Носитель проводящих зондов для сканирующих зондовых микроскопов

 

Изобретение относится к нанотехнологии, в частности к устройствам переноса зондов в высоковакуумных комплексах между различными технологическими модулями с использованием сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ). Сущность: в носителе зондов, содержащем проводящее основание с системой отверстий и блоком механического крепления зонда с острием, выступающим относительно него, блок механического крепления зонда содержит диэлектрический корпус с отверстием и проводящий вкладыш с отверстием, ось которого расположена под углом к оси отверстия диэлектрического корпуса, причем проводящий вкладыш установлен в отверстии диэлектрического корпуса с одной стороны, а зонд установлен в отверстии проводящего вкладыша противоположным концом от острия с возможностью взаимодействия с поверхностью отверстия диэлектрического корпуса. Технический результат: расширение используемых заряженных частиц, уменьшение теплового контакта зонда и основания, повышение качества очистки, повышение надежности крепления зонда к корпусу. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам переноса зондов в высоковакуумных комплексах между различными технологическими модулями с использованием сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ).

Известен носитель зондов, содержащий проводящее основание, сопряженное с проводящим захватом обжимного разового действия, в котором установлен проводящий зонд [1].

Недостатки этого устройства заключаются в том, что в процессах термической обработки участвует проводящее основание, что приводит к взаимодействию с ним потоков частиц и частичному его распылению, а это в свою очередь ухудшает процесс очистки зондов. Также при съеме информации с зонда в СЗМ [2-4] наличие проводящего основания увеличивает наводки и утечки на зонде и, соответственно, ухудшает разрешение прибора. Использование обжимного разового захвата удорожает технологический процесс.

Известен также носитель зондов, содержащий проводящее основание с системой отверстий для манипулирования и с блоком механического крепления зонда [5].

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Использование проводящего основания так же, как и в устройстве [1] ухудшает процесс очистки зонда и увеличивает наводки на него.

Техническая задача изобретения заключается в улучшении процесса очистки зонда и уменьшении наводок на него.

Это достигается тем, что в носителе зондов, содержащем проводящее основание с системой отверстий и блоком механического крепления зонда с острием, выступающим относительно него, блок механического крепления зонда содержит диэлектрический корпус с отверстием и проводящий вкладыш с отверстием, ось которого расположена под углом к оси отверстия диэлектрического корпуса, причем проводящий вкладыш установлен в отверстии диэлектрического корпуса с одной его стороны, а зонд установлен в отверстии проводящего вкладыша противоположным концом от острия с возможностью взаимодействия с поверхностью отверстия диэлектрического корпуса.

Один из вариантов выполнения носителя заключается в формировании выступа на наружной поверхности с противоположной стороны от проводящего вкладыша. Кроме этого, между этим выступом и проводящим основанием может быть зазор.

Существует также вариант, в котором зонд касается поверхности отверстия диэлектрического корпуса на расстоянии от его конца с противоположной стороны от проводящего вкладыша.

Возможно также формирование выступа на внутренней поверхности отверстия диэлектрического корпуса с противоположной стороны от проводящего вкладыша и установка зонда с зазором относительно него.

Носитель проводящих зондов для СЗМ (см. фиг.1-3) содержит основание 1 с отверстиями 2 и 3 для манипулирования и с блоком механического крепления проводящего зонда 4, содержащего диэлектрический корпус 5 с отверстием 6 и выступами 7 и 8, соответственно, на наружной и внутренней поверхностях корпуса 5, а также проводящий вкладыш 9 с отверстием 10, ось которого расположена под углом α к оси отверстия 6 корпуса 5. В отверстии 10 вкладыша 9 установлен (например, по скользящей посадке) проводящий зонд 4 с острием 11. Корпус 5 закреплен в основании 1 посредством винта 12.

Возможен также вариант, когда выступ 7 расположен с зазором А относительно основания 1, зонд 4 касается отверстия 6 на расстоянии Б от его конца и установлен с зазором В относительно выступа 8.

Детали поз. 1, 9, 12 целесообразно выполнять из тантала, молибдена или вольфрама [6], проводящий зонд 4 - из вольфрама, а корпус 7 - из алунда.

Обязательной операцией в высоковакуумных комплексах с использованием СЗМ является очистка зонда и снятие с него окисла путем его нагрева и бомбардировки заряженными частицами [7-9]. Для этого внутри высоковакуумного комплекса (фиг.2) носитель устанавливают вкладышем 9 на электрод 13, сопряженный с диэлектрическим держателем 14. При этом с противоположной стороны в зоне острия 11 расположена спираль 15 со вторым диэлектрическим держателем 16. Спираль 15 и электрод 13 подключены к блоку питания 17 (например, БП-0,25).

Высоковакуумный комплекс при этом может содержать аналитическую камеру 18 с СЗМ 19, подвешенным на пружинах 20 с возможностью взаимодействия зацепом 21 с захватом 22, а также взаимодействия с упорами 23.

Кроме этого, высоковакуумный комплекс может содержать камеру подготовки 24 с линейным манипулятором по оси Х 25 с захватом 26 и с установленным на нем основанием 1 носителя зонда 4, а также линейным манипулятором по оси Z 27 с токоподводом 13. Камеры 18 и 24 соединены с системой откачки 28, а между ними установлен затвор 29. Камера 24 может быть одновременно и загрузочной камерой. Возможен также вариант соединения камеры 24 с дополнительной загрузочной камерой (не показана). Более подробно высоковакуумный комплекс не описан, т.к. с аналогичными комплексами можно ознакомиться в [10, 11].

На камере 24 может быть установлен оптический пирометр ОППИР - 0,17, оптически сопряженный с острием 11.

Вариант закрепления носителя зонда 4 в СЗМ содержит, например, основание 31 (токосъемник), диэлектрический упор 32 и прижим 33 (подробнее СЗМ см. в [2-4]).

Устройство работает следующим образом. Устанавливают предварительно подготовленный зонд 4 во вкладыш 9 (подготовку зондов см. в [12-14]). После этого зонд 4 изгибают и закрепляют вместе с вкладышем 9 в отверстии 6. Закрепление происходит благодаря пружинным свойствам зонда (вольфрама), которые частично сохраняются при нагреве до 2000^oС.

После этого посредством винта 12 закрепляют корпус 5 в основании 1 и устанавливают его на захвате 26.

Посредством манипулятора 27 соединяют электрод 13 с вкладышем 9 и подают напряжение питания на спираль 15 с целью ее нагрева.

Для возникновения потока электронов между спиралью и зондом необходимо нагреть спираль 15 до температуры, при которой с нее начинается эффективная термоэмиссия электронов (если спираль изготовлена из вольфрама, то на практике Т_c=1500 - 2000^oС) и приложить к зонду 4 положительное напряжение относительно спирали, обеспечив тем самым тянущее электрическое поле для электронов от спирали 15 к зонду 4.

На практике величина положительного потенциала выбирается на уровне 1,0÷1,5 кV. Изменяя температуру нагрева спирали, добиваются потока электронов от спирали на зонд, при котором происходит разогрев зонда до Т₃≈1700^oС. При этой температуре происходит эффективная термодесорбция с поверхности зонда окислов и других загрязнений, стимулированная электронным ударом.

После проведения процесса очистки зонда 4 открывают затвор 29 и загружают зонд 4 в СЗМ 19 для последующего использования (см., подробнее в [2-4] ).

Применение диэлектрического корпуса позволяет использовать практически весь поток заряженных частиц для очистки зонда и уменьшить его тепловой контакт с основанием, что улучшает качество очистки зонда и уменьшает наводки на него.

Использование проводящего вкладыша с отверстием, ось которого расположена под углом к оси отверстия корпуса, улучшает надежность крепления зонда, а также за счет возникающего при этом точечного контакта зонда с корпусом улучшает качество очистки зонда и уменьшает наводки на него. Формирование выступа на наружной поверхности корпуса, а также зазор между ним и основанием препятствует попаданию распыляемого материала со спирали и зонда на внешнюю поверхность диэлектрического корпуса и тем самым уменьшает его поверхностную проводимость. Это также улучшает очистку зонда, благодаря более полному использованию потока заряженных частиц, которые в меньшей степени "стекают" по поверхности корпуса на проводящие элементы конструкции, и уменьшает наводки на него.

Формирование выступа на внутренней поверхности корпуса препятствует попаданию распыляемого материала на нее, а касание зондом отверстия корпуса на расстоянии от его конца уменьшает "стекание" зарядов и улучшает очистку зонда. Вместе с этим это также приводит к уменьшению наводок и утечек на зонд при его использовании в СЗМ.

ЛИТЕРАТУРА 1. Проспект фирмы OMICRON, Instruments for surface science, UHVSTM.

2. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков и др. Сенсорные системы, т. 12, 1, 1998 г., с.99-121.

3. Сканирующая туннельная и атомно - силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И. Данилов, Успехи химии 64 (8), 1995 г., с.818-833.

4. Сканирующая туннельная микроскопия. B.C.Эдельман, ПТЭ 5, 1989 г., с. 25-49.

5. Патент России 2158454, H 01 J 37/26, 1999 г.

6. З. П. Волкова и др. Технология электровакуумных материалов., Л., "Энергия", 1972 г., 216 с.

7. R. Enlandsson and V. Yakimov, Force interaction between a W tip and Si(III) investigated under ultrahigh vacuum conditions., Phys. Rev. B, V. 62, 20 (13680-13686), 2000.

8. D.K. Biegeisen, et. al., Simple ion milling preparation of (l11) tungsten tips., Appl. Phys. Lett. 54 (13), 27 March 1989.

9. Патент России 2058612, H 01 J 37/285, 1996 г.

10. Патент ЕР 0899561 Al, G 01 N 27/00, 1998 г.

11. Технология тонких пленок. Под редакцией Л. Майссела, Р. Глэнга., т. 1, стр.275-351. - М.: "Сов. Радио", 1977 г.

12. Патент Японии 04203903А, G 01 B 7/34, 1990 г.

13. Патент Японии 02066402А, G 01 B 7/34, 1988 г.

14. Патент Японии 04344403, G 01 B 7/34, 1991г.

Формула изобретения

1. Носитель зондов, содержащий проводящее основание с системой отверстий и блоком механического крепления зонда с острием, выступающим относительно него, отличающийся тем, что блок механического крепления зонда с острием содержит диэлектрический корпус с отверстием и проводящий вкладыш с отверстием, ось которого расположена под углом к оси отверстия диэлектрического корпуса, причем проводящий вкладыш установлен в отверстии диэлектрического корпуса с одной стороны, а зонд установлен в отверстии проводящего вкладыша противоположным концом от острия с возможностью взаимодействия с поверхностью отверстия диэлектрического корпуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на диэлектрическом корпусе сформирован выступ на наружной поверхности с противоположной стороны от проводящего вкладыша.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что между выступом на наружной поверхности корпуса и проводящим основанием имеется зазор.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зонд касается поверхности отверстия диэлектрического корпуса на расстоянии от его конца с противоположной стороны от проводящего вкладыша.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на диэлектрическом корпусе сформирован выступ на внутренней поверхности отверстия с противоположной стороны от проводящего вкладыша и зонд установлен с возможностью зазора относительно него.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3