кантилевер с вискерным зондом и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Кантилевер для сканирующих приборов, содержащий кремниевый держатель, левер и монолитный с левером перпендикулярный к нему зонд, отличающийся тем, что держатель выполнен из кремниевой пластинки, покрытой слоем диоксида кремния, и этот слой покрыт слоем кремния, ориентированным по кристаллографической плоскости (111); левер выполнен из кремниевого слоя, ориентированного по (111); зонд выполнен из вискера, выращенного эпитаксиально к леверу.

2. Кантилевер по п.1, отличающийся тем, что зонд имеет ступенчатую форму, содержит нижнюю часть, служащую основанием, и верхнюю часть.

3. Кантилевер по п.2, отличающийся тем, что верхняя часть смещена к краю левера относительно центра основания, обе части имеют круговые и/или многоугольные сечения.

4. Кантилевер по п.2, отличающийся тем, что верхняя часть и основание зонда коаксиальны, верхняя часть эпитаксиальна по отношению к основанию, обе части имеют круговые и/или многоугольные сечения.

5. Кантилевер по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что диаметр основания зонда превосходит диаметр верхней части по крайней мере в 10 раз, верхняя часть зонда имеет диаметр менее 100 нм, радиус кривизны вершины зонда менее 10 нм, и высота зонда более 1 мкм.

6. Кантилевер по п.2, отличающийся тем, что верхняя часть зонда имеет расширение, диаметр которого по меньшей мере на 20% превышает диаметр остального участка верхней части зонда.

7. Кантилевер по п.6, отличающийся тем, что боковая поверхность расширения огранена.

8. Кантилевер по п.6, отличающийся тем, что после расширения зонд имеет сужение, причем вершина зонда заострена.

9. Кантилевер по п.1, отличающийся тем, что левер имеет П-образную и/или V-образную форму.

10. Кантилевер по п.1, отличающийся тем, что левер имеет продольную к нему полость.

11. Кантилевер по п.10, отличающийся тем, что левер содержит пьезорезистивный слой.

12. Кантилевер по п.11, отличающийся тем, что электрический контакт к пьезорезистивному слою выполнен посредством пленки кремния, легированной до уровня р⁺⁺.

13. Кантилевер по п.1, отличающийся тем, что обратная сторона левера имеет шероховатость менее 5 нм.

14. Кантилевер по п.1, отличающийся тем, что обратная сторона левера покрыта светоотражающим материалом.

15. Кантилевер по п.1, отличающийся тем, что он имеет по крайней мере два левера.

16. Кантилевер по п.15, отличающийся тем, что по крайней мере один левер находится с противоположной стороны держателя от другого.

17. Кантилевер по п.1, отличающийся тем, что зонд включает в себя как минимум один переход типа n-n⁺, р-р ⁺ или р-n.

18. Кантилевер по п.1, отличающийся тем, что он покрыт стабилизирующим материалом.

19. Кантилевер по п.18, отличающийся тем, что в качестве стабилизирующего материала используется силицид металла.

20. Кантилевер по п.1, отличающийся тем, что вершина зонда покрыта материалом с повышенной твердостью и/или пониженной работой выхода электронов.

21. Кантилевер по п.20, отличающийся тем, что материалом с повышенной твердостью служит алмаз или карбид кремния.

22. Кантилевер по п.20, отличающийся тем, что материалом с пониженной работой выхода электронов служат алмаз или алмазоподобное вещество.

23. Способ изготовления кантилевера для сканирующих зондовых приборов, включающий формирование держателя и левера из пластины кремния и создание на левере зонда, отличающийся тем, что сплавлением двух пластин кремния создают композиционную пластину с разделительным окисным слоем; из композиционной пластины формируют держатель и левер; выращивают кремниевый зонд в виде вискера, эпитаксиального леверу; полученный кантилевер отделяют от композиционной пластины.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что при создании композиционной пластины используют по крайней мере одну пластину, ориентированную по кристаллографической плоскости (111).

25. Способ по п.24, отличающийся тем, что после создания композиционной пластины

основную часть первой кремниевой пластины, имеющей кристаллографическую ориентацию (111), удаляют механическим и/или химическим путем с сохранением тонкого слоя (111);

на поверхностях кремния формируют окисную пленку;

часть второй пластины кремния удаляют травлением, причем из сохранившегося слоя первой кремниевой пластины с ориентацией (111) образуется мембрана;

на поверхностях кремния формируют окисную пленку;

из указанной мембраны формируют левер;

выращивают зонд в виде вискера, эпитаксиального леверу;

отделяют полученный кантилевер от пластины.

26. Способ по п.24, отличающийся тем, что после создания композиционной пластины

основную часть первой кремниевой пластины, имеющей кристаллографическую ориентацию (111), удаляют механическим и/или химическим путем с сохранением тонкого слоя (111);

из кремниевой пластины ориентации (111) формируют левер;

на поверхностях кремния формируют окисную пленку;

часть второй пластины кремния удаляют травлением, причем из сохранившегося слоя кремниевой пластины ориентации (111) образуется мембрана;

выращивают зонд в виде вискера, эпитаксиального леверу;

отделяют полученный кантилевер от пластины.

27. Способ по п.23, отличающийся тем, что перед отделением полученного кантилевера от пластины вискерный зонд заостряют.

28. Способ по п.23, отличающийся тем, что формируют левер П-образной и/или V-образной формы.

29. Способ по п.23, отличающийся тем, что формируют левер с продольной к нему полостью.

30. Способ по п.29, отличающийся тем, что при формировании левера пьезорезистивный слой и/или р⁺⁺-контакты на поверхности кантилевера создают посредством ионной имплантации.

31. Способ изготовления вискерного зонда ступенчатой формы для сканирующих приборов, содержащего нижнюю часть, служащую основанием, и верхнюю часть, путем выращивания вискера по механизму пар-жидкость-кристалл на монокристаллической подложке кремния кристаллографической ориентации (111) с использованием металла-растворителя, отличающийся тем, что создают расширение на верхней части зонда изменениями температуры выращивания и/или концентраций кремнийсодержащих соединений и/или транспортирующего агента в паро-газовой смеси и/или давления паро-газовой смеси и/или путем добавления металла-растворителя на вершину нитевидного кристалла или его удаления.

32. Способ по п.31, отличающийся тем, что после расширения верхней части зонда создают его сужение.

33. Способ по любому из пп.31, 32, отличающийся тем, что закристаллизовавшуюся глобулу сплава кремния с металлом-растворителем, которая формируется на вершине вискера, удаляют посредством химического травления, причем происходит заострение вискера.

34. Способ по п.33, отличающийся тем, что образовавшееся острие обрабатывают анизотропным по отношению к кремнию химическим травителем до образования граней на его боковой поверхности.

35. Способ изготовления вискерного зонда ступенчатой формы для сканирующих приборов, содержащего нижнюю часть, служащую основанием, и верхнюю часть, путем выращивания вискера по механизму пар-жидкость-кристалл на монокристаллической подложке кремния кристаллографической ориентации (111) с использованием металла-растворителя, отличающийся тем, что в качестве металла-растворителя используют жидкий сплав, содержащий по крайней мере два металла.

36. Способ по п.35, отличающийся тем, что металлы, составляющие жидкий сплав, различаются по упругости пара не менее, чем на один порядок величины.

Приоритет по пунктам:

13.05.1998 по пп.1-8, 18-27, 32-34;

06.11.1998 по пп.31, 35, 36;

13.05.1999 по пп.9-17, 28-30.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к аппаратуре и методу формирования тонких кантилеверов для использования в микроскопах атомных сил и в других микроскопных системах.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сканирующий туннельный микроскоп (сокращенно СТМ) - зондовый прибор, способный формировать изображения твердых поверхностей с высоким линейным и пространственным разрешениями. Это достигается использованием острия с малым радиусом закругления (зонда), который перемещают над поверхностью на малых расстояниях над нею, причем регистрируют туннельный ток, протекающий между зондом и поверхностью.

Микроскоп атомных сил (сокращенно MAC) - зондовый прибор, который содержит кантилевер (кронштейн), состоящий из держателя, левера (рычага) и острийного зонда, причем зонд располагается на левере и имеет атомные размеры по крайней мере в одном измерении. Кантилевер перемещают над твердой поверхностью, и он формирует изображения путем регистрации различных сил взаимодействия (ван-дер-Ваальсовых, электростатических, магнитных и др).

В этом инструменте чувствительность измерения и качество изображений решающим образом зависят от характеристик и параметров всего кантилевера, также как и зонда, прежде всего от его детальной формы.

Известен кантилевер («стилус») для MAC, у которого левер и монолитный с ним зонд сформирован из аморфного изолятора, например нитрида кремния, причем зонд имеет форму тераэдральной пирамиды с углами у вершины около 110° [1]. Такие зонды непригодны для исследований грубых нерегулярных поверхностей.

Известен кантилевер для MAC, состоящий из монокристаллического кремниевого острийного зонда на монокристаллическом кремниевом левере. У такого кантилевера зонд имеет коническую форму по всей своей длине, включая его вершину, причем вершина имеет угол 20-30°, Фиг.1 [2]. Такая форма зонда ограничивает возможности использовать кантилеверы для детальных исследований микроэлектронных структур, например, канавок с вертикальными стенками [3-5]: в таких исследованиях важно, как правило, исследовать одновременно морфологию и вертикальных стенок, и дна канавок. Вблизи нижних углов канавок образуются «мертвые зоны» и, таким образом, конические зонды непригодны (Фиг.2).

На первый взгляд, возможно изучать канавки с вертикальными стенками, если использовать цилиндрические зонды малого диаметра. Однако разрешающая способность таких зондов и возможность приблизиться к стенкам ограничена, поскольку с уменьшением диаметра зонда его вибрационная стабильность катастрофически ухудшается.

Проблема вибрации зонда может быть решена, если цилиндрическую часть зонда скомбинировать с массивным основанием, т.е. если зонд имеет «ступенчатую» форму. Такой зонд может быть создан посредством выращивания кристаллического «вискера» (нитевидного кристалла) по механизму пар-жидкость-кристалл [6], как было описано в работе [7], если его нижнюю часть выращивать при более высокой, а верхнюю часть - при более низкой температуре. Однако такой подход страдает от того факта, что при более низкой температуре кристаллизации кристаллографическое качество вискеров ухудшается, так что прочность верхней части зонда может понизиться. Это нежелательно для таких применений как MAC.

Известен метод создания ультратонких кремниевых зондов для МАС/СТМ путем травления микроструктур, изготовленных из монокристаллического кремния посредством фотолитографии [8]. Острийные стержни («зонды») создают реактивным ионным травлением. Нечто подобное базе создают в нижней части зонда, чтобы устранить вибрации. Однако предложенный метод не позволяет достичь требуемых/необходимых соотношений верхней (цилиндрическое острие) и нижней (утолщенное основание) частей зонда, что подтверждается чертежами приведенными в патенте [8].

Хорошие соотношения между верхней и нижней частями зонда достигнуты в [9], см. Фиг.3, где ступенчатый зонд сформирован с помощью фокусированных ионных пучков. Однако этот метод сложен в исполнении и дорог.

В настоящем изобретении мы предлагаем более простой и дешевый метод изготовления зондов со ступенчатой структурой. Метод основан на кристаллических вискерах, выращенных посредством процесса пар-жидкость-кристалл (ПЖК). Наш метод использует специальную структуру кремния-на-изоляторе (КНИ), которая позволяет изготовлять кремниевые кантилеверы, ориентированные вдоль кристаллографической грани (111), необходимой для выращивания вискеров по ПЖК механизму.

Известен метод изготовления кантилеверов с использованием структуры КНИ, где окисный слой, расположенный между двумя кремниевыми пластинками, используется как стоп-слой в процедуре травления [10]. В этом методе держатель и слой кантилевера создают одновременно. Композитная КНИ структура содержит слой, из которого в дальнейшем создают левер и зонд и который легко травится анизотропно в жидком травителе. В частности, рассматривается вариант, когда зонд создается из кремниевой пластинки, ориентированной вдоль кристаллографической грани (100).

Метод [10] проиллюстрирован на Фиг.4.

В настоящем изобретении используется пластинка, ориентированная вдоль грани (111). Известно, однако, что такая грань с трудом травится даже в плазменном («сухом») процессе, а тем более во влажном процессе травления, который используется в патенте [10]. В настоящем изобретении композитная КНИ структура содержит по крайней мере одну пластину (111), которая специально используется для формирования левера и, в дальнейшем, зонда.

Недостаток патента [10] и большинства других методов изготовления кантилеверов состоит в том, что формирование держателя, левера и самого зонда проводится в сложном технологическом цикле. Это сильно ограничивает возможности создания зондов специальных форм.

Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что здесь создание самого зонда отделено от создания держателя («подставки») и левера. В такой технологии создание зонда не зависит от процессов создания держателя и левера.

Настоящее изобретение позволяет создавать зонд ступенчатой формы, показанный на Фиг.5.

Дополнительное преимущество левера (111), используемого в настоящем изобретении, состоит в том, что обратную сторону левера можно прекрасно отполировать анизотропным химическим травлением, что улучшает качество измерений.

Настоящее изобретение определяет конструкцию зонда, сформированного на кантилевере (111), а также метод его изготовления. Цель изобретения состоит в создании кантилевера (111) для использования в сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), которая включает и СТМ, и MAC.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно данному изобретению, предлагается создавать кантилевер для сканирующих зондовых приборов, который состоит из кремниевого держателя, левера и зонда, монолитного с левером и ему перпендикулярного, причем левер выполнен из кремниевого слоя, ориентированного по грани (111), а зонд выполнен из вискера, эпитаксиального леверу.

Зонд имеет ступенчатую форму, содержит нижнюю часть, которая служит базисом, и верхнюю часть, причем верхняя часть смещена к краю левера по отношению к центру базиса. Обе части имеют круглое и/или полигональное поперечные сечения. Базис и верхняя часть коаксиальны, и верхняя часть эпитаксиальна по отношению к базису. Диаметр базиса превосходит диаметр верхней части по меньшей мере в 10 раз, причем диаметр верхней части менее 100 нанометров, радиус кривизны зонда менее 10 нанометров, а высота зонда более 1 микрометра.

Кантилевер согласно вышесказанному, где верхняя часть зонда имеет расширение, причем диаметр расширения превосходит диаметр другой части верхней части по крайней мере на 20%. Поверхность расширения может быть огранена. После расширения следует сужение, а вершина зонда может быть заострена.

Держатель выполнен из кремниевой пластинки, покрытой слоем двуокиси кремния, а этот слой покрыт слоем кремния, ориентированным вдоль кристаллографической плоскости (111). Держатель представляет пластинку кремния, ориентированную вдоль кристаллографической плоскости (111). Левер имеет П-образную и/или V-образную форму. Левер содержит продольную к его длине полость. Левер содержит пьезорезистивный слой. Электрический контакт к пьезорезистивному слою выполнен кремниевой пленкой, легированной до уровня р ⁺⁺.

Обратная сторона левера имеет шероховатость менее 5 нанометров и покрыта светоотражающим материалом.

Кантилевер содержит по крайней мере два левера, причем по крайней мере один левер расположен на стороне держателя, противоположной другому леверу.

Зонд включает по меньшей мере один n-n⁺ , p-p⁺ или р-n переход.

Зонд покрыт стабилизирующим материалом, причем в качестве такового используются силициды металлов.

Вершина зонда покрыта твердым материалом и/или материалом, снижающим работу выхода электронов. В качестве твердого материала используются алмаз или карбид кремния, а в качестве материала, снижающего работу выхода электронов, используются алмаз или алмазоподобный углерод.

Предлагается также метод изготовления кантилевера для использования в сканирующих зондовых приборах. Метод включает формирование держателя и левера из кремниевой пластины и создание зонда на этом девере. Композитную пластину формируют сплавлением двух кремниевых пластин с окисным слоем между ними. Держатель и левер формируют из этой композитной пластины, а кремниевый вискерный зонд создают эпитаксиальным выращиванием на левере. После этого кантилевер отделяют от композитной пластины.

При создании композитной пластины по меньшей мере одна из сплавляемых пластин ориентирована вдоль кристаллографической плоскости (111).

После создания композитной пластины основную часть первой из сплавленных пластин, ориентированной вдоль плоскости (111), удаляют механически и/или химически так, что еще остается тонкий слой (111). На кремниевых поверхностях создают окисный слой, и часть второй из сплавленных пластин удаляют травлением так, что из оставшегося тонкого слоя (111) формируется мембрана. Из этой мембраны создают левер, и на нем выращивают эпитаксиально вискерный зонд. Затем изготовленный кантилевер отделяют от композитной пластины.

В другом варианте метода после создания композитной пластины основную часть первой из сплавленных пластин, ориентированной вдоль плоскости (111), механически и/или химически удаляют так, что еще остается тонкий слой (111). Из этого кремниевого слоя, ориентированного вдоль плоскости (111), создают левер, и на кремниевых поверхностях создают оксидный слой. Часть второй из сплавленных пластин удаляют травлением так, что из оставшегося первого ориентированного слоя (111) формируется мембрана, и выращивают вискерный зонд, эпитаксиальный к леверу. Наконец, изготовленный кантилевер отделяют от композитной пластины.

Во всех этих вариантах вискерный зонд можно заострить до отделения кантилевера.

На кантилеверах можно создать П- и/или V-образный левер, равно как и левер с вытянутой вдоль него полостью. При создании левера пьезорезистивный слой и/или р⁺⁺ контакты к поверхности кантилевера формируют посредством ионной имплантации.

Иной вариант метода изготовления кантилевера для сканирующих зондовых приборов включает создание держателя и левера из кремниевой пластины, ориентированной вдоль кристаллографической плоскости (111). Эпитаксиальным выращиванием на девере формируют вискерный зонд, и после этого изготовленный кантилевер отделяют от композитной пластины.

Согласно этому методу, до того как создают держатель и левер, на одной из сторон кремниевой пластины (111) посредством электростатически экранированной индуктивно-связанной плазмы, содержащей газообразные фториды, формируют кремниевую мембрану. Вискерный зонд может быть заострен до отделения кантилевера. Формируют П- и/или V-образные левер и левер с вытянутой вдоль него полостью. При формировании левера пьезорезистивный слой и/или р⁺⁺ контакты на его поверхности создают посредством ионной имплантации.

В настоящем изобретении предлагается также метод изготовления кремниевого вискерного зонда ступенчатой формы, который состоит из нижней части (базиса, или основания) и верхней части, посредством выращивания по механизму пар-жидкость-кристалл на монокристаллической подложке кремния с кристаллографической ориентацией (111) с использованием металлического растворителя. На верхней части зонда создают расширение путем изменений температуры кристаллизации и/или концентрации кремний-содержащих газообразных соединений и/или транспортирующего агента в паро-газовой смеси и/или давления этой смеси и/или добавления растворителя на вершину вискера или его удаления. Затем, после расширения верхней части зонда, она может быть сужена.

Затвердевшую глобулу сплава кремния с металлическим растворителем на вершине вискера удаляют химическим травлением, причем вискер заостряется. После этого образовавшийся зонд обрабатывают анизотропным по отношению к кремнию травителем, причем на его поверхности образуются грани.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается метод изготовления кремниевого вискерного зонда, который состоит из нижней части, служащей базисом, и верхней части путем выращивания вискера по механизму пар-жидкость-кристалл на монокристаллической подложке кремния кристаллографической ориентации (111) посредством металлического растворителя, причем растворитель представляет собой сплав, состоящий по меньшей мере из двух металлов. Металлы различаются друг от друга давлениями паров более чем на порядок величины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг.1. Кантилевер, изготовленный согласно [2].

Фиг.2. Разные формы зондов, используемые при исследовании канавок согласно [5].

Фиг.3. Кантилевер, приготовленный согласно [9].

Фиг.4а, 4б, 4в, 4г, 4д. Иллюстрации метода приготовления кантилеверов согласно [10].

Сверху вниз показаны последовательные стадии изготовления кантилевера на основе КНИ структуры, которая состоит из двух соединенных кремниевых пластин, обе из которых имеют кристаллографическую ориентацию (100). 102 - первая кремниевая пластина ориентации (100); 104 - промежуточный окисный слой; 106 - вторая кремниевая пластина ориентации (100); 108 - подложка; 110 - маска для травления; 111 - базисная часть, из которой впоследствии будет создан левер; 112 - стенка из окиси кремния; 114 - базис, из которого впоследствии будет создан зонд; 116 - предлеверная часть; 118 - пленка окиси кремния; 120 - острийный зонд; 122 - подставка; 124 - V-образный левер; 124а - обратная сторона левера, покрытая металлической пленкой; 126 - кантилевер.

Фиг.5а, 5б. а - схема вискерного зонда ступенчатой формы; б - микрофотография вискерного зонда ступенчатой формы, приготовленного в соответствии с настоящим изобретением; 01 - свободный конец левера, на котором расположен зонд; 02 - нижняя («базисная») часть зонда; 03 - верхняя (узкая) часть зонда; D - диаметр базиса; d - диаметр верхней части; r - радиус кривизны острийного зонда.

Фиг.6а, 6б, бв, 6г. Схема превращения вискера с закристаллизовавшейся глобулой на его вершине в острие («заострение» вискера): а - начальная стадия; б - промежуточная стадия; в - конечная стадия; г - микрофотография предконечной стадии.

Фиг.7. Микрофотография ориентированных кремниевых вискеров, выращенных по механизму пар-жидкость-кристалл с расширением промежуточных участков.

Фиг.8а, 8б. Схема формирования вискера ступенчатой формы с расширением, выращенного по механизму пар-жидкость-кристалл: а - верхняя (узкая) часть до расширения; б - стадия расширения.

Фиг.9. Схема вискера с расширением после удаления глобулы.

Фиг.10. Схема канавки, расширяющейся ко дну.

Фиг.11а, 11б, 11в. Зонды для трехмерных измерений: а - схема вискера, растущего с расширением+сужением; б - схема того же вискера после заострения; в - микрофотография зонда для трехмерных измерений. 01 - подложка; 02 - базис вискера ступенчатой формы; 03 - верхняя (узкая) часть вискера; 05 - глобула на вискере ступенчатой формы; 08 - часть зонда с тремя остриями.

Фиг.12а, 12б. Кремниевый вискерный зонд, покрытый кристаллическим алмазом с последующим ионно-лучевым заострением алмазного покрытия: а - схема такого зонда; б - микрофотография алмазного зонда.

06 - тело кремниевого вискерного зонда; 09 - заостренное алмазное покрытие.

Фиг.13. Схема кремниевого зонда с карбидизированной вершиной; 10 - карбид кремния.

Фиг.14. Схема кремниевого вискерного зонда, покрытого силицидом металла; 11 - силицидное покрытие; 12 - бывшая граница кремния у силицированного зонда.

Фиг.15а, 15б. а- схема кремниевого кантилевера, изготовленного из КНИ структуры с комбинированными слоями (111) и (100) ориентации. Левер содержит пьезорезистивный слой, изготовленный ионной имплантацией. Левер содержит также продольную полость, которая делит его на части, причем каждая часть имеет электродные продолжения в теле держателя. Эти электродные продолжения имеют р⁺⁺ контакты; б - микрофотография МАС-зонда, изготовленного в соответствии с данным изобретением.

13 - пьезорезистивный слой; 14 - слой р⁺⁺, изготовленный ионной имплантацией; 15 - кремниевая пленка, ориентированная вдоль кристаллографической плоскости (111); 16 - разделяющий слой SiO₂; 17 - кремниевая пластинка, ориентированная вдоль кристаллографической плоскости (100).

Фиг.16. Вариант реализации метода согласно данному изобретению.

Фиг.17. Иной вариант реализации метода согласно данному изобретению.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1.

На Фиг.15 показан V-образный пьезорезистивный кантилевер, изготовленный при использовании КНИ структур. Здесь держатель кантилевера представляет собой кремниевую пластину; на которую нанесен слой двуокиси кремния, а поверх него - ориентированный вдоль кристаллографической плоскости (111) кремниевый слой, из которого выполнен кантилевер. Электрический контакт к пьезорезистивному кантилеверу осуществляется посредством кремниевой пленки, легированной до уровня р⁺⁺. Эта пленка имеет, как правило, толщину от 5 до 15 мкм. До такой толщины утоняют «первую» кремниевую пластинку (111), которую присоединяют («сплавляют») со второй при высоких температурах и давлениях с последующими механической шлифовкой+механической и/или химической полировкой (этот процесс называется «сплавление пластин=wafer bonding). Вискерный зонд создают на левере, причем зонд выполняют в форме острия ступенчатой формы (см. Фиг.5а). Левер, ориентированный вдоль плоскости (111), служит подложкой, а вискерный зонд ему перпендикулярен. Это объясняется тем, что в механизме пар-жидкость-кристалл (ПЖК), используемом для изготовления кремниевого зонда [б], кристалл растет наиболее плотно-упакованной кристаллографической плоскостью (111). Диаметр нижней части («базиса») вискерного зонда обычно составляет 2-5 мкм. Этот диаметр определяется выбранным размером частицы металлического растворителя, который обеспечивает локальный рост кристалла в соответствии с ПЖК механизмом. Диаметр верхней части вискерного зонда может быть значительно меньше, например, d=0.1 мкм=100 нанометров. Радиус кривизны вершины острия r составляет всего лишь 10 нанометров или меньше (Фиг.5а). Различные варианты приготовления кантилевера приведены на Фиг.16, 17.

Пример 2.

Процесс формирования вискеров, как отмечено выше, описан в патенте [6]. Если процесс выращивания вискера проводится на начальной стадии при более высокой, а затем при более низкой температуре, то образуется вискер ступенчатой формы (Фиг.8а).

Аналогичный эффект может быть получен, если при постоянной температуре кристаллизации кремниевого вискера концентрацию кремнийсодержащего газообразного соединения в газовой смеси сначала увеличить, а затем уменьшить. Таким путем возможно вырастить вискер с расширением его поперечного сечения, как показано на Фиг.8б.

В другом варианте для изготовления вискера такой формы количество металлического растворителя на вершине растущего кристалла сначала увеличивают (например, электрохимическим осаждением), а затем уменьшают (например, травлением).

В дальнейшем затвердевшую глобулу, содержащую смесь кристаллитов кремния и его растворителя (например, золота), удаляют с вершины вискера, например, химическим травлением тела кремниевого вискера.

Процесс выращивания вискера останавливают на начальной стадии, когда вискер расширяется. Кремниевый вискер, имеющий на вершине глобулу (Фиг.8б) окисляют во влажном или сухом кислороде при 900-950°С. Затем его обрабатывают в плавиковой кислоте или в водном растворе на ее основе. Наконец, его обрабатывают в смеси азотной и соляной кислоты. В результате глобула полностью удаляется, и на вершине вискера образуется плато, как показано на Фиг.9. Такой зонд может быть использован для исследования канавок, которые расширяются ко дну.

Пример 3.

Процесс выращивания вискера проводится со стадиями, когда он сначала расширяется, а затем сужается. Выращенный вискер обрабатывают химически раствором, который медленно травит кремний (например, смесью, которая содержит плавиковую, азотную, уксусную кислоты и достаточное количество воды). Как результат этого травления, глобула удаляется и, одновременно, формируется заостренный вискер (Фиг.6).

Характеристики острий, которые используют в сканирующих зондовых приборах, можно значительно улучшить, если их покрыть кристаллическим алмазом, который очень стоек к истиранию (что важно для применений в MAC) и малую работу выхода электронов (что важно для СТМ применений). Алмаз можно дополнительно заострить обработкой посредством «ионной мельницы», см. Фиг.12.

Пример 4.

В настоящем изобретении в качестве металла-растворителя используют жидкий сплав, состоящий из двух или более металлов, которые способны растворять, при температурах кристаллизации, не менее 1 ат.% кремния. В частности, была использована смесь золота и серебра. Оба эти металла при 900°С способны растворять от 30 до 50% кремния. В смеси растворимость того же порядка. На первой стадии выращивания процесс проводят при малой концентрации транспортирующего агента.

Затем концентрацию повышают в 5-10 раз и проводят выращивание вискера. Результат показан на Фиг.5.

В любом из описанных Примеров в дополнение к методу выращивания вискеров, описанному в [6], могут быть использованы методы, указанные в патентах [11-13].

Источники информации

1. T.R.Albrecht, Sh.Akamine, T.E.Carver, and M.J.Zdeblick, Method of forming microfabricated cantilever stylus with integrated pyramidal tip, US Pat. 5221415 (1993), C1. H 01 L/21.

2. O.Wolter, Th.Bauer, and J.Greschner, J.Vac.Sci.Technol. B9, 1353 (1991).

3. K.L.Lee, D.W.Abraham, F.Secord, and L.Landstein, Submicron Si trench profiling with an electron-beam fabricated atomic force microscope tip, J. Vac. Sci. Technol. B9, 3652-3568 (1991).

4. Y.Martin and H.K.Wickramasinghe, Method for imaging sidewalls by atomic forcemicroscopy, Appl. Phys. Lett. 64, 2498-2500 (1994).

5. D.Nyyssonen, L.Landstein, and E.Coombs, Two-dimensional atomic force microprobe trench metrology system, J. Vac. Sci. Technol. B9, 3612-3616 (1991).

6. E.I. Givargizov, Method and apparatus for growing oriented whisker arrays, Russian Patent №2099808, issued 20.12.1997 (priority April 01,1996), C1.

7. E.I.Givargizov, A.N.Kiselev, L.N.Obolenskaya, and A.N.Stepanova, Nanometric tips for scanning probe devices, Appl. Surf. Sci. 67, 73-81 (1993).

8. T.Bayer, J.Greschner, Y.Martin, H.Weiss, H.K.Wikramasinghe, and O.Wolter, Method of producing ultrafine silicon tips for AFM/STM profilometry, US Pat. 5242541 (1993), C1. H 01 L 21.

9. J.Thomton and M.Wendman, Digital Instruments Nanovations 4, No.1, p.4 (1994).

10. Katsuhiro Matsuyama (Olympus Optical Co., Ltd.) Cantilever for use in a scanning probe microscope and method of manufacturing the same, U.S. Pat. 5811017. Sep. 22, 1998, C1. H 01 L 21/306.

11. Yoshinori Terui, Ryuichi Terasaki, Method for producing single crystal, and needle-like single crystal, US Patent 5544617, Date of patent 13.08.1996

12. Didier Pribat et al, Method for the controlled growth of crystal whiskers and application thereof to the making of tip microcathodes, US Patent 5314569, Date of Patent 24.05.1994.

13. Michio Okajima et al, Fabrication method of fine structures, US Patent 5381753, Date of patent 17.01.1995