X. Това дава възможност посредством подбор на подходящи стойности на параметрите аг, ах и 1Х, еластичният микромеханичен елемент в даден честотен диапазон на измерване да има само една резонансна честота и съответно едно направление на измерване по оста Ζ, в което направление на измерване е ориентиран сондовият елемент.a x > 2.a g (11) where a x is the width of the micro-console connecting part 5 and α ζ is the thickness of the micro-console 2, then this micro-console, according to the dependences (7) and (8), has a greater displacement the free end Λ Ζ and, accordingly, a lower resonant frequency of oscillation on the axis Ζ, than those on the X axis. This is made possible by the selection of appropriate values of the parameters a g , a x and 1 X , the elastic micromechanical element in a frequency range of measurement shall have only one resonant frequency and one direction of measurement respectively the axis Ζ in which the probe element is oriented in the direction of measurement.
Ориентацията на сондовия елемент 4, както е показано на увеличения аксонометричен детайл на фиг. 5 се определя от разположението на елемента за функционализиране отвор 10 с формата на триъгълна призма, който има наклон на околните стени, зададени от процеса на ецване. Както е известно на специалистите в областта, съществуват методи на ецване, като ·· · · · * · · • ·· · · · · · · • · · · · · · · ·» · • 99· · · · ··· · · ···· • · · · · · ·· ···· ·· ·· ·· · · ··The orientation of the probe element 4, as shown in the enlarged axonometric part of FIG. 5 is determined by the arrangement of the element for functionalizing an aperture 10 in the form of a triangular prism having an inclination of the surrounding walls defined by the etching process. As is known to those skilled in the art, etching methods exist, such as 99 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·
например τ. нар. Бош-процес, при които се постига възпроизводим вертикален наклон с точност по-добра от ± 2°.for example, τ. so-called Bosch process that produces a reproducible vertical slope with an accuracy of better than ± 2 °.
На фиг. 6 е илюстриран вариант на сензора, който въпреки, че е с два елемента за функционализиране съставни канавки 9 и 9’ и с два сондови елемента 4 и 4’, има съществено различно приложение, основаващо се на това, че сондовите елементи имат обща мислена пресечна точка А’ на осите си, намираща се извън границите на сондовата част 3 в направлението на измерване на сензора. Когато тази пресечна точка А’ е точката на взаимодействие с изследвания образец, такъв сензор е подходящ за едновременно измерване на две характеристики на образеца, или за измерване на ефекта от присъствието на едната сонда върху сигнала от другата, както и за измерване на ефекта от присъствието на образеца върху взаимодействието между сондите. За целта, двата сондови елемента 4 и 4’, разположени под ъгли 0 и 0’ спрямо оста на сондовата част, равни съответно на 5Г и 37’, са различни по вид и свойства, когато сензорът е предназначен за измерване на две различни характеристики на образеца, но могат да бъдат и еднакви в случаите, когато методът за изследване на образеца се основава на неговото влияние върху взаимодействието между двете сонди. Както и в предишното изпълнение, дължините на разпростиране на сондовите елементи 4 и 4’ са предварително определени. В този пример не е необходимо разграничаване на взаимодействието на двата сондови елемента, тъй като измерването е само по едно направление.In FIG. 6 is an illustrated variant of the sensor, which, although having two elements for functionalizing component ditches 9 and 9 'and having two probe elements 4 and 4', has a substantially different application based on the fact that the probe elements have a common intersection point A 'on its axes beyond the probe part 3 in the direction of measurement of the sensor. When this intersection A 'is the point of interaction with the test specimen, such a sensor is suitable for simultaneously measuring two characteristics of the specimen, or for measuring the effect of the presence of one probe on the signal of the other, and of measuring the effect of the presence of the sample on the interaction between the probes. For this purpose, the two probe elements 4 and 4 ', at angles 0 and 0' relative to the axis of the probe portion, respectively 5G and 37 ', are different in appearance and properties when the sensor is intended to measure two different characteristics of the but may also be identical in cases where the method of examining the sample is based on its influence on the interaction between the two probes. As in the previous embodiment, the lengths of the probe members 4 and 4 'are predetermined. In this example, it is not necessary to differentiate the interaction of the two probe elements, since the measurement is only in one direction.
©Пример 2 - сензор с две направления на измерване© Example 2 - sensor with two measurement directions
На фиг. 7а е илюстриран вариант на сензор от настоящото изобретение, който има микроконзола с характеристична дължина 1Х в направление Υ и височина ах на микроконзолната свързваща част 5, а сондовата част 3 със свободен сондов край 6 е с два елемента за функционализиране: елемент за функционализиране V-образна канавка 7 и елемент за функционализиране отвор 10.In FIG. 7a is an illustrated variant of a sensor of the present invention having a micro-console having a characteristic length 1 X in the direction Υ and height a x of the micro-console connecting portion 5, and the probe part 3 with a free probe end 6 having two functional elements: a functionalizing element V-shaped groove 7 and functional element aperture 10.
За този вариант на сензор е характерно това, че при него едновременно не са изпълнени съотношенията (10) и (11), а двата параметъра ах и аг са приблизително равни, но различни, т.е.:This sensor variant is characterized by the fact that the relations (10) and (11) are not simultaneously fulfilled, and the two parameters a x and a d are approximately equal but different, ie:
ах»аг,ноах/аг (12), където ах и αζ са съответно височината и дебелината на микроконзолата, както са обозначени на фиг. 7а и увеличения детайл към нея.a x »a g , noa x / a g (12), where a x and α ζ are respectively the height and thickness of the micro-bracket, as indicated in FIG. 7a and the enlarged detail thereto.
«4«4
444 *· 4 » ·· • 4 4 4 44 4 * 444 • *«« · · * ··· · · *4*4 ·*4 44*4444 * · 4 »·· • 4 4 4 44 4 * 444 • *« «· · * ··· · · * 4 * 4 · * 4 44 * 4
4444 44 44 ·· ··444444 44 44 ·· ·· 44
В този вариант, при зададена дебелина ао чрез подходящо подбиране на характеристичната дължина 1Х и височина ах, се постигат желаните еластични характеристики на сензора, чиято микроконзола 2 има приблизително равни огъвания в направленията X и Ζ. В това число, параметрите се избират така, че да е в сила съотношението:In this embodiment, at a given thickness a o by a suitable selection of the characteristic length 1 X and height a x , the desired elastic characteristics of the sensor whose microcontroller 2 has approximately equal bends in the X and направ directions are achieved. Including, the parameters are chosen so that the ratio:
β.ίΛτаз), в което у е коефициент в диапазона от 0.1 до 10, за предпочитане от 0.2 до 1.0,β.ίΛτaz), in which y is a coefficient in the range of 0.1 to 10, preferably 0.2 to 1.0,
характеризиращ метода за разпознаване на направлението на измерване от честотната характеристика на избран параметър (напр. амплитудата на принуденото трептене) при огъването на микромеханичния елемент, който за всеки конкретен случай на измерване е предварително известен, fox е резонансна честота на микроконзолата 2 при огъване на свободния й край по направление X, foz е резонансна честота на микроконзолата 2 при огъване на свободния й край по направление Z, a Q е средната стойност на качествения фактор на микроконзолата за направленията на измерване X и Z. Така микроконзолата 2 със свободния сондов край 3, за които са изпълнени едновременно двете съотношения (12) и (13), имат резонансни честоти fox и foz на огъване по осите X и Z, които са близки по стойност, но еднозначно различими. Съответно, сензор с такава конструкция на микроконзолата 2 и на свободния сондов край 3 с два сондови елемента 4 и 4’, както е показано на фиг.7а, има две направления на измерване по споменатите оси и с него във всяка една точка на мрежата на сканиране могат да се извършват измервания в тези две направления.characterizing the method for recognizing the measurement direction from the frequency response of a selected parameter (e.g., the amplitude of the forced oscillation) in bending of a micromechanical element, which is known in each particular measurement case, f ox is the resonant frequency of the microconsole 2 when bending. its free end in the direction X, f oz is the resonant frequency of the microconsole 2 when bending its free end in the Z direction, and Q is the average of the quality factor of the microconsole for the directions of measuring X and Z. Thus, the microconsole 2 with the free probe end 3, for which both relations (12) and (13) are fulfilled simultaneously, have bending resonance frequencies f ox and f oz along the X and Z axes, which are close in value , but clearly discernible. Accordingly, a sensor with such a construction of the microcontroller 2 and the free probe end 3 with two probe elements 4 and 4 ', as shown in FIG. 7a, has two measurement directions along said axes and with it at each point on the grid of scans can be made in these two directions.
Допълнително, всяко огъване на микроконзолата 2 и отместване на свободния й край 3 в равнината XZ може да се представи като еквивалентна сума от компоненти по двете взаимно перпендикулярни направления на измерване - X и Z. Всяко трептене с честота / на такава микроконзола може да се разгледа като сума от две независими трептения със същата честота по двете направления, като съотношението между амплитудите на двете компоненти е постоянно за всяка честота f, намираща се извън диапазона на резонансните fox и foz. Съответно, при две направления на измерване в зададения честотен диапазон на измерване, нормализираната амплитуда на трептене в направлението, за което има резонанс е по-голяма от нормализираната амплитуда в направленията, в които няма резонанс. По този начин, когато е в направление на измерване, сондовият елемент взаимодейства с изследвания обектAdditionally, each bending of the microcontroller 2 and displacement of its free end 3 in the plane XZ can be represented as an equivalent sum of components along the two mutually perpendicular measurement directions - X and Z. Any oscillation with frequency / of such microcontroller can be considered as the sum of two independent oscillations with the same frequency in both directions, the ratio of the amplitudes of the two components being constant for each frequency f outside the resonance range f ox and f oz . Accordingly, for two measurement directions in the specified frequency range, the normalized oscillation amplitude in the resonance direction is greater than the normalized amplitude in the non-resonance directions. Thus, when in the direction of measurement, the probe element interacts with the test object
по различен начин в сравнение с взаимодействието в друго направление, осъществявано от друг сондов елемент, разположен върху същата микроконзола. В резултат на това се променя характера на трептенето и/или се регистрира електрически тунелен ток.in a different way compared to the interaction in another direction by another probe element located on the same microcontroller. As a result, the nature of the oscillation changes and / or an electric tunnel current is recorded.
Когато оста на сондовата част 3 сключва с оста на микроконзолата 2 ъгъл β равен на 90° и двете оси са ориентирани в направление {НО}, единият елемент за функционализиране, в който се разполага сондовия елемент ориентиран по оста X, е елемент за функционализиране V-образна канавка 7 с дълбочина dt, а другият елемент за функционализиране отвор 10 е права триъгълна призма, както е показано на фиг.7а. Когато споменатата ориентация е различна, елементът за функционалзиране за измерване по оста X ще бъде съставна канавка.When the axis of the probe part 3 concludes with the axis of the microcontroller 2 an angle β equal to 90 ° and the two axes are oriented in the direction {NO}, the only functional element in which the probe element oriented along the axis X is located is the functionalizing element V a ditch 7 with depth d t and the other element for functionalizing aperture 10 is a right triangular prism, as shown in Fig. 7a. When said orientation is different, the functional element for measuring along the X axis will be a composite groove.
Друг предпочитан вариант на изпълнение на изобретението е показан на фиг. 76. В този случай сензорът има микроконзола 2, сондова част 3 с перпендикулярни оси (ъгъл β - 90°) и два елемента за функционализиране V-образни канавки 7 и 7\ Тези елементи са разположени в свободния сондов край 6 на сондовата част 3, който в този вариант е оформен с допълнителен разширен участък, разположен в същата равнина. Елементите за функционализиране V-образни канавки 7 и 7’ са ориентирани така, че осите на двата сондови елемента 4 и 4’, имащи мислена пресечна точка А, попадаща в централната част на сондовата част 3, са разположени под ъгъл 0 и 0’ спрямо оста на сондовата част 3, и могат да бъдат от 0° до 180°, съответно.Another preferred embodiment of the invention is shown in FIG. 76. In this case, the sensor has a microcontroller 2, a probe part 3 with perpendicular axes (angle β - 90 °) and two functional elements V-shaped grooves 7 and 7 \ These elements are located at the free probe end 6 of the probe part 3, which in this embodiment is formed by an additional expanded portion located in the same plane. The functional elements of the V-shaped grooves 7 and 7 'are oriented such that the axes of the two probe elements 4 and 4' having a thought intersection A falling in the central part of the probe part 3 are angled 0 and 0 'relative to the axis of the probe portion 3, and may be from 0 ° to 180 °, respectively.
Разгледана сама по себе си, сондовата част 3, със свързваща сондова част 11 с правоъгълно стеснение с ширина ау, свободен сондов край 6 с допълнителен разширен участък и характеристична дължина 1У, дефинирана като отстоянието на точка А от началото на микроконзолата 2, за която е изпълнено съотношението аргЛ.ау (10’) има по-голямо нормализирано огъване по оста Υ и съответно, по-ниска резонансна честота на трептене по тази ос, в сравнение с тези по оста Ζ, което дава възможност измерванията по двете оси да бъдат амплитудно и честотно разграничавани. За зададена дебелина а2, еластичните характеристики на този вариант на сензор съгласно изобретението, включително резонансната честота на огъване foy на неговата сондовата част 3 по оста Y, се определят от ширината ау и характеристичната дължината /у.Examined by itself, the probe portion 3, with a rectangular narrowing probe portion 11, of a width a y , a free probe end 6 with an additional extended section and a characteristic length 1 Y , defined as the distance of point A from the beginning of the microcantle 2, for which is fulfilled by the ratio Arg.au (10 ') has a higher normalized bending along the axis Υ and, accordingly, a lower resonant oscillation frequency on this axis, compared to those on the axis Ζ, which allows measurements on both axes to be be amplitude and frequency differentiated and. For a given thickness a 2 , the elastic characteristics of this variant of the sensor according to the invention, including the resonant bending frequency f oy of its probe portion 3 along the Y axis, are determined by the width a y and the characteristic length / y .
Така микроконзолата 2 със сондова част 3 на сензора, показан на фиг. 76, при които едновременно са спазени съотношенията (10) и (10) при подходящо подбрани параметри ау, 1Х и 1У имат по осите Хи Yблизки, но различни резонансни честоти. Допълнително, всяка деформация в равнината XY може да се представи като еквивалентна сума от компоненти по двете взаимно перпендикулярни направления на измерване, съответно по X и Y. Затова, за даден честотен диапазон на измерване, при подходящо подбрани стойности на параметрите «х, ау, 1Х и 1у се получава еластичен микромеханичен елемент с различни, включително близки стойности на резонансните честоти fox и f„y на механичните трептения по направленията X и Y. Всяко трептене с честота f на такава микроконзола може да се разгледа като сума от две независими трептения със същата честота по двете направления, като съотношението между амплитудите на двете компоненти е постоянно за всяка честота f, намираща се извън диапазона на резонансните fox и foy. Съответно, при две направления на измерване в зададения честотен диапазон на измерване, нормализираната амплитуда на трептене в направлението, за което има резонанс е по-голяма от нормализираната амплитуда в направленията, в които няма резонанс. По този начин, в това направление, явяващо се направлението на измерване, сондовият елемент взаимодейства с изследвания обект по различен начин в сравнение с взаимодействието в друго направление, осъществявано от другThus, the microconsole 2 with the probe portion 3 of the sensor shown in FIG. 76, in which the relations (10) and (10) are simultaneously observed at the suitably selected parameters a y , 1 X and 1 Y have, on the X axis, close but different resonance frequencies. In addition, any deformation in the plane XY can be represented as an equivalent sum of the components of the two mutually perpendicular measurement directions, respectively, of X and Y. Therefore, for a given frequency range of measurement, with suitably selected values of the parameters x and y , 1 X and 1y, an elastic micromechanical element is obtained with various, including close values of the resonant frequencies f ox and f 'y of the mechanical oscillations in the X and Y. directions. is independent oscillations with the same frequency in both directions, the ratio of the amplitudes of the two components being constant for each frequency f outside the resonance range f ox and f oy . Accordingly, for two measurement directions in the specified frequency range, the normalized oscillation amplitude in the resonance direction is greater than the normalized amplitude in the non-resonance directions. Thus, in this direction, which is the direction of measurement, the probe element interacts with the object being studied in a different way compared with the interaction in another direction performed by another
сондов елемент, разположен върху същата микроконзола.a probe element located on the same microconsole.
Когато осите на елементите за функционализиране са ориентирани в направление {110} на силициевата монокристална подложка, формата на напречното сечение на тези два елемента за функционализиране са V-образни канавки 7 и 7’. Тъй като сондовите елементи 4 и 4’ са хетерогенни и няма ограничение за вида им, те могат да са еднакви или различни по вид и размер. В конкретния пример, както е показано на фиг. 76, дължините на сондовите елементи 4 и 4\ представляващи едностенни електропроводящи въглеродни нанотръби са такива, че те се разпростират извън сондовата част на предварително зададени разстояния 1рх и 1ру от мислената пресечна точка А на осите им, ориентирани така, че точка А да попадне в централната част на сондовата част 3.When the axes of the functionalizing elements are oriented in the direction {110} of the silicon single crystal substrate, the cross-sectional shape of these two functionalizing elements are V-shaped grooves 7 and 7 '. Since the probe elements 4 and 4 'are heterogeneous and there is no limit to their type, they may be the same or different in appearance and size. In the specific example, as shown in FIG. 76, lengths of the probe elements 4 and 4 \ representing single-conductive carbon nanotubes are such that they extend beyond the probe portion of the predetermined distance 1 pixels and 1ru from an imaginary intersection point A on their axes, oriented such that point A to fall in the central part of the probe part 3.
По този начин е възможно използването на описаният сензор за сканиране и охарактеризиране на образци с променлива повърхност във всяко от направленията Хи Y със стръмност на профила, ограничена от съотношението на разликата в амплитудата в ··· съответното направление и стъпката на сканиране в напречно направление, както бе описаноThus, it is possible to use the described sensor to scan and characterize specimens with variable surface area in each of the X Y directions with a profile steepness limited by the ratio of the difference in amplitude in the respective direction and the scanning step in the transverse direction, as described
по-горе.above.
Трети вариант на изпълнение на изобретението с две направления на измерване е показан на фиг. 7в. В този случай сензорът има микроконзола 2 и сондова част 3 с перпендикулярни оси (ъгъл β = 90°) и три елемента за функционализиране, разположени успоредно на равнината на пластината, които са поместени съответно в сондовия край 6, който притежава два допълнителни разширени участъка. Осите на трите сондови елемента 4, 4* и 4” имащи мислена пресечна точка А, са разположени под ъгъл θ, θ’ и Θ” спрямо оста на сондовата част 3, и са 90° или 180°, съответно. Тъй като елементите за функционализиране са ориентирани в направление {110}, те са V-образни канавки, съответно 7, 7’ и 7”. Въпреки, че този сензор има три сондови елемента, той може да измерва в две направления и затова два от сондовите елемента са съосни, но с взаимно противоположна посока по оста Υ.A third embodiment of the invention with two measurement directions is shown in FIG. 7c. In this case, the sensor has a microcontroller 2 and a probe portion 3 with perpendicular axes (angle β = 90 °) and three functional elements arranged parallel to the plane of the plate, which are respectively positioned at the probe end 6, which has two additional extended sections. The axes of the three probe elements 4, 4 * and 4 "having an intersecting intersection point A are at an angle θ, θ 'and Θ" relative to the axis of the probe portion 3, and are 90 ° or 180 °, respectively. Since the functional elements are oriented in the {110} direction, they are V-shaped grooves of 7, 7 'and 7, respectively. Although this sensor has three probe elements, it can measure in two directions, and therefore two of the probe elements are coaxial but in a mutually opposite direction to its axis.
Четвърти вариант на изпълнение на изобретението с две направления на измерване е показан на фиг. 7г. В този случай сензорът има микроконзола 2 и сондова част 3 с перпендикулярни оси (ъгъл β = 90°) и три елемента за функционализиране, разположени успоредно на равнината на пластината в общата повърхност, които са поместени съответно в сондов край 6 с два допълнителни разширени участъка. Елементите за функционализиране са ориентирани така, че осите на трите сондови елемента 4, 4’ и 4” имащи мислена пресечна точка А, са разположени под ъгъл θ, Θ’μ Θ” спрямо оста на сондовата част 3, и могат да бъдат от 0° до 180°, съответно. Когато поне един сондов елемент е ориентиран в направление различно от {110}, то елементите за функционализиране са съставни канавки 9, 9’ и 9”, които могат да бъдат разположени и в метален слой. Въпреки, че този сензор има три сондови елемента и никои два от тях не са съосни, както вече бе пояснено по-горе, той може да измерва в две направления, съответно X и Υ.A fourth embodiment of the invention with two measurement directions is shown in FIG. 7d. In this case, the sensor has a microcontroller 2 and a probe part 3 with perpendicular axes (angle β = 90 °) and three functional elements arranged parallel to the plane of the plate in the common surface, which are respectively placed in a probe end 6 with two additional extended portions . The functionalizing elements are oriented such that the axes of the three probe elements 4, 4 'and 4 "having a thought intersection A are arranged at an angle θ, Θ'μ Θ" with respect to the axis of the probe part 3, and may be from 0 ° to 180 °, respectively. When at least one probe element is oriented in a direction other than {110}, the functional elements are integral grooves 9, 9 'and 9', which can also be arranged in a metal layer. Although this sensor has three probe elements and no two of them are coaxial, as explained above, it can measure in two directions, respectively X and съответ.
Пример 3 - сензор с три направления на измерванеExample 3 - sensor with three measurement directions
На фиг. 8а е показан вариант на сензор съгласно изобретението, който е с три сондови елемента. Сондовите елементи 4 и 4’ са разположени в равнина, успоредна на равнината на пластината, подобно на показания на фиг. 76 сензор, а сондовият елемент 4”’ е перпендикулярен на споменатата равнина. Микроконзолата 2 е с характеристична дължина 1Х в направление Υ и височина ах на микроконзолната свързваща част 5 и има сондова част 3 ·· » · «· ··* • « · · · ♦ · ·· ··· ♦ · · · » · ·· • ·»· · · · ··· с · ···· • « · · ···· ··«· β« ·· *·»· ·· със свързваща сондова част 11 с правоъгълно стеснение с ширина ау и характеристична дължина 1У. В свободния сондов край 6 са оформени два допълнителни разширени участъка и са създадени три елемента за функционализиране, два от които са V-образни канавки 7 и 7’, а един е отвор 10, които са ориентирани така, че осите на сондовите елементи 4, 4’ и 4”’ сключват с оста на сондовата част 3 ъгли θ, θ’ и 0”’, които са равни на 180° или 90°, съответно. Когато е необходимо или се предпочита, елементите за функционализиране да са V-образни канавки, осите им са ориентирани съответно в направление {110} на силициевата монокристална подложка. При това трите сондови елемента 4, 4’ и 4”’ се разпростират извън канавките, съответно по всяко от направленията X, У и Ζ на разстояния с дължини 1рх, 1РУ и /рг. Както и в Пример 2, хетерогенните сондови елементи могат да бъдат еднакви, включително по отношение на тяхната електропроводимост, или различни по вид и размер, като дължините им на разпростиране са предварително определени спрямо мислената пресечна точка А на осите на сондовите елементи 4, 4’ и 4”. Като общ предпочитан вариант, различни по вид хетерогенни сондови елементи е подходящо да се използват, когато се изследва топография и ориентация на магнитни домейни или тънки многослойни структури с различни свойства на отделните слоеве, например електропроводимост, магнитна проницаемост, водещи до различие на свойствата на структурата по отделните направления.In FIG. 8a shows a variant of a sensor according to the invention having three probe elements. The probe elements 4 and 4 'are arranged in a plane parallel to the plane of the plate, similar to that shown in FIG. 76 sensor, and the probe element 4 "'is perpendicular to said plane. The microconsole 2 has a characteristic length of 1 X in the Υ direction and the height a x of the microconsole connecting part 5 and has a probe part 3 · · · · · · · · · · · · · · · · · »· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Β · · · · · · · · having a width a y and a characteristic length 1 y . Two additional extended sections are formed in the free probe end 6 and three functional elements are created, two of which are V-shaped grooves 7 and 7 ', and one is an opening 10 that is oriented so that the axes of the probe elements 4, 4 'and 4 "' conclude with the axis of the probe part 3 angles θ, θ 'and 0"' equal to 180 ° or 90 °, respectively. When necessary or preferred, the functional elements are V-grooves, their axes are oriented respectively in the direction {110} of the silicon single crystal support. The three probe elements 4, 4 'and 4 "' extend beyond the grooves, respectively, in each of the directions X, Y and Ζ at distances of 1 px , 1 PU and / p . As in Example 2, the heterogeneous probe elements may be the same, including in terms of their electrical conductivity, or different in type and size, with their propagation lengths predetermined relative to the intersection A of the axis of the probe elements 4, 4 '. and 4 ”. As a general preferred variant, different heterogeneous probe elements are suitable to be used when investigating the topography and orientation of magnetic domains or thin multilayer structures with different properties of the individual layers, for example, electrical conductivity, magnetic permeability, leading to different structure properties in different directions.
На фиг. 86 и на фиг. 9а е показан вариант на сензор с четири сондови елемента, разположени в три взаимно перпендикулярни оси. И в този случай, когато оста на микроконзолата 2 и осите на елементите за функционализиране са ориентирани в направление {110} на силициевата монокристална подложка, елементите за функционализиране са V-образни канавки съответно 7, 7’ и 7”. Поради възможноста за точен контрол на положението на всеки от елементите за функционализиране и на сондовите елементи, осигуряван от настоящото изобретение, те могат да бъдат получени така, че осите на елементите за функционализиране V-образни канавки 7, 7’ и 7” да имат обща мислена пресечна точка А, в която е формиран елемент за функционализиране отвор 10, представляващ права триъгълна призма, разположена така, че оста на сондовия елемент 4’”, поставен в нея, да минава през споменатата пресечна точка А. При това сондовите елементи 4, 4’, 4” и 4”’ се разпростират извън елементите за функционализиране, съответно по всяка от осите X, Υ, Ζ, като по осите Υ и Ζ са разположени в права и обратна посока, а краищата им се намират на разстояния с дължини lpx, lpy, lp.y, lpz и 1р.г, определени спрямо мислената пресечна точка А на четирите сондови елемента. Както и в предишните примери,In FIG. 86 and FIG. 9a shows a variant of a sensor with four probe elements arranged in three mutually perpendicular axes. In this case, too, when the axis of the microcontroller 2 and the axes of the functionalizing elements are oriented in the direction {110} of the silicon single crystal substrate, the functionalizing elements are V-shaped grooves of 7, 7 'and 7, respectively. Because of the ability to accurately control the position of each of the functional elements and the probe elements provided by the present invention, they may be obtained such that the axes of the functional elements of the V-shaped grooves 7, 7 'and 7 "have in common thought intersection A into which an element for functionalizing an aperture 10 is formed, representing a right triangular prism arranged so that the axis of the probe element 4 '' inserted therein passes through said intersection point A. Moreover, the probe elements 4, 4 ', 4 ”and 4”' is extended beyond the elements functionalization, respectively, in each of the axes X, Υ, Ζ, such as axes Υ and Ζ are located in the downlink and uplink, and their edges are located at distances of length l px, py l, lp. y , l pz and 1p. d determined from the intersection A of the four probe elements. As in the previous examples,
«·» « · ·· • * ·· • · ··♦ • ·· ····«·» «· · · • * · · • · · · · · · · · ·
хетерогенните сондови елементи 4, 4’, 4” и 4”’ могат да бъдат подбрани да са еднакви, включително по отношение на тяхната електропроводимост, или различни по дължина и по вид.heterogeneous probe elements 4, 4 ', 4' and 4 '' may be selected to be the same, including in terms of their electrical conductivity, or different in length and appearance.
На фиг. 9а е показан аксонометричен вид на сензор за сканиране в направленията X, Y и Z, в който хетерогенните сондови елементи могат да са с еднакви или различни дължини на разпростиране от общата мислена пресечна точка А на осите им до краищата на всеки от разпростиращите се сондови елементи. Тъй като разстоянието от пресечната точка А до края на съответния сондов елемент и разстоянието на взаимодействие между сондовия елемент и образеца са известни, това дава възможност да се пресмята геометричната форма на изследвания образец в съответното направление. Също, така детектирания сигнал се използва за коригиращо транслационно преместване на сензора в направлението на измерване, за поддържане на постоянна стойност на величината, характеризираща взаимодействието с образеца, в конкретния пример това е фазата на принуденото трептене, но може да бъде и амплитудата или честотата.In FIG. 9a shows an axonometric view of a scanning sensor in the X, Y, and Z directions in which heterogeneous probe elements may have the same or different propagation lengths from the total intended intersection A of their axes to the edges of each of the extending probe elements . Since the distance from the intersection point A to the end of the corresponding probe element and the distance of interaction between the probe element and the sample are known, this makes it possible to calculate the geometric shape of the test sample in the corresponding direction. Also, the detected signal is used to correct the translational translation of the sensor in the measurement direction, to maintain a constant value of the amount characterizing the interaction with the sample, in the specific example it is the forced oscillation phase, but may also be the amplitude or frequency.
На фиг 96 е показан видът на честотната зависимост на нормализираните разлики в амплитудите М{. Аналогично на предишните примери, по честотата, при която еFigure 96 shows the type of frequency dependence of the normalized differences in the amplitudes M1. Similar to the previous examples, the frequency at which it is
регистрирана промяна в механичното трептене или е регистриран тунелния ток, се постига разпознаване на направлението на взаимодействие на сондовия елемент с образеца.a registered change in mechanical oscillation or a tunnel current is detected, recognition of the direction of interaction of the probe element with the specimen is achieved.
Този сензор е подходящ за сондово изследване на тримерни образци със сложна форма.This sensor is suitable for probing complex three-dimensional samples.
Изненадващо за сензорите от това изобретение бе установено, че с един единствен микромеханичен елемент, може да се определя профила на едномерни, двумерни или тримерни обекти, като размерноста на определянето съвпада с броя на направленията на измерване. Доколкото, посредством геометричните параметри на микроконзолата в различните направления могат да се изменят еластичните характеристики на сензорите във всяко от тези направления, то и сътветните собствени честоти в тези направления могат да бъдат зададени така, че да са близки, но еднозначно различими.Surprisingly, for the sensors of this invention, it has been found that with a single micromechanical element, the profile of one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional objects can be determined, the dimension of the determination coinciding with the number of measurement directions. As long as the elastic characteristics of the sensors in each of these directions can be altered by the geometric parameters of the microcontroller in the different directions, the corresponding natural frequencies in these directions can be set to be close, but uniquely different.
На фиг. 10а е показан аксонометричен вид на интегриран сензор за сканираща микроскопия с три направления на измерване, аналогично на показния на фиг. 9а, който сензор има само един хетерогенен сондов елемент, избран алтернативно от хетерогенните сондови елементи 4, 12 или 12’, показани на фиг. Юг. За регистриране на взаимодействията на този сондов елемент във всяко от трите направления на измерване се използват пиезорезистивни сензорни елементи, които включват пет силнолегирани области 13, осъществяващи галваничен контакт със съответните краища на последователно свързани области с пиезорезистивни свойства 14, 14’ и 14”. Тези сензорни елементи изменят стойността на съпротивлението си при огъване на сондовия край в съответното направление X, У, и Ζ. В показания на фиг. 10а вариант на изпълнение, трите пиезорезистора 14,14’ и 14” са свързани последователно посредством четири контактни отвора 15 и три метални пътеки 16 с контактните площадки 17 и 17’. При този вариант на свързване измерването с външен измерителен уред е само на сумарната стойност на съпротивлението на трите пиезорезистора, но са възможни и други начини на свързване, в зависимост от приложениетоIn FIG. 10a shows an axonometric view of an integrated scanning microscope sensor with three measurement directions, similar to that shown in FIG. 9a, which sensor has only one heterogeneous probe element selected alternatively from the heterogeneous probe elements 4, 12 or 12 'shown in FIG. South. To record the interactions of this probe element, piezoresistive sensor elements are used in each of the three measurement directions, which include five highly alloyed regions 13, which make galvanic contact with the corresponding edges of successively connected regions with piezoresistive properties 14, 14 'and 14'. These sensing elements change the value of the flexural resistance of the probe end in the corresponding X, Y, and направ directions. In the readings of FIG. 10a, the three piezores 14,14 'and 14' are connected in series by four contact openings 15 and three metal paths 16 to the contact pads 17 and 17 '. In this variant of connection, measurement with an external measuring device is only the sum of the resistance value of the three piezo resistors, but other ways of connection are possible, depending on the application
на сензора.of the sensor.
Фиг. 106 илюстрира електрическа схема на свързване на трите пиезорезистора, показани на фиг. 10а, а видът на честотната зависимост на средноквадратичната стойност на изменението (RMS) на съпротивлението Rn-ir, измерено между изводите 17 и 17’ е показан на фиг 10в. Както се вижда, това съпротивление има три изразени максимума, съответстващи на резонансните честоти на огъване на микромеханичната конструкция на сензора. При еднакви амплитуди на трептенията в различните направления, тези максимуми могат да бъдат еднакви или различни в зависимост от параметрите на пиезорезисторите, разположението им върху еластичните микроелементи и метода на получаване. Независимо от съотношенията на измененията на стойностите на отделните съпротивления, посредством измерване на посоченото съпротивление Rn.n< могат да се регистрират описаните по-горе изменения на трептенията на микромеханичните елементи в резултат на взаимодействието на сондовия елемент с образеца във всяко от направленията на измерване. В един предпочитан вариант на изобретението, измененията на стойностите на пиезорезисторите при еднакви амплитуди на преместване на свободния край на микроконзолата в направленията X, Y, и Z, са еднакви.FIG. 106 illustrates an electrical wiring diagram of the three piezoresistors shown in FIG. 10a, and the type of RMS of the resistance Rn-ir measured between terminals 17 and 17 'is shown in Fig. 10c. As can be seen, this resistance has three expressed maxima, corresponding to the resonant bending frequencies of the micromechanical construction of the sensor. With the same oscillation amplitudes in different directions, these maxima may be the same or different depending on the parameters of the piezo resistors, their location on the elastic trace elements and the method of production. Regardless of the ratios of changes in the values of the individual resistances, by measuring the impedance Rn.n <, the above-described changes in the oscillations of the micromechanical elements as a result of the interaction of the probe element with the sample in each of the measurement directions can be recorded. In a preferred embodiment of the invention, the changes in piezo resistor values at the same amplitudes of displacement of the free end of the microcontroller in the X, Y, and Z directions are the same.
Вариантите на хетерогенни сондови елементи, показани на фиг. Юг илюстрират някои предпочитани изпълнения, например хетерогенен сондов елемент 4, представляващ CNT с полусферичен край, 12 е хетерогенен сондов елемент, изграден от съединени цилиндрична и сферична части, а 72’ е хетерогенен сондов елемент изграден от съединени цилиндрична част с микро/нанокристал със специфични свойства и пирамидална или многопирамидална форма.The variants of heterogeneous probe elements shown in FIG. South illustrate some preferred embodiments, for example, a heterogeneous probe element 4 representing a hemispherical end CNT, 12 is a heterogeneous probe element made up of coupled cylindrical and spherical parts, and 72 'is a heterogeneous probe element made up of micro / nanocrystalline coupled cylindrical part properties and pyramidal or multi-pyramidal shape.
• · · ·• · · ·
• · • · ·• · · · ·
Разделителната способност на сензора със сондов елемент 12 се определя от диаметъра на сферата и такъв сензор е подходящ за измерване размери на тримерни обекти с неизвестна форма. Разделителната способност на сондовият елемент 12’ се определя от радиуса на кривината на пирамидалните върхове на микро/нанокристала.The resolution of the sensor with probe element 12 is determined by the diameter of the sphere and such a sensor is suitable for measuring the dimensions of three-dimensional objects of unknown shape. The resolution of the probe element 12 'is determined by the radius of curvature of the pyramidal tips of the micro / nanocrystal.
Аналогично на предишните примери, по честотата, при която чрез измерване на сумарното съпротивление е регистрирана промяна в характеристиките на трептенето или е регистриран тунелния ток, се постига разпознаване на направлението на взаимодействие на сондовия елемент с образеца. Тъй като дължината на разпростиране на сондовия елемент извън елемента за функционализиране е известна, това дава възможност посредством измерване с този сензор да се определи геометричната форма на изследвания образец в съответните направления, с разделителна способност, определена от диаметъра на сондовия елемент.Similar to the previous examples, the frequency at which a change in the oscillation characteristics or a tunneling current is detected by measuring the total resistance is obtained, recognizing the direction of interaction of the probe element with the sample. Since the extension length of the probe element beyond the functional element is known, this makes it possible, by measuring with this sensor, to determine the geometric shape of the test specimen in the respective directions, with a resolution determined by the diameter of the probe element.
В допълнение, в друг предпочитан вариант на изпълнение на изобретението, всеки един от сензорите, описани в Примери 1, 2 и 3, и илюстрирани на фигури 3, 4, 5, 6, 7а, 76, 7в, 7г, 8а, 86 и 9а, може да бъде изпълнен с допълнително включени в неговия еластичен микромеханичен елемент пиезорезистори, със съответното, ясно за специалистите в областта адаптиране обусловено от конкретната конструкция на сензора, по начина, разкрит по-горе.In addition, in another preferred embodiment of the invention, each of the sensors described in Examples 1, 2 and 3 and illustrated in Figures 3, 4, 5, 6, 7a, 76, 7b, 7d, 8a, 86 and 9a, may be provided with piezoresistors, further included in its elastic micromechanical element, with the corresponding, clear to those skilled in the art, the adaptation conditioned by the particular sensor construction, as disclosed above.
Б. Пример за изпълнение на метод за тримерно измерване със сензор за сканираща микроскопияB. An example of performing a three-dimensional method with a scanning microscope sensor
В началото на процеса на тримерно измерване, сканираща сондова микроскопска система, снабдена със сензор с три направления на измерване, който има една микроконзола и една сондова част, притежаващи обща плоска повърхност, с индивидуални динамични характеристики на огъване без усукване във всяко от направленията X, Y и Z, които са различими една от друга при детекция, се разполага в изходно положение спрямо образеца. Сондовата част на споменатия сензор трябва да бъде снабдена с достатъчен брой хетерогенни сондови елементи, за да осигури измерване по всяко от направленията X, Y и Z. Това може да бъде както сензор с един хетерогенен сондов елемент, който е чувствителен в трите направления на измерване X, Y и Z, какъвто например е сензорът от настоящото изобретение, показан на фиг. 10а, така и друг тип сензори, като например вариантите на сензори от изобретението, в които сондовата част може да бъде снабдена с три или четири хетерогенни сондови елементи, каквито са сензорите, показани на фиг. 8а, 86 и 9а. След товаAt the beginning of the three-dimensional measurement process, a scanning probe microscope system equipped with a three-probe sensor having one microcontroller and one probe portion having a common flat surface, with individual dynamic bending characteristics without twisting in each X direction, Y and Z, which are distinguishable from each other by detection, are in the initial position relative to the specimen. The probe portion of said sensor must be provided with a sufficient number of heterogeneous probe elements to provide measurement in each of the X, Y and Z directions. This may be like a sensor having a heterogeneous probe element which is sensitive in the three measurement directions X, Y and Z, such as the sensor of the present invention shown in FIG. 10a and other types of sensors, such as variants of sensors of the invention, in which the probe portion may be provided with three or four heterogeneous probe elements, such as the sensors shown in FIG. 8a, 86 and 9a. Then
системата се установява в режим на достигане на точка на измерване по мрежата от точки на сканиране и се привежда в принудено трептене с амплитуда, която се изменя от работна до контролна. При регистриране на първото взаимодействие на сондовия елемент е образеца, по честотния диапазон в който е регистрирано това взаимодействие се определя направлението муj, където j ех,у или z, и се прекратява принуденото трептене с контролна амплитуда. След това се продължава режима на достигане до точка на измерване в установеното направление на взаимодействие j, но вече с работна амплитуда. Този процес продължава до регистриране на взаимодействие с образеца, когато движението на сензора и/или на образеца от сканиращата система се преустановява. Достигнатата по този начин позиция от сензора, е точката на измерване, в която сензорът и образецът остават неподвижни, и се преминава в режим на измерване по направлението на достигане на точката. За целта, сензорът се подлага на периодично въздействие с работна амплитуда в направлението j и се установява стойността на физичната величина, характеризираща взаимодействието. След това, сензорът се привежда в режим на трептене в перпендикулярните направления j±l, като се променя интензитета и/или диапазона на честотата на въздействието, така че амплитудата на трептене в тези направления да се променя плавно от работна до контролна за евентуално установяване на взаимодействие с образеца. Така, като се поддържа постоянна избраната физична величина, се сканира образеца съобразно избрания алгоритъм на измерване. Посредством анализ на управляващия сигнал на актюатора, поддържащ постоянна стойност на величината, характеризираща взаимодействието между сондовия елемент и образеца, се изследват свойствата на повърхността на образеца по съответното направление. Данните, за полученото в резултат на взаимодействието с образеца изменение на амплитудата, честотата, фазовата разлика или друга измервана физична величина, например тунелен ток, се отчитат и обработват за получаване на съответната тримерна характеристика на образеца.the system is set to reach a measurement point across the network from scan points and is forced to vibrate with an amplitude that changes from operating to control. When registering the first interaction of the probe element is the sample whose frequency range in which this interaction is registered determines its direction j, where j ex, y or z, and stops the forced oscillation with a control amplitude. The mode of reaching the measurement point in the established direction of interaction j is then continued, but already with the operating amplitude. This process continues until the interaction with the sample is recorded when the movement of the sensor and / or sample from the scanning system is stopped. The position thus obtained from the sensor is the measuring point at which the sensor and the sample remain stationary and goes into measurement mode in the direction of reaching the point. For this purpose, the sensor is periodically exposed to a working amplitude in the j direction and the value of the physical quantity characterizing the interaction is determined. The sensor is then switched to the jitter mode in the perpendicular directions j ± l, varying the intensity and / or frequency range of the impact so that the oscillation amplitude in these directions changes smoothly from operating to control to eventually detect interaction with the sample. Thus, while maintaining the constant selected physical quantity, the sample is scanned according to the selected measurement algorithm. By analyzing the actuator control signal, which maintains a constant value of the quantity characterizing the interaction between the probe element and the sample, the properties of the surface of the sample in the respective direction are investigated. The data on the resulting change in amplitude, frequency, phase difference, or other measured physical value, such as tunneling current, are read and processed to obtain the corresponding three-dimensional characteristic of the sample.
В предпочитан вариант на метода за тримерно измерване на изследвания образец, физичната величина, характеризираща взаимодействието, се поддържа постоянна посредством контролиране на интензитета на съответното периодично въздействие.In a preferred embodiment of the three-dimensional measurement method of the test sample, the physical quantity characterizing the interaction is maintained constant by controlling the intensity of the corresponding periodic impact.
В. Пример за изпълнение на метод за получаване на сензор за сканираща микроскопия с висока разделителна способностC. Example of a method for producing a high-resolution scanning microscope sensor
Методът за получаване на сензори за сканираща сондова микроскопия съгласно настоящото изобретение е триетапен и в него за подложки, от които се получават сензорите, • rThe method of obtaining sensors for scanning probe microscopy according to the present invention is three-step and therein for the substrates from which the sensors are obtained, • r
се използват силициеви пластини с ориентация (100), с р-тип на легиране и специфично съпротивление в границите от 0.1 до 20 Q.cm, или с п-тип на легиране със специфично съпротивление в границите от 0.003 до 20 Ω.αη, като основният им технологичен срез е с ориентация [110].use silicon wafers with orientation (100), having a p-type of doping and a specific resistance in the range of 0.1 to 20 Q.cm, or a p-type of alloying with a specific resistance in the range of 0.003 to 20 Ω.αη, as their main technological section is orientation [110].
Монокристални силициеви пластини с р-тип на легиране се използват, когато получаваните от тях сензори съгласно настоящото изобретение са предназначени за използване в сканиращи системи с оптична детекция на взаимодействието между сондовия елемент и образеца, или системи, регистриращи тунелен ток.P-doped monocrystalline silicon wafers are used when the sensors they receive according to the present invention are intended for use in scanning systems with optical detection of the interaction between the probe element and the sample, or tunnel current sensing systems.
Когато се желае получаването на сензори за сканираща сондова микроскопия с пиезорезистивна детекция, се използват подложки от монокристална силициева пластина с птип на легиране и специфично съпротивление в границите от 1 до 20 Q.cm, върху които предварително са формирани повърхностни силнолегирани области, които могат да бъдат получени по различни методи, известни на специалистите в областта, и намиращи се в галваничен контакт с тях пиезорезистивни области, разположени по повърхността и/или в канавки, получени например по метода, разкрит в заявка за патент № BG 110397.When it is desired to obtain piezoresistive scanning probe microscopy sensors, mono-crystalline silicon wafer substrates with an alloy tip and specific resistance in the range of 1 to 20 Q.cm, on which surface highly alloyed regions are preformed be obtained by various methods known to those skilled in the art and in galvanic contact with them piezoresistive areas located on the surface and / or in ditches obtained by, for example, the method disclosed in patent application BG 110397.
Всяка пластина преди изпълнението на процесите съгласно метода от настоящото изобретение, както е обичайно за областта е необходимо да се подготви чрез предварителни обработки, включително химическа обработка, известни на специалистите, за изпълнение върху тях на последващите процеси на окисление, ецване, и т.н., както е описано по-нататък в примера за изпълнение на метода.Each plate prior to performing the processes of the process of the present invention, as is customary in the art, must be prepared by pretreatments, including chemical treatments known to those skilled in the art, to perform subsequent oxidation, etching, etc. processes on them. ., as described below in the embodiment of the method.
Повърхностно структуриранеSurface structuring
Съгласно настоящото изобретение, в първия етап от метода подложката се подлага на процеси за повърхностно структуриране. За целта, първоначално се осъществява двустранно окисление на силициевата пластина 18, като се образува слой силициев диоксид 19, който се използва като маска в последващите процеси на повърхностно и обемно структуриране. След това така обработената силициева пластина се подлага на процеси на структуриране през фотолитографска маска за формиране на еластични структури чрез последователно ецване на слоя силициев диоксид и подложката в защрихованите области 25 до зададена дълбочина «г, както е показано на фиг. 11.According to the present invention, in the first step of the method, the pad is subjected to surface structuring processes. For this purpose, two-sided oxidation of the silicon wafer 18 is initially carried out, forming a layer of silica 19, which is used as a mask in subsequent surface and bulk structuring processes. The silicon wafer thus treated is then subjected to structuring processes through a photolithographic mask to form elastic structures by sequentially etching the silica layer and the substrate in the shaded regions 25 to a predetermined depth g , as shown in FIG. 11.
При това структуриране се получават едновременно структурите на микромеханичните елементи и показаният на фиг. 11 елемент за функционализиране отворIn this structuring, the structures of the micromechanical elements are simultaneously obtained and shown in FIG. 11 element for opening aperture
10, когато такъв е предвиден. Това може •» •· •· •· • · да бъде • · · * • · ·· • · ·· • · · · · • ·· • · · · единственият елемент за функционализиране отвор 10, както е във варианта, показан на фиг. 5, или един от елементите за функционализиране, както е при вариантите, показани на фигури 7а, 8а, 86, и10, when provided. This may be the only element for opening 10, as in the embodiment, shown in FIG. 5, or one of the functional elements as in the embodiments shown in Figures 7a, 8a, 86, and
9а. Когато се получават сензори с елементи за функционализиране отвори 10, процесът на ецване се избира и провежда така в етапа на повърхностното структуриране, че стените да са максимално бизки до перпендикулярни спрямо повърхноста на пластината, тъй като наклонът на стените на отвора определя впоследствие наклона на поместения в него9a. When sensors are provided with elements for the functionalization of the openings 10, the etching process is selected and carried out at the stage of surface structuring so that the walls are as close as possible to perpendicular to the surface of the plate, since the slope of the opening walls subsequently determines the slope of the displacement in him
хетерогенен сондов елемент.heterogeneous probe element.
В един особено предпочитан алтернативен вариант на метода от изобретението, за разлика от досега известните и прилагани в областта методи, когато е предвидено използването на сондови елементи, разположени в равнина, успоредна на равнината на подложката, най-напред върху подготвената монокристална силициева пластина се формират елементите за функционализиране V-образни или съставни канавки, с подходящи размери и ориентация върху избрани области на повърхноста на подложката. Това става, като върху предварително подготвената монокристална силициева подложка 18, както е показано на фиг. 12а, се израстват и отлагат допълнителни слоеве за функционализиране и при това найнапред подложките се подлагат на високотемпературно окисление на двете им страни, което може да бъде направено по всеки известен на специалистите в областта начин. Дебелината на слоя силициев диоксид 19 е такава, че да изпълнява функцията на маска за повърхностното и обемно структуриране на силиция съгласно описанието на метода от изобретението по-нататък.In a particularly preferred alternative embodiment of the method of the invention, in contrast to methods known previously and practiced in the art, when it is contemplated to use probe elements arranged in a plane parallel to the plane of the substrate, firstly on the prepared single-crystal silicon wafer, functional elements V-shaped or composite grooves, of suitable dimensions and orientation over selected areas of the surface of the pad. This is done on a pre-prepared single crystalline silicon pad 18, as shown in FIG. 12a, additional layers for functionalization are grown and deposited, and the substrates are first subjected to high temperature oxidation on both sides, which can be done in any manner known to those skilled in the art. The thickness of the silica layer 19 is such that it performs the function of a mask for the surface and bulk structuring of silicon according to the description of the method of the invention below.
В едно предпочитано изпълнение на метода, за получаването на произволно ориентирани хетерогенни сондови елементи, разположени върху повърхноста на микроконзолата на сензора, както е показано на фиг. 12а, върху слоя силициев диоксид 19 на лицевата страна на подложката, посредством подходящ, обичаен в областта, физически или химически процес, се нанасят два тънки слоя 20 и 20’, за формиране в тях на канавка, но в някои случаи е желателно тези слоеве да бъдат и повече от два. Тънките слоеве 20 и 20’ в конкретния случай са титан с дебелина 20 нм и злато с дебелина 200 нм, а върху тези слоеве се нанася фоторезистивен слой. Могат да бъдат използвани също и други материали, напр. проводящи, като титан нитрид, придаващи проводими свойства на повърхноста на монокристалната силициева пластина. След това се извършва структуриране на подходящо ориентирана фотолитографска маска, при което във фоторезиста се получава отвор с желана • ·In a preferred embodiment of the method, for the production of randomly oriented heterogeneous probe elements disposed on the surface of the sensor micro-console, as shown in FIG. 12a, two thin layers 20 and 20 'are applied to the layer of silicon dioxide 19 on the face of the substrate by a suitable, customary, physical or chemical process to form a groove, but in some cases it is desirable be more than two. The thin layers 20 and 20 'in the present case are titanium with a thickness of 20 nm and gold with a thickness of 200 nm, and a photoresistive layer is applied to these layers. Other materials may also be used, e.g. conductive, such as titanium nitride, imparting conductive properties to the surface of the single crystalline silicon wafer. Then, an appropriately oriented photolithographic mask is structured to produce an opening with the desired • in the photoresist.
правоъгълна форма и ориентация. После през така получената маска се извършва контролируемо последователно ецване на получените слоеве за получаване на желания профил на сечението на елемента за функционализиране, като се оформя съставна канавка 21 с размер g в повърхностните слоеве 20 и 20', както е показано на фиг. 12а. При това, всеки вече горен слой е маска за ецването на следващия го, по-долу разположен слой и така се получава желаната форма на съставната канавка. Дебелината на слоевете, размерът g на спомагателната канавка 21 и ориентацията й спрямо останалите микромеханични елементи на сензора се определят от размера на хетерогенните сондови елементи, които ще се използват в конкретния сензор, съобразно неговото приложение, както и от другите специфични изисквания към него. Такива са например изискванията за омокряне на повърхността от материала при фиксиране на хетерогенния сондов елемент за съответната допустима максимална температура, известни на специалистите в областта.rectangular shape and orientation. A controlled sequential etching of the resulting layers is then carried out through the mask thus obtained to obtain the desired section profile of the functionalizing element, forming a composite groove 21 of size g in the surface layers 20 and 20 ', as shown in FIG. 12a. In addition, each upper layer is a mask for etching of the next layer below, thus obtaining the desired shape of the composite groove. The thickness of the layers, the size g of the auxiliary groove 21 and its orientation with respect to the other micromechanical elements of the sensor are determined by the size of the heterogeneous probe elements to be used in the particular sensor according to its application, as well as by other specific requirements thereto. Such are, for example, the requirements for wetting the surface of the material while fixing the heterogeneous probe element to the corresponding permissible maximum temperature known to those skilled in the art.
Ориентирането на тази структура спрямо кристалографските направления на силициевата подложка 18 е произволно.The orientation of this structure with respect to the crystallographic directions of the silicon substrate 18 is arbitrary.
В един предпочитан вариант на изпълнение на процесите на формиране на елементи за функционализиране канавки, показан на фиг. 126, когато се желае получаването на Vобразни канавки 7, върху монокристалната силициева подложка с изградения оксиден слой 19 се нанася фоторезист, който се използва като маска за ецване. След това се извършва структуриране на желано ориентирана фотолитографска маска, като при това изображенията, от които ще се получат елементите за функционализиране се ориентират в направление {110} на монокристалната силициева подложка. После слоят силициев диоксид 19 се ецва през тази маска, като размерът на фотолитографската маска а се пренася върху слоя диоксид, и се получава прозорец 22 с правоъгълна форма с размер а и ориентация на страните му по направленията {110} на монокристалната силициева подложка, както е показано на фиг. 126. Така полученият структуриран слой силициев диоксид е маска за последващото ецване на канавките 7 в силициевата подложка до зададената дълбочина. При това, съгласно този предпочитан вариант, елементите за функционализиране които се получават, са V-образни самоограничаващи се канавки. Процесът на получаване протича със самоограничаване, когато се извършва мокро анизотропно ецване на подложката от монокристален силиций с ориентация (100) в калиев хидроксид (КОН). За тази канавка е характерно това, че стените й са с кристалографска ориентация <111 >, дъното й е успоредно на повърхноста наIn a preferred embodiment of the groove functionalization processes shown in FIG. 126, when it is desired to obtain V-shaped grooves 7, a photoresist is applied to the single-crystalline silicon substrate with the built-in oxide layer 19, which is used as an etching mask. The desired photolithographic mask is then structured, and the images from which the functional elements will be obtained are oriented in the {110} direction of the single crystalline silicon substrate. The layer of silicon dioxide 19 is then etched through this mask, the size of the photolithographic mask a being transferred to the layer of dioxide, and a window 22 of rectangular shape of size a and orientation of its sides in the directions {110} of the monocrystalline silicon substrate are obtained, as is shown in FIG. 126. The thus obtained structured layer of silica is a mask for the subsequent etching of the grooves 7 in the silicon pad to a predetermined depth. In this preferred embodiment, the functional elements to be obtained are V-shaped self-limiting ditches. The preparation process is self-limiting when wet anisotropic etching of the monocrystalline silicon substrate with orientation (100) into potassium hydroxide (KOH) occurs. This groove is characterized by the fact that its walls have a crystallographic orientation <111>, its bottom is parallel to the surface of
подложката, а дълбочината й dt се определя от размера а, зададен при фотолитографското структуриране.the substrate and its depth d t is determined by the size a specified in photolithographic structuring.
В друг предпочитан вариант на изпълнение на първия етап от метода съгласно изобретението, показан на фиг. 12в-1 и фиг.12в-П, когато се желае получаването на сензор с хетерогенни сондови елементи, разположени в произволно направление в равнина, успоредно на и под нивото на повърхноста на пластината, при което елементът за функционализиране е съставна канавка, върху подготвената монокристална силициева подложка с изграден оксиден слой се нанася фоторезистивна маска за ецване. Аналогично на предходния вариант, след това се извършва фотолитографско структуриране на маска за ецване с правоъгълна форма с размер b и произволна ориентация, така че изображението да е ориентирано в желаното за приложението на сензора направление, както е показано на фиг. 12в-1. Размерът Ь се определя основно от диаметъра на сондовия елемент, който се желае да бъде монтиран в елемента за функционализиране. След това силициевият диоксид 19 се ецва през наличната маска, при което размерът на маската b се пренася върху структурирания слой силициев диоксид, като се образува прозорец 23, а диоксидът се използва за маска за последващото ецване на канавка в монокристалната силициева подложка. След това силициевата подложка 18 се ецва изотропно през така получената маска от структуриран слой силициев диоксид 19 с размер на отвора Ь, съответно мокро или сухо, до получаване на областта 24, при което размерът на тази област се разширява до размер Ь’, както е показано на фиг.12в-П.In another preferred embodiment of the first step of the method of the invention shown in FIG. 12c-1 and FIG. 12c-P, where it is desired to obtain a sensor with heterogeneous probe elements arranged in a random direction in a plane parallel to and below the level of the surface of the plate, wherein the functional element is a composite groove on the prepared single crystal a silicon substrate with a built-in oxide layer is applied a photoresistive etching mask. Analogously to the previous embodiment, photolithographic structuring of a rectangular b-shaped etching mask of arbitrary orientation is then performed so that the image is oriented in the desired direction for the application of the sensor, as shown in FIG. 12v-1. The size b is determined mainly by the diameter of the probe element that is desired to be mounted in the functional element. The silica 19 is then etched through the available mask, whereby the size of the mask b is transferred to the structured layer of silica, forming a window 23, and the dioxide is used as a mask for subsequent etching of the groove in the single crystalline silicon substrate. The silicon pad 18 is then etched isotropically through the thus obtained mask of a structured layer of silica 19 having aperture size b, wet or dry, respectively, to form a region 24, whereby the size of this area expands to the size b 'as shown in FIGS. 12c-P.
След това през същата маска от силициев диоксид се извършва следващо анизотропно сухо ецване, при което прозореца 23 с размер Ь се проектира върху дъното на областта 24, като по този начин се образува вторична канавка 23’, която е част от дъното на съставна канавка 9, както е показано на увеличения детайл на фиг. 12в-П. Второто ецване се извършва при ниско налягане, като например реактивно йонно ецване (RIE).Subsequently, anisotropic dry etching is carried out through the same silica mask, whereby a window 23 of size b is projected onto the bottom of the area 24, thus forming a secondary groove 23 'which is part of the bottom of the composite groove 9 , as shown in the enlarged detail of FIG. 12c-P. Second etching is performed at low pressure, such as reactive ion etching (RIE).
За елемента за функционализиране съставна канавка 9, получена посредством маската с отвор 23 е съществено това, че оста й е с произволна ориентация, дълбочината й dt се определя от характеристиките на сондовия елемент 4 и от функцията на сензора, а дъното й е успоредно на повърхноста на подложката.For the functional element of the composite groove 9 obtained by means of the mask with an aperture 23, it is essential that its axis is of arbitrary orientation, its depth d t is determined by the characteristics of the probe element 4 and the function of the sensor, and its bottom is parallel to the surface of the pad.
По-нататък се изпълнява същественият за метода от изобретението процес на съвместяване, при който фотолитографски определеното изображение във фоторезист се съвместява към вече съществуващите елементи за функционализиране, така че елементите заFurther, an essential process of alignment is performed for the method of the invention, in which the photolithographically determined image in a photoresist is aligned with the already existing functional elements so that the elements for
функционализиране да пресичат едностранно околните стени на съответните издадени части на сондовия край.functionalize to intersect unilaterally the surrounding walls of the corresponding protruding portions of the probe end.
Когато се желае получаването на сензори за сканираща сондова микроскопия с пиезорезистивна детекция и съответно се използват пластини с п-тип на легиране, в които предварително са получени повърхностни силнолегирани области и пиезорезистивни области в канавки, намиращи се в галваничен контакт, при разполагането на фотолитографските маски за ецване върху повърхността на пластината при реализиране на всички от изброените по-горе варианти на метода за получаване на елементи за функционализиране, допълнително се извършва съвместяване на тези маски към предварително получените върху силициевата пластина пиезорезистивни и силнолегирани области.Where it is desired to obtain piezoresistive scanning probe microscopy sensors and, accordingly, n-type alloy plates are used in which surface high-alloyed areas and piezoresistive areas in galvanically contacted ditches have been obtained in advance by photolithographic placement for etching on the surface of the plate in the implementation of all of the above variants of the method of obtaining elements for functionalization, further combining of these masks to piezoresistive and highly alloyed areas obtained previously on the silicon wafer.
На фиг. 13а е показана структурата получена след извършване на процесите на повърхностното структуриране, при което отделните елементи, като тялото 1, микроконзолата 2, сондовия край 6 и елемента за функционализиране 10, се оформят едновременно посредством вертикално ецване в защрихованите области 25 до зададена дълбочина az през съвместена към предварително получените елементи за функционализиране канавки 7 или 9, фотолитографски дефинирана маска.In FIG. 13a shows the structure obtained after performing surface structuring processes, whereby individual elements such as the body 1, the microconsole 2, the probe end 6 and the functional element 10 are formed simultaneously by vertical etching in the shaded regions 25 to a predetermined depth a z through combined with pre-received ditches 7 or 9, photolithographically defined mask.
Във варианта на метода за получаване на сензори с пиезорезистивна детекция, подобни на показания на фиг. 10а сензор, допълнително се осигурява и съвместяването на микромеханичните елементи микроконзола 2 със свързваща част 5 и сондов край 3, към повърхностно силнолегираните области 13 и към областите с пиезорезистивни свойства 14, както е показано на фиг. 136.In a variant of the method for producing piezoresistive detection sensors similar to that shown in FIG. 10a sensor, additionally providing for the alignment of the micromechanical elements of the microcontroller 2 with the connecting part 5 and the probe end 3, to the highly alloyed regions 13 and to the regions with piezoresistive properties 14, as shown in FIG. 136.
Тъй като съвместяването между двата фотолитографски структурирани слоя, формиращи обединените еластични структури, допуска широк толеранс, така получените сензори са с възпроизводими параметри.Since the alignment between the two photolithographically structured layers forming the combined elastic structures allows for wide tolerance, the sensors thus obtained have reproducible parameters.
За специалистите в областта е ясно, че тези процеси могат да се реализират по различни начини, като в метода от изобретението предпочитано е използването на обичаен позитивен фоторезист, нанесен по обичайния метод на центробежно разстилане. Видът и формата на възможните специфично оформените плоски еластични елементи, които могат да се получат в този етап, не са ограничени.It will be appreciated by those skilled in the art that these processes can be accomplished in various ways, and in the method of the invention it is preferable to use a conventional positive photoresist applied by the conventional centrifugal spreading method. The type and shape of the possible specially shaped flat elastic elements which may be obtained at this stage are not limited.
Получените след ецването на дълбочина dt елементи за функционализиране във формата на V-образни 7 или съставни 9 канавки върху новоформирани плоски еластичниObtained after the etching depth d t elements for functionalization in the form of V-shaped or 7 compound 9 ditches on newly formed flat elastic
микромеханични структури, лежащи в една равнина, са показани в аксонометричен вид на фиг. 14а и на увеличените детайли на фиг. 146 и фиг. 14в. Както вече бе посочено, когато оста на канавката е в направление {110}, такава канавка е V-образна, докато във всички останали случаи тя е съставна.micromechanical structures lying in one plane are shown in axonometric form in FIG. 14a and the enlarged details of FIG. 146 and FIG. 14c. As already stated, when the groove axis is in the {110} direction, such groove is V-shaped, while in all other cases it is composite.
Видът на пресечената от елемента за функционализиране V-образна канавка 7 околна стена 8 на свободния сондов край 6 е показан на фиг. 146. Съществена особеност на метода от изобретението е това, че дълбочината на V-образните канавки d, и определеното от нея разполагане на сондовия елемент се определя от ширината им а. В частност, когато зададената от фотолитографскато структуриране ширина на зоната в силициевия диоксид е с размер а, и дълбочината на ецване на микроконзолата az е такава, че е в сила равенството аг = a. tg 54.7° (14) то в този случай дълбочината dt на канавката 7 е равна на половината от дебелината на микроконзолата az.The cross-sectional view of the V-shaped groove 7 surrounding wall 8 of the free probe end 6 is shown in FIG. 146. An essential feature of the method of the invention is that the depth of the V-shaped grooves d, and the position of the probe element determined by it, are determined by their width a. In particular, when the width of the zone in the silicon dioxide given by photolithographic structuring is of size a and the etching depth of the microcontroller a z is such that the equality a r = a is valid. tg 54.7 ° (14) then in this case the depth d t of the groove 7 is equal to half the thickness of the micro-bracket a z .
В резултат на това, методът от това изобретение създаде неочакваната възможност за получаване на канавки с възпроизводими параметри, включително с хоризонтално дъно, разположено на зададено отстояние от повърхноста на подложката, в средата по дебелината az на свободния сондов край 6.As a result, the method of this invention created the unexpected possibility of obtaining grooves with reproducible parameters, including a horizontal bottom, at a predetermined distance from the surface of the substrate, in the middle at a thickness a z of the free probe end 6.
Видът на пресечената от елемента за функционализиране съставна канавка 9 околна стена 8 на свободния сондов край 6 е показан на фиг. 14в. Съществена особеност на такава структура, получена по метода съгласно настоящото изобретение е това, че ориентацията й може да бъде произволна. При това се получава обща плоска структура на сондовия край 6 с елемента за функционализиране съставна канавка 9. Тази обединена структура позволява монтирането на разнообразни хетерогенни сондови елементи, разположени в различни направления, имащи различни функционални характеристики.The cross-sectional view of the component groove 9 surrounding wall 8 of the free probe end 6 is shown in FIG. 14c. An essential feature of such a structure obtained by the method of the present invention is that its orientation may be arbitrary. This produces a common planar structure of the probe end 6 with the functional groove element 9. This combined structure allows the installation of a variety of heterogeneous probe elements arranged in different directions having different functional characteristics.
В един предпочитан вариант на изпълнение на метода от изобретението, когато сензорът съдържа както елемент за функционализиране V-образна канавка 7, или съставна канавка 9, така и отвор 10 във формата на права триъгълна призма, какъвто притежават сензорите, показани на фиг. 7а, фиг. 8а, фиг. 86 и фиг. 9а, елементът за функционализиране отвор 10 се съвместява към елементите за функционализиране канавки така, че в отвора 10 да се разполага мислената пресечна точка А на осите на елементите за функционализиране канавки, създадени вече върху обработваната монокристална силициева структура, а последователното ецване на слоя силициев диоксид и подложката се извършва до зададената дълбочина az. По-нататък така получената еластична структура се обработва аналогично на другите сензори, предмет на настоящото изобретение.In a preferred embodiment of the method of the invention, when the sensor comprises both a functional element V-shaped groove 7 or a compound groove 9, and an opening 10 in the form of a right triangular prism as the sensors shown in FIG. 7a, FIG. 8a, FIG. 86 and FIG. 9a, the functional element of the aperture 10 is aligned with the functionalities of the grooves so that in the aperture 10 there is a planed intersection point A of the axes of the functionalizing grooves already created on the processed single crystalline silicon structure and the sequential etching of the silicon layer and the pad is made to the specified depth a z . Further, the elastic structure thus obtained is treated similarly to the other sensors of the present invention.
Когато се желае получаването на сензори за сканираща сондова микроскопия с пиезорезистивна детекция след изпълнението на описаните до тук процеси допълнително се осъществяват процеси за метализация, при които в контакт със силнопроводящите области, върху сондовата част, микроконзолата и тялото на сензора се получават свързващи метални пътеки с изводи. Тези процеси за метализация се изпълняват по познатите на специалистите в областта начини.When it is desired to obtain sensors for scanning probe microscopy with piezoresistive detection, after performing the processes described above, metallization processes are further carried out, in which contact metal paths are obtained on the probe part, microcontroller, and body of the sensor in contact with the probe part, microcontroller conclusions. These metallization processes are performed in ways known to those skilled in the art.
Обемно микроструктуриране на еластичните микромеханични структуриBulk microstructuring of elastic micromechanical structures
Така обработената монокристална силициева структура се подлага на процесите на фотолитографско структуриране на слоя силициев диоксид на задната повърхност на подложката, последващо обемно ецване на задната страна на силициевата пластина до достигане на предварително зададена дебелина на остатъчния слой и освобождаване на еластичните микромеханични елементи от връзка със силициевата основа, което може да бъде направено по всеки известен в областта начин. При това, по време на обемното структуриране се получава и спомагателна носеща планарна структура, която свързва странично и задържа отделните сензори един към друг, получавани обичайно едновременно върху една подложка в един технологичен цикъл.The thus treated single crystalline silicon structure is subjected to photolithographic structuring processes of the silicon dioxide layer on the back surface of the substrate, subsequent bulk etching on the back side of the silicon wafer to achieve a predetermined thickness of the residual layer and release of the elastic elastic elements from the elastic elastic elements a foundation that can be done in any manner known in the art. In addition, during the bulk structuring, an auxiliary supporting planar structure is obtained, which laterally connects and holds the individual sensors to each other, normally obtained simultaneously on one substrate in one technological cycle.
Поставяне и позициониране, включително самопозициониране на хетерогенните сондови елементи с последващо фиксиране към дъното на елементите за функционализиранеPositioning and positioning, including self-positioning of heterogeneous probe elements with subsequent fixation to the bottom of the functional elements
В елементите за функционализиране на получените в предходния етап еластични микромеханични елементи след това се поставят и самопозиционират хетерогенните сондови елементи, а след това хетерогенните сондови елементи се фиксират към дъното на елементите за функционализиране.In the functionalizing elements of the elastic micromechanical elements obtained in the previous step, the heterogeneous probe elements are then inserted and self-positioned, and then the heterogeneous probe elements are fixed to the bottom of the functionalizing elements.
Изпълнението на процеса на поставяне и позициониране на сондови елементи в елементите за функционализиране, е възможно по разнообразни, известни на специалистите в областта начини. На фиг. 15а е показан един особено предпочитан начин за получаване на сензор с продълговат хетерогенен сондов елемент, с използване на елемент за функционализиране V-образна канавка 7. В канавката се поставя продълговат хетерогенен сондов елемент 4 с цилиндрична форма и с малък диаметър, в случая въглеродна нанотръба (CNT) или сноп от такива нанотръби. Могат да бъдат използвани и други елементи, например борни или бор-нитридни нанотръби, нанокристали, нанонишки, наножици, или елементи със сложна конфигурация, имащи продълговата цилиндрична част. Тъй като диаметърът на въглеродната нанотръба е многократно, типично няколкостотин до хиляда пъти, по-малък от ширината а на канавката, нанотръбата се позиционира към дъното на канавката или самопозиционира и попада сама на това дъно, както е показано на фиг. 156. В особено предпочитания вариант със самопозициониране е достатъчно преди поставянето, сондовият елемент въглеродна нанотръба да се позиционира по отношение на ширината наThe implementation of the process of inserting and positioning probe elements in the functional elements is possible in a variety of ways known to those skilled in the art. In FIG. 15a shows a particularly preferred method of producing a sensor with a longitudinal heterogeneous probe element, using a functional element V-shaped groove 7. In the groove, a heterogeneous probe element 4 of cylindrical shape and of small diameter, in the case of a carbon nanotube, is inserted into the groove (CNT) or a bundle of such nanotubes. Other elements may be used, for example boron or boron nitride nanotubes, nanocrystals, nanowires, nanowires, or complex configuration elements having an elongated cylindrical portion. Since the diameter of the carbon nanotube is multiple, typically several hundred to a thousand times smaller than the width a of the groove, the nanotube is positioned at the bottom of the groove or self-positioned and falls on that bottom itself, as shown in FIG. 156. In the particularly preferred self-positioning variant, it is sufficient before positioning the carbon nanotube probe element to be positioned relative to the width of the carbon nanotube.
канавката с точност, равна на половината от размера а.the ditch with an accuracy equal to half the size a.
По аналогичен начин се извършва позиционирането на продълговатия цилиндричен хетерогенен сондов елемент, когато формираният елемент за функционализиране в еластичния микромеханичен елемент е съставна канавка 9. При това е достатъчно преди поставянето, тръбата да се позиционира по отношение на ширината на канавката с точност, равна на половината от размера Ь’ на съставната канавка.Similarly, the positioning of the elongated cylindrical heterogeneous probe element is carried out when the formed functional element in the elastic micromechanical element is a composite groove 9. It is sufficient before positioning that the pipe is positioned with respect to the width of the groove to an accuracy equal to half. of the size b 'of the compound groove.
Позиционирането на хетерогенните сондови елементи в елементи за функционализиране отвори 10 се извършва, като първоначално сензорът се ориентира вертикално, така че вътрешният ръб на призматичния отвор, съдържащ точка А през която ще преминава сондовият елемент, да е най-ниско разположена по отношение на околните стени на отвора. След това сондовия елемент се вкарва с избрания микроманипулатор в отвора и се позиционира или самопозиционира към най-ниско разположения вътрешен ръб. При това е достатъчно преди поставянето, нанотръбата да се позиционира по отношение на отвора с точност, равна на половината от размера на страната на тръгълната призма.The positioning of the heterogeneous probe elements in the functionalities of the apertures 10 is carried out by initially orienting the sensor vertically so that the inner edge of the prismatic aperture containing the point A through which the probe element will pass is at the lowest position relative to the surrounding walls of the hole. The probe element is then inserted with the selected micromanipulator into the orifice and positioned or self-positioned to the lowest located inner edge. However, it is sufficient before positioning the nanotube to be positioned with respect to the hole with an accuracy equal to half the size of the side of the prism.
След поставянето на продълговатите цилиндрични хетерогенни сондови елементи, те се фиксират към дъното на канавките посредством нанасянето на подходящо покритие 26. Необходимо е покритието 26 да има добра адхезия към материала на елемента за функционализиране - канавките 7, 9 или отвора 10, както е показано на фиг. 16а.After placing the elongated cylindrical heterogeneous probe elements, they are fixed to the bottom of the ditches by applying a suitable coating 26. It is necessary for the coating 26 to have good adhesion to the material of the functional element - the ditches 7, 9 or the opening 10, as shown in FIG. 16a.
При позиционирането на хетерогенния сондов елемент 4 по оста на елемента за функционализиране 7, 9 или 10, предварително се задава дължината 1Р на частта от сондовия елемент 4, която се разпростира извън сондовия край.When positioning the heterogeneous probe element 4 along the axis of the functional element 7, 9, or 10, a length of 1 P of the portion of the probe element 4 extending beyond the probe end is pre-set.
В едно предпочитано изпълнение на метода от изобретението, показано на фиг. 166, покритието 26 се нанася в канавката 7 върху вече поставения и позициониран към дъното йIn a preferred embodiment of the method of the invention shown in FIG. 166, the coating 26 is deposited in the groove 7 on the already positioned and positioned at its bottom
цилиндричен сондов елемент 4. В зависимост от удобството за реализация, фиксирането на сондовите елементи може да бъде извършено по избор чрез различни методи и с използването на подходящо за всеки сондов елемент количество материал.cylindrical probe element 4. Depending on the ease of implementation, the fixation of the probe elements can be accomplished optionally by different methods and by using an appropriate amount of material for each probe element.
По аналогичен начин се работи и в другия предпочитан начин на изпълнение на метода, когато CNT, снопове от CNT или други сондови елементи 4 с подходящи свойства, се фиксират посредством нанасянето на подходящо покритие 26, имащо добра адхезия към материала на съставната канавка 9, както е показано на фиг. 16в. В зависимост от удобството за реализация, фиксирането на сондовите елементи може да бъде извършено по избор чрез различни методи и с използването на подходящо за всеки сондов елемент количество материал от покритието 26.Similarly, in another preferred embodiment of the method, the CNTs, CNT bundles or other probing elements 4 having suitable properties are fixed by applying a suitable coating 26 having good adhesion to the material of the composite groove 9, as is shown in FIG. 16c. Depending on the ease of implementation, the fixation of the probe elements may be optionally accomplished by different methods and by using a suitable amount of coating material for each probe element 26.
Сондови елементи могат да се монтират към елементите за функционализиране включително чрез известните от състоянието на техниката методи за фиксиране, като локална заварка с електронен сноп в камерата на сканиращ електронен микроскоп, както и всеки друг известен и приложим метод. Тези алтернативи се използват особено за реализиране на закрепването на сондовия елемент 4’” в отворите 10 с форма на права триъгълна призма.Probe elements may be mounted on the functional elements including by known state-of-the-art fixation methods such as local electron beam welding in the scanning electron microscope camera and any other known and applicable method. These alternatives are particularly used to realize the attachment of the probe element 4 '' to the openings 10 in the form of a right triangular prism.
По описаният начин могат да бъдат поставяни и фиксирани произволни самостоятелни сондови елементи или снопове от такива елементи, имащи подходящи за конкретното приложение свойства. При това, в микроконзолните структури със съвместени към тях елементи за функционализиране могат да се монтират различни сондови елементи.In this manner, arbitrary stand-alone probe elements or bundles of such elements having suitable application-specific properties may be affixed and fixed. In addition, different probe elements can be mounted in the micro-console structures with their associated functional elements.
Накрая, готовите сензори се отделят от носещата ги спомагателна планарна структура, като това може да стане по различни начини, известни в областта.Finally, the ready-made sensors are separated from the supporting auxiliary planar structure, which can be done in various ways known in the art.
1. Сензор за сканираща сондова микроскопия, който включва оформениA scanning probe microscope sensor comprising molded
Claims (13)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG110480A BG66424B1 (en) | 2009-09-29 | 2009-09-29 | Sensors for scanning probing microscopy, a method of three-dimensional measuing and a method for producing such sensors |
| PCT/BG2010/000016 WO2011038470A1 (en) | 2009-09-29 | 2010-09-27 | Sensors for scanning probe microscopy, method for three-dimensional measurement and method for manufacturing such sensors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG110480A BG66424B1 (en) | 2009-09-29 | 2009-09-29 | Sensors for scanning probing microscopy, a method of three-dimensional measuing and a method for producing such sensors |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG110480A true BG110480A (en) | 2011-03-31 |
| BG66424B1 BG66424B1 (en) | 2014-03-31 |
Family
ID=43234221
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG110480A BG66424B1 (en) | 2009-09-29 | 2009-09-29 | Sensors for scanning probing microscopy, a method of three-dimensional measuing and a method for producing such sensors |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG66424B1 (en) |
| WO (1) | WO2011038470A1 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BG66806B1 (en) * | 2014-04-29 | 2018-12-31 | „Амг Технолоджи“ Оод | CONTACT MICROELECTROMECHANICAL SENSOR AND METHOD FOR DETERMINING ITS POSITION |
| FR3042905B1 (en) * | 2015-10-23 | 2018-11-16 | Vmicro | DEVICE AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM WITH LOW IMPEDANCE RESISTIVE TRANSDUCER |
| EP3704495B1 (en) * | 2017-11-01 | 2022-10-05 | Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO | Probe, method of manufacturing a probe and scanning probe microscopy system |
| RU2716850C1 (en) * | 2019-07-18 | 2020-03-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" | Scanning probe of atomic-force microscope with separable remote-controlled nanocomposite radiating element doped with upconverting and magnetic nanoparticles of core-shell structure |
Family Cites Families (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE68903950T2 (en) | 1989-08-16 | 1993-07-01 | Ibm | PROCESS FOR THE PRODUCTION OF ULTRAFINE SILICON TIPS FOR AFM / STM PROFILOMETRY. |
| EP0413042B1 (en) | 1989-08-16 | 1992-12-16 | International Business Machines Corporation | Method of producing micromechanical sensors for the afm/stm profilometry and micromechanical afm/stm sensor head |
| JPH05196458A (en) | 1991-01-04 | 1993-08-06 | Univ Leland Stanford Jr | Piezoresistive cantilever beam structure for atomic force microscopy |
| US5321977A (en) | 1992-12-31 | 1994-06-21 | International Business Machines Corporation | Integrated tip strain sensor for use in combination with a single axis atomic force microscope |
| JPH06307852A (en) * | 1993-04-22 | 1994-11-04 | Olympus Optical Co Ltd | Integrated afm sensor and its manufacture |
| US5611942A (en) | 1995-03-02 | 1997-03-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method for producing tips for atomic force microscopes |
| JP2000516708A (en) | 1996-08-08 | 2000-12-12 | ウィリアム・マーシュ・ライス・ユニバーシティ | Macroscopically operable nanoscale devices fabricated from nanotube assemblies |
| US5729026A (en) | 1996-08-29 | 1998-03-17 | International Business Machines Corporation | Atomic force microscope system with angled cantilever having integral in-plane tip |
| US5856672A (en) | 1996-08-29 | 1999-01-05 | International Business Machines Corporation | Single-crystal silicon cantilever with integral in-plane tip for use in atomic force microscope system |
| US5918274A (en) * | 1997-06-02 | 1999-06-29 | International Business Machines Corporation | Detecting fields with a single-pass, dual-amplitude-mode scanning force microscope |
| US6528785B1 (en) | 1998-12-03 | 2003-03-04 | Daiken Chemical Co., Ltd. | Fusion-welded nanotube surface signal probe and method of attaching nanotube to probe holder |
| US6346189B1 (en) | 1998-08-14 | 2002-02-12 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Carbon nanotube structures made using catalyst islands |
| US6146227A (en) | 1998-09-28 | 2000-11-14 | Xidex Corporation | Method for manufacturing carbon nanotubes as functional elements of MEMS devices |
| US20060156798A1 (en) | 2003-12-22 | 2006-07-20 | Vladimir Mancevski | Carbon nanotube excitation system |
| US6401526B1 (en) | 1999-12-10 | 2002-06-11 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Carbon nanotubes and methods of fabrication thereof using a liquid phase catalyst precursor |
| US6871528B2 (en) | 2002-04-12 | 2005-03-29 | University Of South Florida | Method of producing a branched carbon nanotube for use with an atomic force microscope |
| JP2006125846A (en) * | 2004-10-26 | 2006-05-18 | Olympus Corp | Cantilever |
| DE502004003241D1 (en) * | 2004-12-14 | 2007-04-26 | Nanoworld Ag | Atomic force probe with an EBD scanning tip. |
| KR20080006911A (en) | 2006-07-14 | 2008-01-17 | 전자부품연구원 | Cantilever probe for atomic force microscopy and its manufacturing method |
| DE102007031112A1 (en) | 2007-06-27 | 2009-01-02 | Technische Universität Ilmenau | Apparatus and method for investigating surface properties of various materials |
-
2009
- 2009-09-29 BG BG110480A patent/BG66424B1/en unknown
-
2010
- 2010-09-27 WO PCT/BG2010/000016 patent/WO2011038470A1/en not_active Ceased
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2011038470A1 (en) | 2011-04-07 |
| BG66424B1 (en) | 2014-03-31 |
| WO2011038470A4 (en) | 2011-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tortonese | Cantilevers and tips for atomic force microscopy | |
| US9709597B2 (en) | Miniaturized cantilever probe for scanning probe microscopy and fabrication thereof | |
| Hurley | Contact resonance force microscopy techniques for nanomechanical measurements | |
| US20100257643A1 (en) | Ultrasoft atomic force microscopy device and method | |
| JP5770448B2 (en) | Methods and structures for characterizing atomic force microscope tips | |
| Gavan et al. | Effect of undercut on the resonant behaviour of silicon nitride cantilevers | |
| BG110480A (en) | Sensors for scanning probing microscopy, a method of three-dimensional measuing and a method for producing such sensors | |
| US7900506B2 (en) | Multi-dimensional standing wave probe for microscale and nanoscale measurement, manipulation, and surface modification | |
| US7442926B2 (en) | Nano tip and fabrication method of the same | |
| CN101339816B (en) | Two-dimensional micro-motion platform and micro-mechanical parameter testing method for atomic force microscope | |
| US9021897B2 (en) | Versatile, flexible, and robust MEMS/NEMS sensor for decoupled measuring of three-dimensional forces in air or liquids | |
| WO2009043368A1 (en) | Colloid-sensor for afm | |
| JP2009517656A (en) | Optical device with cantilever and method for making and using the same | |
| US11448664B2 (en) | Large radius probe | |
| Beyder et al. | Microfabricated torsion levers optimized for low force and high-frequency operation in fluids | |
| WO2018015835A1 (en) | Microcantilever sensors for combined microscopy | |
| Olfat et al. | A single-chip scanning probe microscope array | |
| Lodhi et al. | Piezoresistive Micropillar Sensors for Nano-Newton Cell Traction Force Sensing | |
| CN114026438B (en) | Torsion Wing Probe Assembly | |
| Yu et al. | A scanning probe microscope for surface measurement in nano-scale | |
| JP2001056281A (en) | Cantilever for scanning type probe microscope | |
| Sarov et al. | Realization of cantilever arrays for parallel proximity imaging | |
| JPH11326349A (en) | probe | |
| JPH1138020A (en) | Observation method of scanning probe microscope, probe for scanning probe microscope, and scanning probe microscope | |
| JPH11337562A (en) | Cantilever for scanning type probe microscope |