острийная структура для сканирующих приборов, способ ее изготовления и приборы на ее основе

Формула изобретения

1. Острийная структура для сканирующих приборов, содержащая по крайней мере один зонд, включающий, по крайней мере, один держатель и, по крайней мере, один левер, на конце которого размещено острие, отличающаяся тем, что зонд выполнен из непрозрачного для излучения материала и содержит прозрачный для излучения поверхностный слой, на поверхность зонда со стороны острия нанесено непрозрачное для излучения покрытие, на вершине острия указанное покрытие отсутствует, образуя нижнюю апертуру.

2. Острийная структура для сканирующих приборов по п.1, отличающаяся тем, что на поверхности зонда с обратной стороны от острия нанесено непрозрачное для излучения покрытие, причем на части такой поверхности зонда указанное непрозрачное для излучения покрытие отсутствует, образуя верхнюю апертуру.

3. Острийная структура для сканирующих приборов по п.1, отличающаяся тем, что на зонде со стороны, обратной от острия, имеется покрытие, хотя бы частично прозрачное для одного излучения и непрозрачное для другого.

4. Острийная структура для сканирующих приборов по п.3, отличающаяся тем, что под непрозрачным покрытием или вне его на поверхности острийной структуры и/или внутри нее имеется средство для генерации излучения и/или усиления излучения, падающего на его поверхность.

5. Острийная структура для сканирующих приборов по п.4, отличающаяся тем, на поверхности зонда или его части имеется люминесцирующий слой, эмитирующий излучение при прохождении через него каких-либо частиц и/или излучения.

6. Острийная структура для сканирующих приборов по п.1, отличающаяся тем, что вблизи нижней апертуры излучение проходит через, по крайней мере, один участок материала с показателем преломления, отличным от показателя преломления материала поверхностного слоя, по которому идет распространение излучения в зонде.

7. Острийная структура для сканирующих приборов по п.6, отличающаяся тем, что указанный, по крайней мере, один участок материала с иным показателем преломления находится в теле и/или на поверхности острия.

8. Острийная структура для сканирующих приборов по п.7, отличающаяся тем, что указанный, по крайней мере, один участок материала с иным показателем преломления является материалом образца и/или подложки, на которой тот находится.

9. Способ изготовления острийной структуры для сканирующих приборов, включающий создание зонда, включающего, по крайней мере, один держатель, по крайней мере, один левер, на конце которого создано острие, отличающийся тем, что зонд выполняют из непрозрачного для излучения материала и прозрачного для излучения поверхностного слоя, на зонд со стороны острия наносят непрозрачное для излучения покрытие, при этом, на вершине острия обеспечивается возможность прохождения излучения.

10. Способ изготовления острийной структуры для сканирующих приборов по п.9, отличающийся тем, что возможность прохождения излучения через вершину острия обеспечивается путем удаления с его поверхности непрозрачного покрытия с помощью сфокусированного пучка частиц, с образованием нижней апертуры.

11. Способ изготовления острийной структуры для сканирующих приборов по п.9, отличающийся тем, что возможность прохождения излучения через вершину острия обеспечивается путем удаления с его поверхности непрозрачного покрытия с помощью механического стирания, с образованием нижней апертуры.

12. Способ изготовления острийной структуры для сканирующих приборов по п.9, отличающийся тем, что возможность прохождения излучения через вершину острия обеспечивается путем удаления с его поверхности непрозрачного покрытия с помощью его испарения при пропускании по такому слою, расположенному на вершине острия, посредством полевой эмиссии электрического тока прямой или обратной полярности в вакууме в присутствие инертного газа или без него, с образованием нижней апертуры.

13. Способ изготовления острийной структуры для сканирующих приборов по п.9, отличающийся тем, что на часть поверхности зонда с обратной от острия стороны наносится покрытие из непрозрачного материала.

14. Способ изготовления острийной структуры для сканирующих приборов по п.9, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия из непрозрачного для излучения материала или после него, в зонде или на его поверхности создают средство для генерации излучения и/или усиления излучения, падающего на его поверхность.

15. Сканирующий прибор, содержащий острийную структуру, включающую зонд и выполненную по любому из пп.1-8 подложку с образцом,

средство контроля положения зонда относительно подложки с образцом,

средство осуществления относительного сканирования образца и зонда в режиме контакта или модуляции колебаний,

средство для облучения образца излучением или генерации собственного характерного излучения образца,

средство для усиления собственного характерного излучения образца,

средство для анализа величины излучения, рассеянного на образце, или собственного характерного излучения образца.

16. Сканирующий прибор по п.15, отличающийся тем, что он имеет средство для контролируемого удаления части материала с вершины острия зонда.

17. Сканирующий прибор по п.15, отличающийся тем, что он имеет средство для усиления собственного характерного излучения образца, по крайней мере, в зонде.

18. Сканирующий прибор по п.15, отличающийся тем, что средство контроля положения зонда относительно образца совмещено

со средством, позволяющим произвести исследование образца и/или воздействие на него.

19. Сканирующий прибор, содержащий

зонд, включающий в себя держатель, левер, острие и апертуру, образованную на вершине острия слоем непрозрачного материала,

подложку с образцом,

средство контроля положения зонда относительно подложки с образцом,

средство осуществления относительного сканирования образца и зонда в режиме контакта или модуляции колебаний,

средство для облучения образца излучением или генерации собственного характерного излучения образца,

средство для усиления собственного характерного излучения образца,

средство для анализа величины излучения, рассеянного на образце, или собственного характерного излучения образца,

в процессе сканирования вершина острия зонда находится в постоянном контакте с подложкой с ее обратной от образца стороны.

20. Сканирующий прибор по п.19, отличающийся тем, что он имеет средство для контролируемого удаления части материала с вершины острия зонда.

21. Сканирующий прибор по п.19, отличающийся тем, что он имеет средство для усиления регистрируемого излучения, по крайней мере, в зонде.

22. Сканирующий прибор по п.19, отличающийся тем, что подложка изготовлена из того же материала, что и материал зонда, по которому идет распространение излучения в зонде.

23. Сканирующий прибор по п.19, отличающийся тем, что подложка изготовлена из материала, более мягкого, чем материал, из которого изготовлена вершина острия зонда.

24. Сканирующий прибор по п.19, отличающийся тем, что вершина острия имеет покрытие, повышающее ее прочностные характеристики.

25. Сканирующий прибор по п.19, отличающийся тем, что он содержит средство для очистки поверхности подложки с обратной стороны от образца.

26. Сканирующий прибор по п.25, отличающийся тем, что средство для очистки поверхности подложки содержит зонд, причем острие такого зонда может иметь химически активное покрытие на своей поверхности или ее части.

27. Сканирующий прибор, содержащий

зонд, включающий в себя держатель, левер, острие и апертуру, образованную на вершине острия слоем непрозрачного материала,

подложку с образцом,

средство контроля положения зонда относительно подложки с образцом,

средство осуществления относительного сканирования образца и зонда в режиме контакта или модуляции колебаний, средство для облучения образца излучением или генерации собственного характерного излучения образца,

средство для усиления собственного характерного излучения образца,

средство для анализа величины излучения, рассеянного на образце, или собственного характерного излучения образца,

он дополнительно содержит один зонд, вершина острия которого обращена к вершине острия вышеуказанного зонда,

образец расположен между ними,

излучение, подающееся на образец, проходит через вершину одного зонда, излучение, прошедшее через образец, принимается вершиной другого зонда, в процессе сканирования вершина одного из зондов находится в постоянном контакте с подложкой с ее обратной от образца стороны.

28. Сканирующий прибор по п.27, отличающийся тем, что он имеет средство для контролируемого удаления части материала с вершины острия зонда.

29. Сканирующий прибор по п.27, отличающийся тем, что средство для облучения образца излучением или генерации собственного характерного излучения образца находится в зонде.

30. Сканирующий прибор по п.27, отличающийся тем, что он содержит средство для юстировки положения вершины острия одного зонда относительно положения вершины острия другого зонда.

31. Сканирующий прибор по п.27, отличающийся тем, что через апертуру на вершине острия одного зонда прибор осуществляет излучение, которое рассеивается на образце и которое затем через апертуру на вершине острия другого зонда принимается прибором.

32. Сканирующий прибор по п.27, отличающийся тем, что он имеет средство для усиления регистрируемого излучения, по крайней мере, в зонде.

33. Сканирующий прибор по п.27, отличающийся тем, что средство для облучения образца содержит, по крайней мере, два источника излучения.

34. Сканирующий прибор по п.27, отличающийся тем, что выполнен с возможностью обеспечения в процессе сканирования постоянного контакта вершины одного из зондов с подложкой с ее обратной от образца стороны, а вершины другого зонда - в постоянном контакте с другой подложкой с ее обратной от образца стороны таким образом, что образец находится между двумя подложками.

35. Сканирующий прибор по п.27, отличающийся тем, что он содержит средство для очистки поверхности подложки с обратной стороны от образца.

36. Сканирующий прибор по п.35, отличающийся тем, что средство для очистки поверхности подложки снабжено зондом с химически активным покрытием на поверхности зонда или ее части.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к материаловедению, к прецизионному инструментарию для научных и производственно-технологических работ, работ по литографии с нанометрическим разрешением, к диагностике материалов различной природы и состоит в создании острийных структур для сканирующих приборов, самих приборов для задач микроскопии ближнего оптического поля, для оптической записи информации, для обнаружения и измерения атомных сил, для производства литографических работ с нанометрическим разрешением, в том числе и с применением многозондовой структуры для увеличения производительности.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В качестве одного из современных научных инструментов для изучения свойств и структур тонких пленок различного происхождения применяется так называемый микроскоп ближнего оптического поля (МБОП), являясь при этом разновидностью сканирующего зондового прибора (СЗП). Особую роль среди СЗП играет атомно-силовой микроскоп (АСМ).

В классическом МБОП для получения изображения исследуемого образца используется зонд, представляющий собой нитевидный световод 1 (Фиг.1) с заостренным концом 2 величиной около 100 нм. Этот конец прикреплен к кварцевой вилке 3, точнее к одной из двух ее ножек 3а. При помощи такой конструкции осуществляется контроль положения зонда относительно исследуемой поверхности 4. Другой конец 5 нитевидного световода 1 обращен к источнику излучения 6 (лазеру). При подаче на конец 5 световода 1 излучения 7 от лазера 6, оно распространяется по нему и выходит через его заостренный конец 2. Затем это излучение пропускают через исследуемый образец, после которого стоит приемный объектив, фиксирующий объем прошедшей через образец волновой энергии излучения.

В МБОП имеются два основных элемента, совершенство которых увеличит его разрешающую способность - главную характеристику любого микроскопа. Первым таким элементом является диаметр заостренного конца зонда 2. Уменьшение его размера приведет к уменьшению размера пятна, которое формируется выходящим (или входящим) из него излучением 7. Вторым элементом является средство контроля положения зонда относительно исследуемой поверхности. Как указывалось выше, в классическом МБОП это решается с помощью кварцевой вилки 3. Такая пластина подобно камертону после ее возбуждения осуществляет колебания с собственной резонансной частотой. При приближении заостренного конца 2 зонда к исследуемой поверхности 4 этот конец 2 начинает взаимодействовать межатомными силами (силами Ван-дер Ваальса) с указанной поверхностью 4. В результате такого взаимодействия частота колебания кварцевой вилки 3 изменяется, смещаясь от собственной резонансной. Это отслеживается системой контроля положения зонда 2 относительно поверхности образца 4 и фиксируется факт контакта при данных относительных координатах зонда с поверхностью образца.

Для улучшения указанных выше элементов МБОП были предложены несколько вариантов исполнения зонда [1-5], совместив его с кантилевером для АСМ. Принципиальным в этих вариантах было применение авторами этих статей самой оптимальной системы контроля положения зонда относительно исследуемого образца. А именно, системы, обратная связь которой реализована на основе отраженного лазерного излучения и его регистрации при помощи четырехпозиционного диода. Такая система имеет самую высокую чувствительность из существующих. Возможность применения такой системы появилась как результат использования зонда (кантилевера), включающего в себя три основных элемента (Фиг.2): держатель 8 (массивная твердая часть), левер 9 (гибкая пластина, необходимое усилие на изгиб которой имеет порядок 10^-15 H) и острие 10. Чувствительность обеспечивается величиной силы, необходимой для изгиба левера 9, которая, как показали эксперименты, проведенные фирмой IBM, может достигать величин 10^-18 H. Лазерное излучение 11, направленное на обратную сторону левера 9, отражаясь от ее поверхности, попадает на фотодиод 12. Исходное положение пятна отраженного луча - перекрестие границ между двумя рядами фоточувствительных элементов четырехпозиционного диода. При изгибе левера, пятно смещается, что фиксируется следящей системой.

Применение кантилеверных зондов дает и другое преимущество, а именно, радиус закругления вершины острия может составлять величину не более 10 нм. Таким образом, оба основных элемента микроскопа, о которых говорилось выше, в случае использования кантилеверного зонда, приобретают более совершенные параметры, что увеличивает разрешающую способность микроскопа.

Также, кантилеверные зонды имеют те преимущества перед классическими зондами, применяемыми в МБОП, что они удобны в работе и более доступны в производстве.

Наконец, еще одним преимуществом применения кантилеверных зондов является возможность совмещения двух микроскопов, атомно-силового и ближнепольного оптического, в одном. Благодаря использованию такого зонда в сканирующем приборе появляется возможность получать сразу две разные по своей природе картины характеристик при одном сканировании образца. А именно, благодаря такому сканирующему прибору, содержащему указанный зонд, исследователь имеет возможность изучить с высоким разрешением морфологию поверхности и внутреннюю картину прозрачного для используемого излучения образца. Наиболее предпочтителен данный сканирующий прибор для изучения полимеров и иных тонких пленок.

Для того чтобы обеспечить прозрачность зонда для излучения 7 (Фиг.1), используемого для исследования образца, авторами [1] предложен вариант кремниевого острия с поверхностным металлическим слоем в 20 нм (Фиг.3). Согласно теории о распространении поверхностного плазмона, величина диаметра выходящего пучка излучения составляет величину порядка толщины металлического слоя. Это было продемонстрировано ими в указанной работе. Также, благодаря подобной конструкции, они добились значительного увеличения производительности зонда, то есть величины прошедшего через зонд полезного излучения.

Указанная конструкция проста в изготовлении. Однако, в работах [2-5] предложены конструкции (Фиг.4, Фиг.5 и Фиг.7), позволяющие добиться еще большей производительности. В них предложены конструкции, выполненные из материалов, прозрачных для прохождения излучения 7, при этом диаметр апертуры при вершине имеет тот же порядок величины, что и в работе [1]. Недостатком их является то, что конструкции, предложенные в работах, сложны в исполнении и для широкого круга исследователей недоступны. Технология изготовления, описанная в [4, 5], предлагает множество сложных операций для изготовления зонда (Фиг.6), применительно только для МБОП.

Конструкция зонда (Фиг.8а, b) и прибора на его основе, предложенная в [6, 7], сочетает все преимущества конструкций, предложенных в работах [1-5]. Такие характеристики, как ее простота (преимущество конструкции, предложенной в [1]) и высокая ее производительность (преимущество конструкций, предложенных в [2-5]), дают возможность для широкого применения предложенного в [6, 7] изобретения исследователями. Однако, предложенная в [6, 7] конструкция не предусматривает наличия непрозрачного покрытия на поверхности зонда со стороны острия и отсутствия такого покрытия на вершине острия с образованием апертуры. Как результат применения такой конструкции, используемое для исследования излучение рассеивается на всей поверхности зонда и только незначительная ее часть может будет проходить через вершину острия. Это в свою очередь приведет к значительному снижению параметра эффективности, характеризующегося соотношением «сигнал/шум».

Наряду с этим при работе с образцами, имеющими развитую поверхность, предложенные в [6, 7] простые конструктивные решения исполнения зонда не позволяют проникать в поверхностный рельеф тонкой структуры, что значительно ограничивает возможности применения таких зондов и приборов на их основе. Предложенные в [6, 7] варианты конструкций с образованными путем осаждения специальными наконечниками для зондов усложняют технологию изготовления, что подобно конструкциям, рассмотренным в [2-5], делают изобретения недоступными для широкого круга исследователей.

Конструкция зонда и прибора на его основе, предложенная в настоящем изобретении, сочетает в себе все преимущества различных конструкций, предложенных в работах [1-7]. Предложенный в настоящем изобретении способ изготовления зонда позволяет достичь снижения стоимости изделия, что расширит круг его пользователей. А конструкция прибора на основе предложенного в настоящем изобретении зонда обеспечит универсальность его применения для решения различных задач, стоящих перед исследователями.

Наряду с задачами МБОП конструкция, описанная в [4-7], позволяет решать и иные задачи. Это касается работ по оптической записи информации и производстве литографических работ. В частности, для последних работ в [4, 5] предлагается множественная острийная структура. Недостатки таких структур те же, что и одиночных острий.

Конструкция, предложенная в настоящем изобретении, и прибор на ее основе позволяют также осуществлять оптические считывание и запись информации и проводить литографические работы, в частности, при засветке фоторезиста с нанометрическим разрешением. Поэтому образец, рассматриваемый нами в настоящем изобретении, может являться как образцом для проведения над ним исследований, так и образцом для производства над ним обратимых и необратимых воздействий. Производство работ (термин, который мы будем в дальнейшем использовать) с образцом в этом смысле следует рассматривать как понятие, включающее в себя как исследование такого образца, так и воздействие на него.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению предлагается острийная структура для сканирующих приборов, содержащая подложку, по крайней мере, одно острие, причем, по крайней мере, поверхности подложки и, по крайней мере, одного острия выполнены из прозрачного для излучения материала, на указанные поверхности подложки, со стороны острия (с лицевой стороны), и острия со стороны острия нанесено непрозрачное для излучения покрытие, на вершине острия указанное покрытие отсутствует или является прозрачным для излучения, образуя нижнюю апертуру. При этом на поверхности подложки с обратной стороны от острия может быть нанесено непрозрачное для излучения покрытие, причем на части такой поверхности подложки указанное непрозрачное для излучения покрытие отсутствует, образуя верхнюю апертуру. Также прозрачность может быть обеспечена материалом, из которого изготовлено острие, а на подложке со стороны, обратной от острия, может иметься покрытие, хотя бы частично прозрачное для одного излучения и непрозрачное для другого, причем под непрозрачным покрытием или вне его на поверхности острийной структуры и/или внутри него может иметься средство для генерации излучения и/или усиления излучения, падающего на его поверхность. В таком случае на поверхности подложки или ее части может иметься люминесцирующий слой, эмитирующий излучение при прохождении через него каких-либо частиц и/или излучения. Также вблизи нижней апертуры острийной структуры излучение может проходить через, по крайней мере, один участок материала с показателем преломления, отличным от показателя преломления материала, по которому идет распространение излучения в подложке. Тогда указанный, по крайней мере, один участок материала с иным показателем преломления может находиться в теле и/или на поверхности острия. Либо указанный, по крайней мере, один участок материала с иным показателем преломления является материалом образца и/или подложки, на которой тот находится. Согласно настоящему изобретению в любом из перечисленных выше случае подложка может представлять собой, по крайней мере, один зонд, содержащий, по крайней мере, один держатель (массивная часть) и, по крайней мере, один левер (гибкая часть), а острие размещено на конце левера.

Настоящее изобретение предлагает также способ изготовления острийной структуры для сканирующих приборов, состоящий в создании, по крайней мере, одного острия на подложке, причем, по крайней мере, поверхности подложки и, по крайней мере, одного острия изготавливают из прозрачного для излучения материала, покрытие из материала, непрозрачного для излучения, наносится на поверхности подложки и указанного острия с лицевой стороны подложки, на вершине острия обеспечивается возможность прохождения излучения. При этом возможность прохождения излучения через вершину острия обеспечивается либо способом нанесения непрозрачного покрытия, либо путем удаления с его поверхности непрозрачного покрытия с помощью сфокусированного пучка частиц, либо путем удаления с его поверхности непрозрачного покрытия с помощью механического стирания, либо путем удаления с его поверхности непрозрачного покрытия с помощью его испарения при пропускании по такому слою, расположенному на вершине острия, посредством полевой эмиссии электрического тока прямой или обратной полярности в вакууме в присутствии инертного газа или без него, с образованием нижней апертуры. Согласно настоящему изобретению предполагается, что на часть поверхности подложки с обратной от острия стороны может быть нанесено покрытие из непрозрачного материала. При этом перед нанесением покрытия из непрозрачного для излучения материала или после него, в подложке или на ее поверхности создают средство для генерации излучения и/или усиления излучения, падающего на его поверхность.

Настоящее изобретение также предлагает сканирующий прибор, содержащий зонд, включающий в себя держатель, левер, острие и апертуру, образованную на вершине острия слоем непрозрачного материала, подложку с образцом, средство контроля положения зонда относительно подложки с образцом, средство осуществления относительного сканирования образца и зонда, средство для облучения образца излучением или генерации собственного характерного излучения образца, средство для усиления собственного характерного излучения образца, средство для анализа величины излучения, рассеянного на образце, или собственного характерного излучения образца, причем зонд может иметь конструкцию согласно любой из описанных выше в данном разделе. При этом в таком приборе средство контроля положения зонда относительно образца может быть совмещено со средством, позволяющим произвести исследование образца и/или воздействие на них.

Также согласно настоящему изобретению сканирующий прибор может содержать средство для облучения образца, в котором есть по крайней мере два источника излучения. Таким источниками могут быть когерентный излучатель, причем источники излучения могут располагаться на окружности с центром, находящимся на одной линии с осью острия зонда. А сам источник излучения может иметь кольцевую апертуру излучения. В другом случае средство облучения образца может содержать по крайней мере один источник когерентного излучения. При этом прибор может иметь средство для получения и анализа статической или динамической интерференции излучения, используемого для исследования образцов и воздействия на них. Причем прибор может содержать средство для раздвоения когерентного излучения по крайней мере на два луча. И оно может располагаться в зонде.

Описываемый в настоящем изобретении прибор может обеспечивать такой режим работы, при котором в процессе сканирования вершина зонда находится в постоянном контакте с подложкой с ее обратной от образца стороны. При этом подложка может быть изготовлена из того же материала, что и материал зонда, по которому идет распространение излучения в зонде. Либо подложка может быть изготовлена из материала, более мягкого, чем материал, из которого изготовлена вершина острия зонда. Описываемый прибор может содержать средство для очистки поверхности подложки с обратной стороны от образца. Причем это средство может находиться в зонде, а острие такого зонда может иметь специальную форму и химически активное покрытие на своей поверхности или ее части.

Наконец, согласно настоящему изобретению сканирующий прибор может содержать два зонда. В этом случае вершина острия одного зонда обращена к вершине острия другого, а образец расположен между ними, излучение, подающееся на образец, проходит через вершину одного зонд, а после прохождения через образец оно принимается вершиной другого зонда. При этом возможен случай, когда средство для облучения образца излучением или генерации собственного характерного излучения образца находится в зонде. Предполагается, что прибор содержит средство для юстировки положения вершины острия одного зонда относительно положения вершины острия другого зонда. В таком приборе через апертуру на вершине острия одного зонда возможно облучение образца излучением, которое рассеивается на нем и которое затем через апертуру на вершине острия другого зонда принимается прибором. Причем средство для облучения образца может содержать по крайней мере два источника излучения. Прибор также предполагает возможность, что в процессе сканирования вершина одного из зондов находится в постоянном контакте с подложкой с ее обратной от образца стороны. При этом предлагается также вариант, когда вершина другого зонда могла бы находиться в постоянном контакте с другой подложкой с ее обратной от образца стороны, таким образом, что образец находился бы между двумя подложками. Сканирующий прибор может содержать средство для очистки поверхности подложки с обратной стороны от образца, и оно может быть реализовано в зонде, причем острие такого зонда может иметь специальную форму и химически активное покрытие на своей поверхности или ее части.

Наконец, любой из вышеперечисленных вариантов сканирующего зондового прибора может иметь средство для контролируемого удаления части материала с вершины острия зонда, а также средство для усиления собственного характерного излучения образца по крайней мере в зонде.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг.1. Схема классического зонда для МБОП. 1 - световод, 2 - заостренный конец световода, 3 - кварцевая вилка, 3а - ножка кварцевой вилки, 4 - образец, 5 - конец световода, обращенный к лазерному источнику, 6 - лазер, 7 - лазерное излучение.

Фиг.2. Схема классического зонда для АСМ. 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 11 - лазер, 12 - четырехпозиционный фотодиод.

Фиг.3. Предшествующий уровень техники: схема кантилеверного зонда для МБОП, предложенная авторами [1].

Фиг.4. Предшествующий уровень техники: схема кантилеверного зонда для МБОП, предложенная авторами [2].

Фиг.5. Предшествующий уровень техники: схема кантилеверного зонда для МБОП, предложенная авторами [3].

Фиг.6. Предшествующий уровень техники: способ изготовления кантилеверного зонда для МБОП, предложенный авторами [4]. 1 - монокристаллическая подложка кремния, 2 - защитная пленка из термического окисла кремния, 3 - углубление в виде пирамиды, 4 - пленка из термического окисла кремния, 5 - острие, 10 - гибкий слой, 11 - полиимидная пленка, 12 - полиимидная пленка, 21 - подложка, 22 - буферный слой n-InP, 23 - активный слой InGaAsP, 24 - покрывающий слой p-InP, 25 - внешний слой p-InGaAs, 27 - изолирующий слой, 28 - волновод, 29 - маскирующий слой, 30 - внешний электрод.

Фиг.7. Предшествующий уровень техники: схема кантилеверного зонда для МБОП, предложенная авторами [4]. 5 - острие, 10 - гибкий слой, 20 - лазер, 21 - подложка, 27 - изолирующий слой, 28 - волновод, 30 - внешний электрод.

Фиг.8а, b. Предшествующий уровень техники: схемы кантилеверных зондов для МБОП, предложенные авторами [6, 7]. 100 - зонд, 101 - левер, 102 - свободный конец держателя, 103 - столик держателя, 104 - металлическая пленка, 105 - рассеивающий наконечник, 105b - маленькая часть рассеивающего наконечника.

Фиг.9а, b. Сечение кантилеверного зонда для сканирующего зондового прибора (далее "Зонд для СЗП"). 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 13 - прозрачный для излучения слой, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия.

Фиг.10а, b. Зонд для СЗП без или частично без металлического покрытия с обратной стороны зонда. 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 13 - прозрачный для излучения окисный слой кремния, 14 - непрозрачное для излучение металлическое покрытие, 15 - апертура на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны.

Фиг.11а, b. Зонд для СЗП с дополнительным функциональным слоем. 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 13 - прозрачный поверхностный слой, 13а - непрозрачный слой электроизолирующего материала, 14 - непрозрачное для излучение металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 14а - непрозрачное (или частично прозрачное) для излучения металлическое покрытие с обратной стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, 17, 18 - функциональные слои (с обратной и лицевой стороны зонда).

Фиг.12а. Вершина острия Зонда для СЗП, содержащая материал с иным показателем преломления. 13 - прозрачный поверхностный слой, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 19 - материал (из которого изготовлено тело зонда) с показателем преломления, отличным от показателя преломления поверхностного слоя, в котором распространяется излучение, 20 - распространяемое в зонде (на его поверхности) излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру.

Фиг.12b, с. Зонд для СЗП, содержащий материал с иным показателем преломления. 4 - образец, 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 22 - материал на поверхности прозрачного острия, показатель преломления которого отличен от показателя преломления материала, из которого изготовлено острие и по которому распространяется излучение в зонде, 23 - материал подложки с образцом, в которую (из которой) попадает излучение, выходящее (входящее) из нижней апертуры.

Фиг.13а, b. Способ изготовления кантилеверного зонда из нитрида кремния: А-Е - основные шаги. 13а - подложка кремния с ориентацией [100], 13b - пирамидальное углубление, 13с - осаждение слоя нитрида кремния с образованием контура острия, 13d - осаждение слоя нитрида кремния с образованием левера, 13е - формирование держателя из стекла, 13f - формирование слоя из окисла кремния.

Фиг.14a, b, c, d. Фрагмент прибора на основе кантилеверного зонда для СЗП (далее "Фрагмент Прибора") с различными способами введения излучения для работы с образцом. 4 - образец, 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 12а - приемный объектив детектора МБОП, 13 - прозрачный поверхностный слой, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, через которое излучение попадает в тело зонда или в его прозрачный поверхностный слой, 20 - распространяемое в зонде (на его поверхности) излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру, 21а - характерное излучение, вышедшее из образца, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 25 - направления распространения излучения в поверхностном прозрачном слое зонда, 26 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда и попадающее в материал зонда или в его поверхностный слой через верхнюю апертуру.

Фиг.15а, b, с. Фрагмент Прибора с совмещенными средством контроля положения зонда относительно образца и средством, позволяющим произвести работы с таким образцом. 13 - прозрачный поверхностный слой, 14b, c - непрозрачные для излучения металлические покрытия на левере, 14d - частично непрозрачные для излучения металлические покрытия на левере, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 20 - распространяемое в зонде (или в поверхностном прозрачном его слое) излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 27 - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на лицевую сторону левера (фиг."а"), либо излучение, отраженное от непрозрачного материала, из которого изготовлен зонд (фиг."b"), либо излучение, отраженное от частично непрозрачного материала 14а, нанесенного на обратную сторону левера (фиг."с").

Фиг.16а, b. Фрагмент Прибора, когда излучение для исследования подается через верхнюю апертуру. 8 - держатель зонда, 13 - прозрачный поверхностный слой, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, 20 - распространяемое в зонде (или в поверхностном прозрачном его слое) излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 25 - направления распространения излучения в поверхностном прозрачном слое зонда, 26 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда и попадающее в материал зонда или в его поверхностный слой через верхнюю апертуру, 27 - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на обратную сторону левера, 28 - прижим, 29 - держатель прибора.

Фиг.17. Фрагмент Прибора, в котором излучение, используемое для работы с образцом, подается со стороны такого образца, при этом проходя через них. 4 - образец, 8 - держатель зонда, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, через которое излучение выходит из тела зонда, 20 - распространяемое в зонде излучение, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 27 - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на обратную сторону левера, 30 - излучение, подаваемое непосредственно на образец с противоположной от зонда стороны, 31 - прошедшее через образец излучение, 32 - излучение от образца, вошедшее через нижнюю апертуру, распространившееся по зонду и вышедшее через его верхнюю апертуру.

Фиг.18. Фрагмент Прибора, в котором используется по крайней мере два источника излучения, позволяющих произвести работы с указанными образцами. 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 20 - распространяемое в зонде излучение, 21a, b - "пятна" излучений от двух источников на плоскости, перпендикулярной оси острия, после выхода из нижней апертуры, 24a, b - излучение, подающееся на обратную сторону зонда от двух независимых источников, 33 - область пересечения "пятен".

Фиг.19а, b. Фрагмент Прибора, который имеет средство для получения статической или динамической интерференции излучения, используемого для работы с образцами, 10 - острие, 11 - источник излучения, 11а - зеркало, обеспечивающее образование двух лучей когерентного излучения от одного источника, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 20 - распространяемое в зонде излучение, 21а - два луча когерентного излучения, 22 - материал на поверхности прозрачного острия, показатель преломления которого отличен от показателя преломления материала, из которого изготовлено острие и по которому распространяется излучение в зонде, 24 - два луча когерентного излучения, подающееся на обратную сторону зонда, 34 - интерференционные кольца.

Фиг.20. Фрагмент Прибора, который содержит средство для генерации излучения в зонде. 13а - слой непрозрачного диэлектрика, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 14а - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с обратной стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 17 - функциональный слой, 20 - распространяемое в зонде излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 27 - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на обратную сторону левера, 35 - поток частиц или излучения, результатом попадания которого в функциональный слой является генерация излучения, распространяемого затем в зонде.

Фиг.21а, b. Фрагмент Прибора, который содержит средство для генерации собственного излучения образца и средство для усиления такого излучения, расположенное в зонде. 4 - образец, 8 - держатель зонда, 10 - острие, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, через которое излучение выходит из тела зонда, 17, 18 - функциональные слои, 20 - распространяемое в зонде излучение, 23 - тонкая прозрачная подложка, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 27 - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на обратную сторону левера, 31 - характерное собственное излучение образца, 32 - характерное излучение функционального слоя, распространившееся по зонду и выходящее через его верхнюю апертуру, 36 - излучение, которым облучается функциональный слой, 37 - распространение в зонде излучения, которым облучается функциональный слой, 38 - излучение, которым облучается образец, 39 - характерное излучение функционального слоя, явившееся результатом усиления характерного собственного излучения образца, попавшее в нижнюю апертуру зонда.

Фиг.22. Фрагмент Прибора, в котором излучение, используемое для работы с образцом, подается через зонд, расположенный с противоположной стороны от образца по отношению к зонду, осуществляющему анализ прошедшего через образец излучения. 4 - образец, 8а, b - держатель зонда, 13 - прозрачный поверхностный слой, 14a, b - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15a, b - апертура (нижняя) на вершине острия, 16a, b - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, через которое излучение выходит из тела зонда, 20 - распространяемое в зонде (на его поверхности) излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру, 23 - тонкая прозрачная подложка, 24a, b - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 25 - направления распространения излучения в поверхностном прозрачном слое зонда, 26 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда и попадающее в материал зонда через верхнюю апертуру, 27a, b - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на обратную сторону левера, 31 - прошедшее через образец излучение, 32 - излучение от образца, вошедшее через нижнюю апертуру, распространившееся по зонду и выходящее через его верхнюю апертуру, 40 - одно из направлений перемещения образца при его сканировании прибором.

Фиг.23. Фрагмент Прибора, в котором излучение, используемое для работы с образцом, подается через один зонд, находящийся в контакте с одной из подложек, а излучение, прошедшее через образец, принимается другим зондом, находящимся в контакте с подложкой, расположенной с другой стороны образца, который размещен между указанными подложками. 4 - образец, 8a, b - держатели зонда, 9a, b - левера, 10a, b - острия, 23a, b - тонкие прозрачные подложки, 26 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 32 - излучение, прошедшее через образец, вошедшее через нижнюю апертуру, распространившееся по зонду и выходящее из зонда.

Фиг.24. Фрагмент многоострийной структуры с включенными в нее зондами. 8 - держатели зонда, 9 - левера, 10 - острия, 14 - непрозрачное покрытие с лицевой стороны подложки.

ПРИМЕРЫ

В настоящем изобретении предлагаются несколько вариантов применения изложенных в сущности изобретения идей. Наиболее типичными являются следующие.

Пример 1.

Здесь следует рассмотреть два основных вида зонда (далее просто "зонд") для сканирующих приборов. Как показано на Фиг.9а и Фиг.9b, оба они включают в себя массивный держатель 8, гибкую часть 9, именуемую левером, и острие 10, расположенное на левере.

Один из них изготовлен из кремния - непрозрачного для типичного излучения, применяемого в ближнепольной микроскопии, а именно, видимого излучения, генерируемого лазерным источником. Согласно настоящему изобретению такой зонд покрыт слоем материала 13 (Фиг.9а), прозрачного для указанного излучения. В качестве такого слоя лучше использовать термический окисный слой кремния на его поверхности. При этом часть (не основная) может распространяться и в кремнии. Очевидно, что показатель преломления кремния значительно превосходит показатель преломления его окисного слоя. Будем считать, что когда говорится о распространении излучения в зонде, речь будет идти об основном распространении, то есть, в данном случае, в окисном слое.

Другой вид зонда изготовлен из прозрачного для излучения материала (Фиг.9b). Лучшим вариантом такого зонда является зонд, изготовленный из нитрида кремния.

Описанные здесь два вида зондов покрыты непрозрачным для излучения материалом 14. Таким материалом может служить любой металл (серебро, золото, алюминий и т.д.) или иное непрозрачное покрытие. Оптимальным решением может быть использование в качестве такого покрытия алюминия. При этом на вершине острия такое покрытие может либо отсутствовать, образуя апертуру 15, либо присутствовать в незначительных количествах, при которых достаточная для детектирования часть излучения через эту вершину может пройти. На обоих видах зонда покрытие также может отсутствовать как на всей поверхности с обратной от острия стороне зонда (Фиг.10а), так и на отдельных участках, в частности, на держателе, как изображено на Фиг.10b, образуя при этом верхнюю апертуру 16 (в отличие от нижней апертуры 15).

Один из вариантов реализации настоящего изобретения предусматривает наличие на поверхности зонда (под непрозрачным или частично непрозрачным покрытием) слоя 17 (Фиг.11а) (например, с обратной стороны) или 18 (Фиг.11b) - на лицевой стороне. В одном случае этим слоем выбирается люминесцирующий слой как источник излучения, поверх которого может быть нанесен непрозрачный для одного излучения слой (отражающий его) и прозрачный для другого излучения или потока частиц. В другом случае: слой из материала, способного усиливать падающее на него излучение. Таким излучением, например, может являться излучение, генерируемое самим образцом под воздействием соответствующего возбудителя или без такого. Это необходимо для того, чтобы сперва усилить излучение, попавшее в нижнюю апертуру для его распространения в прозрачном теле зонда или в прозрачном поверхностном слое, а затем, еще раз усилить, при его выходе из указанных прозрачных участков распространения. Как для обеспечения генерации излучения, так и для реализации усиления излучения в данной конструкции предусмотрена возможность обеспечения разности потенциалов между проводящими покрытиями 14 и 14а, а также между указанными покрытиями и материалом зонда, в случае, если он изготовлен из проводящего материала.

Настоящее изобретение предусматривает также возможность наличия вблизи нижней апертуры на вершине острия 15 (Фиг 12а) материала 19 с показателем преломления, отличным от показателя преломления материала 13, по которому распространяется излучение 20 в зонде. В частности, этим материалом может служить тот же кремний, из которого изготовлен зонд. Причем в такой конструкции излучение 20, распространяющееся в зонде по окисному слою 13 перед его прохождением через нижнюю апертуру 15, проходит через кремний 19, как через материал с большим показателем преломления, чем у окисного слоя 13. Наряду с описанным вариантом конструкции в настоящем изобретении предлагается и другая конструкция, изображенная на Фиг.9b. Здесь на поверхности острия, выполненного из прозрачного для излучения материала, имеется слой 22 с иным показателем преломления. Он находится между материалом самого острия 10 и непрозрачным слоем 14, образующим нижнюю апертуру 15. Подбор размера апертуры, материала и размера участка этого материала с показателем преломления, отличным от показателя преломления среды распространения излучения в зонде, через который должна пройти волна излучения, являются решающими элементами для получения оптимального поперечного размера пучка излучения 21 при его прохождении через нижнюю апертуру 15. Для целей оптимизации решения такой задачи в настоящем изобретении предложено размещение образца 4 на подложке 23 из материала (Фиг.9с) со своим показателем преломления. В частности, материал подложки 23 может быть тем же, что и материал, через который идет распространение излучения в зонде (на его поверхности). Иными словами, если зонд изготовлен из нитрида кремния, то и подложка может быть изготовлена из этого материала. Если распространение происходит в поверхностном слое из окисла кремния, то и подложка может быть изготовлена из него. А также выбор материала подложки может быть сделан наоборот. Дополнительная степень свободы при подборе перечисленных выше физических и геометрических параметров материалов, расположенных вблизи нижней апертуры, дает возможность оптимизировать выбор средств при исследовании различных образцов с целью получения максимальной разрешающей способности прибора.

Пример 2.

Зонд, тело которого выполнено из непрозрачного материала, например, кремния, может быть изготовлен любым из существующих на данный момент способов [8-10]. Чтобы образовать прозрачной для излучения слой, такой зонд покрывают окисным слоем, который легко получить из кремния путем его окисления. То есть уже готовый зонд, или как его еще иначе в литературе называют, кантилевер, окисляют в среде кислорода при характерных в таких случаях температурах в пределах от 600°С до 1200°С. В зависимости от температуры окисления и его времени можно получить необходимую толщину такого слоя. Для свободного прохождения излучения, например, с длиной волны около 500 нм достаточно будет создания окисного слоя около 1 мкм. После создания прозрачного для излучения поверхностного слоя зонд частично (с его лицевой стороны, то есть со стороны острия и части обратной стороны - противоположной от острия) или полностью (с обеих сторон) покрывают непрозрачным для излучения материалом. Наиболее предпочтительным способом покрытия является напыление металла на поверхность зонда, например, алюминия или золота. Причем, если производить напыление на лицевую сторону под углом к оси острия, то можно добиться результата, при котором вершина острия либо не будет иметь покрытия напыляемым материалом, либо слой такого материала окажется достаточно тонким, чтобы пропускать излучение в достаточном объеме. Другой способ обеспечения прозрачности вершины острия после напыления это создание апертуры (нижней) путем направленного сфокусированного пучка частиц. Наиболее подходящим в этом случае является сфокусированный ионный пучок. Наконец, еще один способ обеспечения прозрачности вершины острия заключается в следующем. Необходимо осуществить контакт острия с нанесенным непрозрачным поверхностным слоем с ровной поверхностью, изготовленной из таких материалов, как алмаз, сапфир (корунд) или карбид кремния. Такие материалы интересны тем, что они прочны, их поверхность может быть изготовлена идеально гладкой, и все указанные материалы являются прозрачными, что очень важно при осуществлении контролируемого процесса создания апертуры. В некоторых случаях для образования апертуры достаточно обеспечить лишь контакт вершины острия с указанными выше материалами. В этом случае можно добиться получения самого малого размера апертуры. Если при этом обеспечить движение острия относительно указанной поверхности в контакте с ней, то можно добиться механического удаления поверхностного слоя с вершины острия, с образованием апертуры большего размера. Размер такой апертуры будет составлять величину, не более радиуса кривизны вершины острия.

Причем процесс доведения зонда до рабочего состояния, а именно, создания апертуры путем механического стирания непрозрачного материала с его вершины в зависимости от вопросов удобства изготовления и работы, может происходить либо на территории производителя зонда, либо на рабочем месте пользователя, непосредственно в сканирующем приборе. В последнем случае пользователь, зарядив зонд в прибор при запуске сканирования и использовании зонда, в первый раз указывает программе управления, есть ли необходимость его доведения до искомой конструкции. В случае, если такая необходимость имеет место, прибор опускает такой зонд на специальную плоскую поверхность материала, размещенного рядом с держателем образца, и осуществляет контролируемое стирание части непрозрачного материала, находящегося на поверхности острия. Суть контролируемого стирания - это пропускание излучения и его анализ через вновь образующуюся апертуру в процессе ее образования.

Обеспечить образование нижней апертуры (на вершине острия) можно и контролируемым испарением части непрозрачного материала с вершины острия. Для этого через указанный непрозрачный слой, которым в большинстве случаев является металл, необходимо пропустить электрический ток в режиме эмиссии с вершины острия. Делать это необходимо в вакууме. Для более качественного (контролируемого) удаления следует ввести в вакуум инертный газ (например, аргон, водород или гелий). Эмиссионный ток, проходя через вершину острия, разогревает его, что приводит к испарению материала, находящегося на вершине. При этом для различных материалов и газов можно применять ток как прямой, так и обратной полярности.

Наряду с предложенным вариантом изготовления зонда, прозрачность которого обеспечивается поверхностным слоем, в настоящем изобретении рассматривается и способ изготовления острия из нитрида кремния - материала, который сам является прозрачным для используемого ближнепольной микроскопией излучения. Технология изготовления такого зонда изображена на Фиг.13а-е (в разрезе) и хорошо известна. Основные этапы такой технологии выглядят следующим образом. В кремниевой пластине 13а (А) с ориентацией <100> делается пирамидальное углубление 13b (В), затем осаждается слой нитрида кремния (С) с образованием контура будущих острия 13с и левера. Затем (D) с той же стороны прикрепляется стекло, обеспечивающее образование массивной части будущего зонда - его держателя 13е. После этого кремний 13а полностью удаляют жидкостным травлением. В итоге (Е) получается зонд с полым острием. Покрытие же поверхности такого зонда непрозрачным для излучения материалом лучше осуществить так же, как и в случаях, описанных выше, а именно, посредством напыления. Также можно использовать и другие классические способы нанесения материалов: осаждения из газовой фазы, магнетронным распылением в плазме и др.

При реализации настоящего изобретения на поверхности прозрачного острия может потребоваться наличие материала, показатель преломления которого отличен от показателя преломления материала, из которого изготовлено острие и по которому распространяется излучение в зонде. В качестве такого материала может быть предложен окисел кремния. Для обеспечения наличия окисла кремния на лицевой поверхности острия из нитрида кремния в технологии, показанной на Фиг.13b (А-Е), добавляется одна промежуточная ступень (В'). А именно, после образования углубления в кремниевой пластине 13а и перед нанесением нитрида кремния (С) пластина кремния окисляется с образованием окисного слоя 13f (Фиг.13b). В итоге, после полного травления (удаления) кремния 13а, на лицевой поверхности острия из нитрида кремния остается окисный слой 13f.

Настоящее изобретение предлагает также изготовление зонда, содержащего средство для генерации излучения или усиления внешнего излучения. Для этого перед нанесением непрозрачного слоя на поверхность зонда или на какую-либо его часть наносится слой материала, который при попадании в него потока частиц или излучения генерирует излучение или усиливает падающее излучение.

Пример 3.

Одними из наиболее ярких применений настоящего изобретения считаются приборы: МБОП и оптический накопитель информации.

Простейшим случаем реализации сканирующих приборов согласно настоящему изобретению является следующий. Зонд, который может быть выполнен из непрозрачного для излучения материала (например, кремния), с поверхностью, прозрачной для излучения (окисел кремния), или из прозрачного материала (например, нитрида кремния), полностью покрывается тонким слоем непрозрачного материала (например, золота). С вершины острия зонда одним из описанных выше методов удаляется часть непрозрачного материала с образованием выходной апертуры. Также покрытие из непрозрачного материала или его часть удаляется с некоторого участка держателя зонда со стороны, противоположной от острия. На обратную сторону зонда подается излучение 24 (Фиг.14а, b) и 26 (Фиг.14с, d). Это излучение, распределяясь по всей поверхности обратной стороны зонда или проникая через образовавшуюся входную апертуру 16 в прозрачный для излучения поверхностный слой 13 или в прозрачное тело, распространяется по зонду или его поверхности и достигает выходной апертуры 15. Вышедшее через нее излучение и используется для производства работ с образцом 4. В одном случае это излучение, проникая в материал образца, вызывает его преобразование. Так может осуществляться запись информации оптическим способом. В другом случае это излучение, проникая через толщу образца, выходит из него 21а с характерной интенсивностью и попадает в объектив 12а детектора излучения МБОП, после чего происходит запись параметров. То есть точке плоского образца с данными координатами (x; у) соответствует определенная интенсивность прошедшего излучения и определенная координата (z) по вертикальной шкале. После сканирования по всей поверхности формируется полная картина прошедшего излучения. Применительно к устройствам, являющимся носителями информации, описанная процедура будет являться считыванием информации, размещенной на его носителе - подложке с образцом. В качестве подложки может быть применен пластиковый плоский материал, а в качестве образца - материал, при воздействии излучения на который он меняет свои свойства. Применительно к материалам, свойства которых изучаются после записи интенсивности излучения, по всей поверхности формируется изображение, соответствующее данному образцу, а также морфология этой же поверхности, то есть ее рельеф.

Один из вариантов сканирующих приборов, который согласно настоящему изобретению можно реализовать, заключается в совмещении средства контроля положения зонда относительно образца со средством, собственно производящим его исследование. Если на обратную сторону зонда направить излучение от лазерного источника, то, как изображено на Фиг.15а-с, часть такого излучения 27 будет отражено (сигнал для системы контроля положения зонда), а часть 20 пройдет через зонд (или по его прозрачной поверхности) и выйдет 21 через нижнюю апертуру 15 на вершине острия (излучение, которое будет направлено на образец).

Другой вариант исполнения сканирующих приборов состоит в том, чтобы излучение 24 (Фиг.16а, b) от одного источника направить на левер с обратной стороны зонда, а излучение от другого источника 26 на держатель 8 с обратной стороны зонда, где имеется верхняя апертура 16. Через эту апертуру излучение распространится 20 в зонде (или на его поверхности) и выйдет 21 из зонда через нижнюю апертуру 15 непосредственно к образцу. Отраженное излучение 27 от первого источника будет использовано для системы контроля положения зонда. При этом возможен вариант, при котором оба источника излучения представлены одним лазером. В таком случае возможно использование системы линз для разведения лучей. Для удобства работы пользователя при настройке сканирующих приборов к работе настоящим изобретением предусмотрено исполнение кантилеверного зонда таким образом, чтобы держатель его имел достаточную протяженность. Это необходимо для того, чтобы, прижав его прижимом 28 за держатель 8 к держателю сканирующих приборов 29, можно было бы удобно работать по фокусированию излучения 26 от второго источника на верхнюю апертуру 16. Если размер кантилеверного зонда для АСМ составляет величину, обычно варьируемую в пределах от 3 мм до 4 мм, то в случае зонда для сканирующих приборов, рассматриваемого в настоящем изобретении, эта величина может составлять величину в пределах от 5 мм до 6 мм.

В настоящем изобретении также предусмотрена возможность, используя зонд, провести анализ излучения, прошедшего через образец. В этом случае на образец 4 (Фиг.17) подается излучение 30, которое, пройдя через него, приобретает характерную структуру интенсивности 31 и через нижнюю апертуру зонда 15 попадает в зонд. Распространяясь 20 по зонду (или его поверхности, если используется кремниевый зонд), благодаря непрозрачному покрытию 14, оно затем выходит через верхнюю апертуру 16 зонда, размещенную на обратной стороне держателя 8. При этом система контроля положения зонда относительно образца через излучение 24 и его отражение 27 позволяет осуществить сканирование по всей поверхности образца. Для устройств носителей информации описанный способ позволяет считывать данные, записанные на материале образца.

В предложенном настоящим изобретением приборе с учетом уже описанных выше вариантов его реализации предлагаются конструкции прибора, позволяющие достичь еще более совершенных результатов: его разрешающая способность и производительность могут быть дополнительно увеличены.

Одним из таких улучшений является предложенная в настоящем изобретении конструкция, использующая два источника некогерентного излучения 24а, b (Фиг.18). После распространения в зонде излучения от них, проходя через нижнюю апертуру 15, выходят, образуя на поверхности образца два "пятна" с некоторым радиусом ("пятно" - это круг с примерно равной интенсивностью излучения, получаемый на плоскости, перпендикулярной направлению распространения пучка излучения). При определенном расположении источников можно добиться такого положение этих "пятен", что их пересечение будет иметь сколь угодно малую величину. Причем интенсивность излучения на этом участке образца будет суммарной. Если при этом настроить детектор МБОП с объективом 12а (Фиг.10а) на "пороговую интенсивность" излучения (равную суммарной величине двух источников), ниже которой регистрация такого излучения не происходит, то в результате можно достичь увеличения разрешающей способности прибора. В случаях использования такого прибора для осуществления литографических работ (или записи информации), выбор уровня "пороговой интенсивности" определяется величиной энергии, необходимой для протекания химической реакции в фоторезисте при его засветке (или способности материала образца-носителя информации изменить свои свойства). Если применить несколько источников излучения, размещенных по периметру кольца с центром, совпадающим с осью острия, то можно добиться оптимальной формы пересечения "пятен" с повышенной интенсивностью. Логичным является применение источника излучения, имеющего кольцевую апертуру, через которую такое излучение выходит из источника. Причем центр такой апертуры также следует размещать на оси острия. Изменяя расстояние от кольцевой апертуры до зонда (приближая или удаляя ее вдоль оси острия), можно добиться самого оптимального результирующего "пятна", найдя, таким образом, "его фокусное" положение.

Для целей увеличения разрешающей способности сканирующих приборов важным элементом должно стать использование интерференции. Если обеспечить условия интерференции излучения, которое направляется на образец, то, таким образом, можно добиться уменьшения размера активного пятна, падающего на образец. Это может быть достигнуто, соответственно, в максимуме интерференционной картины. Идеальным в этом случае будет круглое пятно, в центре центрально-симметричной картины интерференционных колец. Для реализации этого варианта настоящим изобретением предлагается конструкция, использующая два источника когерентного луча излучения (Фиг.15а, b). Конструкция таких источников реализована следующим образом. От лазерного источника 11 распространяется когерентное излучение. Оно раскладывается на два луча когерентного излучения 24 при помощи зеркала 31. Далее эти два луча проходят через зонд, выходя из нижней апертуры 15 зонда. Выходящее излучение формирует центрально-симметричную интерференционную картину: концентрические круги с центральным круглым "пятном". Правильный подбор зеркала 31 и его относительного положения с лазерным источником 11 и зондом обеспечивает максимум "пятна" в плоскости образца в виде круга с малым радиусом, что и обеспечивает увеличение разрешающей способности прибора. Далее, объектив 12а (Фиг.10а), как описано выше, настраивают на "пороговую" интенсивность излучения и активное "пятно" начинает работать как самостоятельный элемент прибора (выводя все остальные элементы интерференционной картины за пределы полезного сигнала). Этого можно добиться, еще и используя второй зонд, расположенный по другую сторону от образца по отношению к формирующему интерференционную картину (см. ниже описание такой конструкции). Тогда необходимо будет добиться попадания центрального круглого "пятна" непосредственно в нижнюю апертуру острия зонда, принимающего излучения. Как показано на Фиг.19b, разложение на два луча когерентного излучения для дальнейшего формирования интерференционной картины может происходить при помощи тонкого слоя 22 на поверхности острия непосредственно перед выходом излучения 20 из апертуры 15. В частности, этим слоем может служить окисный слой на поверхности острия, выполненного из нитрида кремния, технология изготовления которого изображена на Фиг.13b.

Интересным следствием применения такого варианта прибора может явиться получение динамической картины при использовании динамической интерференции, когда максимум излучения, попадающего на исследуемый объект, имеет смещение во времени в виде расходящихся концентрических кругов. Это особенно интересно для изучения процессов "ин сито". При постоянной времени смещения полос интерференции можно получить "покадровый" анализ происходящего в объекте процесса.

Эффекты "пересечения двойных пятен" и "интерференционного пятна", описанные выше, можно использовать и в случае работы с классическими зондами МБОП, а именно, со световодами. Однако более эффективно это будет для зонда, предлагаемого настоящим изобретением.

Настоящее изобретение предлагает также вариант прибора (изображенный на Фиг.20), который содержит средство для генерации излучения, расположенное в зонде. Если на обратную сторону зонда направить поток частиц (например, электронов при работе в вакууме) или излучения 35, то при их попадании в функциональный слой 17, минуя прозрачное для них покрытие 14а, они возбуждают кванты излучения 20, используемые в дальнейшем 21 для облучения образца при выходе из апертуры 15. При этом покрытие 14а является непрозрачным для излучения 24, используемого для реализации системы контроля положения зонда относительно образца. Такая конструкция позволяет увеличить производительность зонда.

Известно, что при просвечивании образца потоком излучения и дальнейшем анализе прошедшей через него световой энергии при помощи зонда для МБОП, принимаемая зондом интенсивность прошедшего излучения велика и достаточна для регистрации. Однако соотношение "сигнал/шум" весьма невелико. В случае генерации собственного характерного излучения образца интенсивность свечения невелика, но соотношение "сигнал/шум" значительно по величине, поскольку сигнал от образца хоть и мал, но представлен на темном фоне. То есть имеет место хорошая контрастность. Предлагаемый в настоящем изобретении прибор имеет средство для усиления такого сигнала. Причем как один из наиболее удачных вариантов реализации следует рассматривать такой, в котором указанное средство усиления размещено в зонде. На Фиг.21а образец 4 облучается излучением 38. В результате такого облучения образец испускает характерное излучение 31, попадающее в нижнюю апертуру 15 зонда. В свою очередь функциональный слой 18, расположенный на поверхности острия, облучается излучением 36, которое попадает в зонд через верхнюю апертуру 16, расположенную в держателе 8 с обратной стороны зонда, и распространяется 37 по всему зонду, достигая функционального слоя 18. В результате такого облучения электроны функционального слоя 18 возбуждаются и переходят в квазистационарное состояние ("попадают в ловушку" с более высокой энергией). При попадании кванта характерного излучения 31 образца в материал функционального слоя он "сбрасывает" электрон с квазистационарного уровня возбуждения. В результате такого "сброса" электрон испускает несколько квантов излучения, переходя на свой стационарный уровень энергии (стационарную орбиту). Испущенные кванты излучения, распространяясь 39 по зонду, достигают верхней апертуры 16 и далее фиксируются приемным объективом сканирующих приборов для последующего анализа. То есть один квант характерного излучения образца порождает, таким образом, несколько квантов характерного излучения функционального слоя, которое затем фиксируется фотоприемником.

Наиболее удачным решением вышеописанного варианта прибора является конструкция, изображенная на Фиг.21b. Здесь образец находится с противоположной стороны тонкой прозрачной подложки относительно зонда, которая может быть выполнена из окисла кремния или нитрида кремния (а также из сапфира, алмаза или алмазоподобного материала). Причем толщина такой подложки может составлять всего 50-100 нм. Подвод (опускание на обратную поверхность подложки) зонда до контакта с нею осуществляется системой контроля положения зонда относительно образца, к примеру так, как это показано на Фиг.21а, а именно через подачу излучения 24 и его отражения 27. После этого источник излучения 24 отключается и мы имеем контакт между вершиной острия 10 зонда и обратной стороной подложки 23. На образец подается излучение 30, которое, проникая через него, проходит материал подложки и попадает в нижнюю апертуру острия 10. Распространяясь 20 в материале зонда, излучение достигает функционального слоя 17, который облучается излучением 36 (в качестве такого излучения можно применить, например, кванты ультрафиолетового диапазона). При попадании в слой 18 квант излучения 20, прошедшего через образец 4 излучения 31, возбуждает несколько квантов излучения 39, которые затем регистрируются приемным объективом сканирующего прибора. Преимуществом такой конструкции прибора является то, что сканирование (скольжение) острия зонда по ровной плоскости обратной стороны подложки осуществляется в полном контакте. С одной стороны, это происходит в одной плоскости, что дает корректную трактовку изображения. С другой стороны, осуществляется без вероятной деформации (повреждения) образца и, наконец, с третьей стороны, позволяет собирать максимальный поток излучения 31, несущего полезную информацию с данной плоскостной координаты (x; у), и не собирать постороннюю, то есть тем самым, увеличивая соотношение "сигнал/шум". При этом гарантией наличия постоянного контакта может служить тот факт, что система контроля положения зонда относительно образца может намеренно и с "запасом надавить" зондом на подложку. Это обеспечит отсутствие зазора между вершиной острия и поверхностью подложки при горизонтальном сканировании, который мог бы появиться из-за вероятного наличия угла между плоскостью подложки и плоскостью перемещения держателя прибора.

Лучшим вариантом сканирующего прибора согласно настоящему изобретению, в котором могут быть реализованы все его новшества, является конструкция, использующая два зонда, направленных друг к другу с помещенной между ними подложкой с образцом. В общем виде, в качестве зонда, испускающего излучение, которое затем проходит через образец и фиксируется другим зондом, может быть применен обычный зонд для МБОП, а именно, на основе световода. Также и второй зонд, принимающий излучение, может быть изготовлен классическим способом из световода. Однако размер "пятна", выходящего из заостренного конца такого зонда, может в несколько раз превосходить апертуру на вершине зонда. Поэтому, наиболее эффективный вариант решения, которое предлагает настоящее изобретение, заключается в применении с обеих сторон кантилеверных зондов, как показано на Фиг.22. Здесь излучение 24а, падающее на левер с обратной стороны нижнего зонда и отражаясь 27а от него, обеспечивает обратную связь для системы контроля положения зонда (его острия) относительно образца 4. Излучение 26 через верхнюю апертуру 16а проникает в нижний зонд, распространяясь 20 в нем до апертуры 15а, через которую оно затем выходит. Выходящее излучение 21, проникая через образец 4 и частично поглощаясь в нем, выходит из него 31, неся необходимую информацию. Это излучение 31 затем попадает в апертуру 15b и, распространясь 25 по поверхностному слою 13, достигает апертуры 16b. Выходящее из апертуры 16b излучение 32 попадает в приемный объектив сканирующих приборов для последующего анализа. Очевидно, что описанный здесь согласно Фиг.18 сканирующий прибор содержит средства, позволяющие достичь от нижнего зонда тех же свойств, что и от верхнего зонда. То есть фактически сканирующий прибор имеет два зонда, направленных друг на друга вершинами острий, при котором один будет подавать в нужную точку (x; у) образца излучение, а другой осуществлять прием излучения, прошедшего через данную точку (x; у) образца. Такой прибор позволит снизить "шум", то есть увеличить соотношение "сигнал/шум", что значительно повысит разрешающую способность прибора. Одним из наиболее удачных вариантов такой конструкции прибора является тот, в котором в качестве "верхнего" зонда, движущегося по развитому рельефу поверхности образца, используется кремниевый зонд с острием, имеющим малый угол при вершине и малый радиус закругления такой вершины, с прозрачным поверхностным слоем из окисла кремния. Такой зонд, как указывалось выше, имеет лучшую возможность "залезть" во все щели, тем самым снизить вероятность приема излучения рассеянного на элементах образца, не совпадающих с координатами вершины "нижнего" острия зонда. А в качестве "нижнего" - зонд, выполненный из нитрида кремния, который будет сканировать по плоской поверхности подложки с образцом, с обратной стороны от него, находясь в постоянном контакте с подложкой. Причем, если материалом подложки будет являться также нитрид кремния, то снижается эффект преломления (рассеяния) излучения, который может иметь место при переходе излучением границы двух разнородных материалов. При этом возможны, соответственно, два варианта подачи облучающего излучения на образец: как через "нижний" зонд с приемом такого излучения "верхним" зондом, так и наоборот. Для еще более удачной реализации такого варианта прибора, предлагаемого настоящим изобретением, возможно применение так называемых монокристаллических вискерных зондов, получаемых методом эпитаксиального роста [10]. Благодаря такому методу изготовления зонда можно получить острие высотой 50 мкм и более. В таком случае, держатель зонда можно расположить параллельно образу, при этом его не задевая. Тогда ось острия будет строго перпендикулярна поверхности образца, что облегчает задачу направления входящего в нижнюю апертуру (или исходящего из нее) излучения строго перпендикулярно, что также увеличивает разрешающую способность прибора в целом. "Нижний" зонд (из нитрида кремния) также можно расположить параллельно поверхности подложки образца (то есть, ось самого острия - перпендикулярно), так как, несмотря на малую величину высоты такого острия, плоская поверхность подложки позволит работать такому зонду, "не цепляясь" за его держатель. В общем виде порядок подготовки такого прибора к сканированию, как и само сканирование может выглядеть следующим образом. Средством позиционирования два зонда ("верхний" и "нижний") направляются друг на друга. Системой юстировки относительного положения (средством позиционирования) вершин зондов путем подачи излучения через вершину одного зонда и прием вершиной другого добиваются максимального соотношения "шум/сигнал". Координаты зондов фиксируются компьютером, входящим в систему контроля относительного их положения. При этом возможно использование специальной подложки без образца, которая может вводиться между вершинами зондов. После этого зонды разводятся. В пространство между ними вводится подложка с образцом. Затем осуществляется подвод зондов к поверхности подложки и образца. После этих процедур начинается сканирование и производство работ над образцом. Оптимальным при этом является подача перемещения сканирования через держатель прибора, на котором закреплена подложка с образцом, таким образом, что держатели зондов относительно прибора не перемещаются. То есть они остаются неподвижными. Подвижной во время сканирования является подложка. Вершина "нижнего" зонда все время прилегает к поверхности, а вершина верхнего - перемещается вверх-вниз, повторяя рельеф поверхности образца. В некоторых случаях более оптимальным может явиться фиксация и вершины "верхнего" зонда на определенном расстоянии от исследуемого образца. То есть вершины обоих зондов в таком случае остаются неподвижными в течение всего сканирования: "нижний" - в контакте с поверхностью подложки образца, "верхний" - на дистанции от поверхности образца.

Для задач записи информации на оптический носитель и считывания ее с него возможен следующий вариант реализации настоящего изобретения. Так же, как и в предыдущем абзаце применяются два зонда, вершины которых расположены друг напротив друга. Между ними помещается образец (активное вещество), зажатый двумя плоскими тонкими подложками. Получившийся "сэндвич" "обжимается" вершинами обоих зондов, подобно пластине, попавшей между двумя зубьями верхней и нижней челюстей какого-либо животного (Фиг.23). Иными словами, оба зонда своими вершинами касаются подложек 23а, b образца 4, расположенных по обе его стороны. При этом излучение 26, падая через первый зонд и проходя через его нижнюю апертуру, попадает в образец 4, а затем и в нижнюю апертуру другого зонда. Выходящее из второго зонда излучение фиксируется приемным объективом сканирующего прибора. Если подавать излучение 26 большой интенсивности, а приемный объектив отключить (или отвести), можно вызвать изменение свойств образца. Таким образом, например, произвести запись информации на носитель. Если же подать неинтенсивное излучение и включить приемный объектив, то, в таком случае, процесс следует рассматривать как считывание информации с носителя.

В данном варианте прибора также может быть реализован случай, когда зонд, вместо подачи на образец облучающего излучения (которое, проходя через образец, фиксируется принимающим зондом), подает в данную его точку с плоскостными координатами (x; у) излучение, возбуждающее собственное характерное излучение образца. Это излучение дальше может быть зарегистрировано (принято) и усилено принимающим зондом, расположенным, соответственно, по другую сторону от образца.

Пример 4.

Наряду с вышеперечисленными примерами применения настоящего изобретения, настоящее изобретение также позволяет решать задачи по литографии с нанометрическим разрешением, причем для увеличения производительности может быть использована такая конструкция прибора, которая включает по крайней мере два параллельно самостоятельно работающих зонда (или по крайней мере две пары зондов для случая, когда вершины острий двух зондов в каждой паре смотрят друг на друга). На Фиг.24 изображен вариант реализации такой конструкции. По периметру подложки размещены левера с остриями для реализации плоскопараллельного размещения подложки со множеством острий относительно подложки с образцом (фоторезистом). Благодаря такой конструкции возможно производство однотипных воздействий на образец. Причем задавая расстояние между остриями на такой подложке (не расположенных на гибких частях подложки - леверах), можно варьировать масштаб мультипликации (масштабирования) одинаковых воздействий на все поверхности образца. При этом расстояния между остриями могут варьироваться от 1 мкм до 1000 мкм и более.

Литература

1. К.Itsumi, M.Kourogi and M.Ohtsu, Appl.Phys.Lett., 80, 2257 (2002).

2. W.Noell, M.Abraham, W.Ehrfeld, M.Lacher and K.Mayr, J.Micromech. Microeng., 8, 111 (1998).

3. R.Eckert, J.Moritz Freyland, H.Gersen, H.Heinzelmann, G.Schwmann, W.Noell, U.Stauber and Nico F.De Rooij, Appl. Phys. Lett., 77, 3695 (2000).

4. Shimada, et al., US Patent 6,201,226, Mar.13, 2001.

5. Shimada, et al., US Patent 6,333,497, Dec.25, 2001.

6. Sasaki et al., US Patent 6,469.288, Oct.22, 2002.

7. Sasaki et al., US Patent 6,545,276, Apr.8, 2003.

8. Bayer et al., US Patent 5,051,379, Sep.24, 1991.

9. Bayer et al., US Patent 5,242,541, Sep.7, 1993.

10. Givargizov et al., US Patent 6,458,206 B1, Oct.1, 2002.