close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент РФ 2335735

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
RU
(19)
(11)
2 335 735
(13)
C1
(51) МПК
G01B 11/255 (2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
(21), (22) За вка: 2006144615/28, 15.12.2006
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
15.12.2006
(45) Опубликовано: 10.10.2008 Бюл. № 28
Адрес дл переписки:
124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, 5,
МИЭТ, патентно-лицензионный отдел
(73) Патентообладатель(и):
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образовани Московский государственный институт
электронной техники (технический университет)
(RU)
(54) ТЕСТОВАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ОЦЕНКИ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ОСТРИЯ ИГЛЫ КАНТИЛЕВЕРА
2 3 3 5 7 3 5
собой подложку, на которой расположена тонка пленка алюмини , содержаща приповерхностный
слой основани . Подложка выполнена из
монокристаллического кремни . Технический
результат - повышение воспроизводимости в
оценке радиуса кривизны игл кантилеверов. 3 з.п.
ф-лы, 6 ил.
R U
(57) Реферат:
Тестова структура дл оценки радиуса
кривизны остри иглы кантилевера сканирующей
зондовой микроскопии состоит из основани , на
котором размещены вертикально расположенные
остри . Основание содержит приповерхностный
слой, имеющий рельефную чеистую структуру с
плотной упаковкой, соседние чейки имеют общую
стенку. Кажда чейка вл етс , как минимум,
п тистенной, стенки каждой чейки расположены
вертикально, верхние кромки стенок чеек имеют
вогнутую форму. Остри выполнены соединением в
узловых местах трех верхних кромок стенок
различных чеек, радиус кривизны вершин острий
от 1 до 3 нм, высота острий от 20 до 100 нм.
Рассто ние между отдельными остри ми от 10 до
500 нм, приповерхностный слой основани выполнен из алюмини . Основание представл ет
Страница: 1
RU
C 1
C 1
СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ
2 3 3 5 7 3 5
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: RU 2121130 С1, 27.10.1998. ЕР 0676614
А, 11.10.1995. RU 2001135713 А, 20.11.2003.
RU 2121656 A, 10.11.1998. FR 2704643 A,
04.11.1994.
R U
(72) Автор(ы):
Белов Алексей Николаевич (RU),
Гаврилов Сергей Александрович (RU),
Орлов Игорь Юрьевич (RU),
Тихомиров Алексей Александрович (RU),
Шев ков Василий Иванович (RU)
RUSSIAN FEDERATION
RU
(19)
(11)
2 335 735
(13)
C1
(51) Int. Cl.
G01B 11/255 (2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
(21), (22) Application: 2006144615/28, 15.12.2006
(24) Effective date for property rights: 15.12.2006
(45) Date of publication: 10.10.2008 Bull. 28
Mail address:
124498, Moskva, Zelenograd, proezd 4806, 5,
MIEhT, patentno-litsenzionnyj otdel
(54) TEST STRUCTURE FOR ESTIMATION OF CURVATURE RADIUS OF SCANNING PROBE
2 3 3 5 7 3 5
with thin aluminium film containing near-surface
foundation layer. The substrate is made of singlecrystalline silicon.
EFFECT: improved reproducibility of cantilever
needle curvature radius estimation.
4 cl, 6 dwg
R U
(57) Abstract:
FIELD: physics.
SUBSTANCE: test structure for estimation of
curvature radius of scanning probe microscopy
cantilever needle-point consists of foundation
with
vertical
needle-points.
The
foundation
contains
close-packed
relief
cellular
nearsurface layer, adjacent cells have common wall.
Each cell is at least five-walled, walls of each
cell are vertical, and cell wall tops are
concave. Needle-points are joined in knot areas
of three wall tops of various cells, curvature
radius of needle-point tops is 1 to 3 nm, and
needle-point heights are 20 to 100 nm. Distance
between separate needle-points is 10 to 500 nm,
near-surface
foundation
layer
is
made
of
aluminium. The foundation represents substrate
Страница: 2
EN
C 1
C 1
MICROSCOPY CANTILEVER NEEDLE-POINT
2 3 3 5 7 3 5
(73) Proprietor(s):
Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie
vysshego professional'nogo obrazovanija
Moskovskij gosudarstvennyj institut
ehlektronnoj tekhniki (tekhnicheskij universitet) (RU)
R U
(72) Inventor(s):
Belov Aleksej Nikolaevich (RU),
Gavrilov Sergej Aleksandrovich (RU),
Orlov Igor' Jur'evich (RU),
Tikhomirov Aleksej Aleksandrovich (RU),
Shevjakov Vasilij Ivanovich (RU)
RU 2 335 735 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Изобретение относитс к области нанотехнологий и наноэлектроники, а более конкретно
к сканирующей зондовой микроскопии.
Известен р д тестовых структур [1-3], которые используютс дл определени геометрических параметров кантилеверов, примен емых в сканирующей зондовой
микроскопии (СЗМ). В частности, они позвол ют оценить значение радиуса кривизны
остри игл кантилеверов. Информаци о величине радиуса кривизны иглы канитилевера
чрезвычайно важна в атомной силовой микроскопии (АСМ), вл ющейс одним из
основных методов СЗМ. Дело в том, что на основе АСМ не удаетс получить истинное
изображение локальных частиц с размером, меньшим радиуса кривизны остри иглы
кантилевера. Поэтому, зна величину радиуса кривизны остри иглы используемого
кантилевера, можно судить об истинности получаемого изображени нанообъектов.
Так, в [1] в качестве тестовых используют структуры, представл ющие собой
основание, на котором размещены регул рно расположенные локальные выступы в виде
параллелограммов, на верхней части которых расположены усеченные пирамиды, нижнее
основание которых совпадает с основанием параллепипедов, а верхнее основание имеет
больший размер. Указанные структуры микроразмерные, т.к. выполнены с использованием
технологии микроэлектроники. При сканировании таких структур иглой кантилевера
обеспечиваетс возможность оценки формы остри иглы кантилевера. Однако данные
структуры позвол ют оценить форму иглы только с одной стороны. В силу того, что это
микроразмерные структуры, не удаетс точно оценить радиус кривизны игл канилеверов,
который составл ет около 10 нм. Кроме того, эти структуры расположены на рассто нии,
составл ющем единицы мкм. Чтобы использовать ансамбль выступов дл более
объективной оценки радиуса кривизны остри игл кантилеверов, необходимо использовать
значительное поле сканировани . Однако, чем больше поле сканировани в АСМ, тем ниже
точность измерений в ней. Поэтому информаци о геометрических параметрах канилевера
собираетс по сути при сканировании лишь одиночного выступа.
Известно техническое решение [2], представл ющее собой острийную структуру, котора включает монокристаллическую подложку, на которой локально расположены остри ,
выполненные из монокремни или представл ющие собой нанотрубки. Данна структура
также имеет недостатки. В частности, если остри выполнены из кремни , то в процессе
сканировани весьма веро тен процесс механического разрушени вершин острий, так как
кремний вл етс хрупким материалом. Если остри выполнены в форме нанотрубок, то во
врем сканировани под действием кантилевера остри подвержены движению, что
искажает результаты измерений. Исход из технологии создани данных структур, весьма
веро тно то, что величина радиуса кривизны острий имеет значительный разброс. Это в
первую очередь относитс к остри м, выполненным из нанотрубок. Это снижает в целом
воспроизводимость оценки радиуса кривизны игл кантилеверов с использованием данных
тестовых структур.
Наиболее близким аналогом по техническому решению к за вл емому вл етс [3].
Техническое решение представл ет собой тестовую структуру дл определени формы
и геометрических размеров иглы сканирующего зондового микроскопа, состо щей из
основани и расположенных на нем выступающих микроструктур правильной
геометрической формы. Выступающие микроструктуры выполнены в виде вертикально
расположенных игл. Радиус кривизны остри игл составл ет величину, меньшую 10 нм.
Недостатком такой структуры вл етс то, что структуры подобно описанным в [1]
расположены на рассто нии, составл ющем единицы мкм. Поэтому при использовании
ансамбл игл дл объективной оценки радиуса кривизны остри снижаетс точность
измерений. Как следует из [4], где показан пример реализации тестовой структуры [3],
в лучшем случае воспроизводимый радиус кривизны игл структуры составл ет 8-10 нм, что
не позвол ет оценить качество кантилеверов с меньшим радиусом кривизны их игл. Иглы
имеют значительную высоту (8-10 мкм), что вл етс крайне проблематичным дл их
сканировани (крайне т жело к ним подвестись иглой кантилевера, необходимо проводить
измерени при значительной амплитуде колебани кантилеверов и т.д.). А поскольку они
Страница: 3
DE
RU 2 335 735 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
выполнены из кремни , весьма веро тен процесс механического разрушени вершин игл
при их сканировании кантилевером. Все в целом определ ет невысокую
воспроизводимость в оценке радиуса кривизны остри игл кантилеверов с использованием
данных тестовых структур.
Цель - обеспечение повышенной воспроизводимости в оценке радиуса кривизны игл
кантилеверов.
Сущность изобретени заключаетс в следующем.
Тестова структура дл оценки радиуса кривизны остри иглы кантилевера в
сканирующей зондовой микроскопии состоит из основани , на котором размещены
вертикально расположенные остри . Она характеризуетс тем, что основание содержит
приповерхностный слой, имеющий рельефную чеистую структуру (сотообразную). Ячейки
структуры плотно упакованы. Соседние чейки имеют общую стенку, при этом кажда чейка вл етс , как минимум, п тистенной. Стенки каждой чейки расположены
вертикально. Верхние кромки стенок чеек имеют вогнутую форму. Остри выполнены
соединением в узловых местах трех верхних кромок стенок различных чеек. Радиус
кривизны вершин острий от 1 до 3 нм, высота острий 20 до 100 нм, рассто ние между
отдельными остри ми от 10 до 500 нм. Приповерхностный слой основани выполнен из
алюмини . Тестова структура может быть выполнена полностью из алюмини . Другим
вариантом выполнени основани структуры вл етс подложка, на которой расположена
тонка пленка алюмини , содержаща приповерхностный слой основани . Одним из
наиболее подход щих материалов подложки вл етс кремний.
На фиг.1 приведено схематическое изображение тестовой структуры дл оценки радиуса
кривизны остри иглы кантилевера сканирующей зондовой микроскопии (вид сверху).
На фиг.2 приведено поперечное сечение тестовой структуры, где а - высота острий,
b - рассто ние между остри ми.
На фиг.3 приведено укрупненное изображение вершины остри тестовой структуры, где
R - радус кривизны вершины остри .
На фиг.4. изображено схематическое изображение структуры пористого оксида
алюмини , где 1 - барьерный слой оксида алюмини , 2 - пора, 3 - оксидна чейка.
На фиг.5 приведены типичные двумерное (а) и трехмерное (б) атомно-силовые
изображени поверхности тестовой структуры, полученные с использованием
кантилеверов 1-го и 2-го типов.
На фиг.6 приведены двумерное (а) и трехмерное (б) атомно-силовые изображени поверхности тестовой структуры, полученные с использованием кантилеверов 3-го типа.
По сути за вл ема тестова структура содержит приповерхностный
нанопрофилированный слой алюмини , структуру которого иллюстрируют фиг.1, 2 и 3.
Особенности за вл емой структуры св заны с конструктивными особенност ми пористого
анодного оксида алюмини .
С использованием имеющихс в насто щее врем модельных представлений и
натурных экспериментов можно сформулировать основные положени физикогеометрической модели строени анодной оксидной пленки пористого типа:
1. Пориста анодна оксидна пленка представл ет собой плотноупакованные оксидные
чейки, вл ющиес в идеальном случае шестистенными, спа нные между собой стенками
(см. фиг.4).
2. Оксидные чейки направлены нормально к поверхности металла и параллельны друг
другу.
3. В центре каждой чейки имеетс одна пора.
4. На границе раздела с алюминием поверхность анодного оксида имеет развитый
рельеф (поверхность чеек представл ет собой выпуклую полусферу).
В зависимости от условий изготовлени период чейки можно измен ть в диапазоне от
единиц до сотен нанометров.
Из-за возможных дефектов в реальных структурах пористого оксида алюмини могут
наблюдатьс п тистенные и семистенные чейки.
Страница: 4
RU 2 335 735 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Если в приповерхностном слое алюмини сформировать слой пористого анодного
оксида алюмини и селективно его удалить, то поверхность сло алюмини наследует
рельеф нижней поверхности анодного оксида. Такой слой алюмини с развитой
нанорельефной поверхностью и вл етс тестовой структурой дл оценки радиуса
кривизны остри иглы кантилевера в сканирующей зондовой микроскопии. Стенки каждой
чейки в тестовой структуре расположены вертикально. Верхние кромки стенок чеек
имеют вогнутую форму. Остри выполнены соединением в узловых местах трех верхних
кромок стенок различных чеек. Из массива имеющихс экспериментальных результатов
было вы влено, что высота острий находитс в диапазоне от 20 до 100 нм. Рассто ние
между отдельными остри ми в диапазоне от 10 до 500 нм. Это обусловлено тем, что
существующие электролиты не обеспечивают воспроизводимого формировани пористого
анодного оксида алюмини менее 10 нм и более 0,5 мкм. Приповерхностный слой
основани выполнен из алюмини . Тестова структура может быть выполнена полностью
из алюмини . Этот случай реализуетс , когда основанием вл етс алюминиева фольга.
Основание структуры может быть выполнено в виде подложки, на которой расположена
тонка пленка алюмини , содержаща приповерхностный слой основани . Это
обеспечивает высокую механическую прочность структуры. Одним из наиболее
подход щих материалов подложки вл етс кремний. Это обусловлено тем, что алюминий
имеет хорошую адгезию к кремнию. Кроме того, развита в насто щее врем технологи кремниевой микроэлектроники существенно упрощает технологию создани таких структур.
Дл доказательства достижимости конструктивных параметров за вл емой тестовой
структуры было проведено детальное исследование поверхности алюмини после
удалени с него сло пористого анодного оксида алюмини .
Дл исследовани были изготовлены кремниевые кантилеверы, имеющие различный
радиус кривизны остри иглы:
- стандартные кантилеверы с радиусом кривизны остри иглы ~10-30 нм (1-го типа);
- кантилеверы, содержащие специально выращенное на вершине иглы углеродное
острие с радиусом кривизны ~5-7 нм (2-го типа);
- кантилеверы, имеющие специально выращенное на вершине иглы кремниевое острие
с радиусом кривизны ~1-2 нм (3-го типа).
На основе метода атомной силовой микроскопии в полуконтактном режиме была
исследована топографи нанорельефной поверхности алюмини с использованием
каждого из трех типов кантилеверов. С использованием первых двух типов кантилеверов
было получено 3-х мерное изображение поверхности алюмини , согласующеес с
известными данными (см. фиг.5). С использованием кантилеверов 3-го типа впервые на
основе АСМ было получено изображение структуры пористого оксида, принципиально
отличающеес от известных (см. фиг.6). Вы вленна разница в полученных изображени х
поверхности структуры обусловлена следующим. При измерени х морфологии
поверхности на основе АСМ характерно паразитное вление конволюции, часто
привод щее к искажению истинной картины рельефа поверхности. Суть влени в том, что
кажда точка данных на получаемом изображении исследуемой рельефной поверхности
представл ет собой пространственную свертку формы остри иглы кантилевера и формы
исследуемого объекта. Получаема картина поверхности вместо изображени локальных
частиц с размером, меньшим радиуса кривизны остри иглы кантилевера, содержит
изображение остри иглы. С использованием кантилеверов 3-го типа вление конволюции
удалось преодолеть и получить изображение, в максимальной степени приближенное к
истинному. Из результатов исследовани было вы влено, что структура реальных
элементарных чеек пористого оксида алюмини отличаетс от идеальных тем, что в
узловых местах соединени верхних кромок стенок трех чеек различных чеек
наблюдаютс остри , радиус кривизны вершины которых находитс в диапозоне от 1 до 3
нм (см. фиг.3) и которые не могли быть зафиксированы с использованием традиционных
кантилеверов.
Такие слои алюмини с развитой упор доченной нанорельефной поверхностью по сути
Страница: 5
RU 2 335 735 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
как раз и представл ют собой тестовые структуры дл точного определени радиуса
кривизны вершины остри иглы ккантилеверов, используемых в сканирующей силовой
микроскопии.
Пример исполнени Тестова структура дл оценки радиуса кривизны остри иглы кантилевера
сканирующей зондовой микроскопии состоит из основани , представл ющего собой
алюминиевую фольгу. Приповерхностный слой имеет рельефную чеистую структуру
(сотообразные чейки). Ячейки плотно упакованы. Кажда чейка вл етс шестистенной.
Различные чейки имеют общую стенку. Стенки каждой чейки расположены вертикально.
Верхние кромки стенок имеют вогнутую форму. Остри выполнены соединением в узловых
местах верхних кромок трех стенок различных чеек. Радиус кривизны вершин острий
равен 2 нм. Высота острий равна 40 нм, рассто ние между отдельными остри ми равно 0,1
мкм.
Данную структуру можно изготовить следующим образом.
В качестве исходной была выбрана алюминиева фольга толщиной 300 мкм. Провод т
анодное окисление верхней части алюминиевой фольги. Анодирование провод т в 1 М
водном растворе ортофосфорной кислоты при плотности тока 10 мА/см 2 в течение дес ти
минут. В течение всей стадии напр жение между анодируемым образцом и катодом
составл ет 120 В. Слой анодного оксида селективно по отношению к нижележащему
алюминию удал ют в смеси Н3PO4 и CrO3.
Источники информации
1. Патент США US5578745, G01H 1/00, 1996.
2. Патент РФ №2001135713, G01L 1/00, 2003.
3. Патент РФ №97101994, G01B 15/00, 1999 - прототип.
4. V.Bykov, A.Gologanov, V.Shevyakov. Test structure for SPM tip shape
deconvolution. / Appl. Phys. A. 1998. V.66. P.499-502.
Формула изобретени 1. Тестова структура дл оценки радиуса кривизны остри иглы кантилевера
сканирующей зондовой микроскопии, состо ща из основани , на котором размещены
вертикально расположенные остри , отличающа с тем, что основание содержит
приповерхностный слой, имеющий рельефную чеистую структуру с плотной упаковкой,
соседние чейки имеют общую стенку, а кажда чейка вл етс как минимум п тистенной,
стенки каждой чейки расположены вертикально, верхние кромки стенок чеек имеют
вогнутую форму, остри выполнены соединением в узловых местах трех верхних кромок
стенок различных чеек, радиус кривизны вершин острий от 1 до 3 нм, высота острий от
20 до 100 нм, рассто ние между отдельными остри ми от 10 до 500 нм, приповерхностный
слой основани выполнен из алюмини .
2. Тестова структура по п.1, отличающа с тем, что основание выполнено из
алюмини .
3. Тестова структура по п.1, отличающа с тем, что основание представл ет собой
подложку, на которой расположена тонка пленка алюмини , содержаща приповерхностный слой основани .
4. Тестова структура по п.3, отличающа с тем, что подложка выполнена из
монокристаллического кремни .
50
Страница: 6
CL
RU 2 335 735 C1
Страница: 7
DR
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
473 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа