BG110480A

BG110480A - Сензори за сканираща сондова микроскопия, метод на тримерно измерване и метод за получаване на такива сензори

Info

Publication number: BG110480A
Application number: BG10110480A
Authority: BG
Inventors: Владимир СТАВРОВ
Original assignee: Амг Технолоджи Оод; Владимир СТАВРОВ
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-03-31
Also published as: BG66424B1; WO2011038470A4; WO2011038470A1

Abstract

Изобретението се отнася до сензори за сканираща сондова микроскопия (SРМ), които осигуряват висока точност и разделителна способност при измерване, метод за тримерно измерване с подобни сензори и метод за получаването им, които, чрез измерване на изменения в амплитудата, честотата, фазовата разлика или на тунелен ток, намират приложение за определяне на топографски релеф, геометричен размер или друга характеристика на обекти в различни области на техниката. Сензорите се състоят от тяло, микроконзола и сондова част, които имат обща плоска повърхност, в която е формиран поне един елемент за функционализиране във вид на отвор и/или канавка, в който е поместен хетерогенен сондов елемент като въглеродна нанотръба (СNТ), борна или борнитридна нанотръба, нанонишка, нанокристал и др., включително със сложна форма, например цилиндър със сфера. Методът на тримерно измерване дава възможност, като се използват сензори, притежаващи еластичност по три направления, с обичайната техника за сканиращасондова микроскопия, при измерване в дадена точка, да се определят характеристиките на образеца в трите направления без завъртане на сензора и/или на изследвания образец. Изобретението се отнася и дометод за получаване на описаните сензори по възпроизводим и точен начин.

Description

Изобретението се отнася до сензори за сканираща сондова микроскопия (SPM), които осигуряват висока точност и разделителна способност при измерване, метод за тримерно измерване с подобни сензори и метод за получаването им, които чрез измерване на изменения в амплитудата, честотата, фазовата разлика или на тунелен ток намират приложение за определяне на топографски релеф, геометричен размер, или друга характеристика на обекти в различни области на техниката. Сензорите се състоят от тяло, микроконзола и сондова част, които имат обща плоска повърхност, в която е формиран поне един елемент за функционализиране във вид на отвор и/или канавка, в който е поместен хетерогенен сондов елемент като въглеродна нанотръба (CNT), борна или борнитридна нанотръба, нанонишка, нанокристал и др., включително със сложна форма, например цилиндър със сфера. Методът на тримерно измерване дава възможност като се използват сензори, притежаващи еластичност по три направления с обичайната техника за сканираща сондова микроскопия, при измерване в дадена точка да се определят характеристиките на образеца в трите направления без завъртане на сензора и/или на изследвания образец. Изобретението се отнася и до метод за получаване на описаните сензори по възпроизводим и точен начин.

претенции, 30 фигури

Да се публикува фиг. 9а!

СЕНЗОРИ ЗА СКАНИРАЩА СОНДОВА МИКРОСКОПИЯ, МЕТОД НА ТРИМЕРНО ИЗМЕРВАНЕ И МЕТОД ЗА ПОЛУЧАВАНЕ НА ТАКИВА СЕНЗОРИ

Област на приложение

Изобретението се отнася до сензори за сканираща сондова микроскопия (SPM) осигуряващи висока точност и разделителна способност при измерване, метод за тримерно измерване с подобни сензори и метод за получаването им, които чрез измерване на изменения в амплитудата, честотата, фазовата разлика или на тунелен ток намират приложение за определяне на топографски релеф, геометричен размер, или друга

характеристика на обекти в различни области на техниката. По-специално, изобретението се отнася до сензори, в които се използват хетерогенни сондови елементи, метод на тримерно измерване и метод за получаване на такива сензори за сканираща микроскопия, които са предназначени за използване в обичайни системи за атомно-силова микроскопия (AFM) и сканираща тунелна микроскопия (STM).

Предшестващо състояние на техниката

Сканиращата сондова микроскопия и нейните най-използвани форми - атомносиловата микроскопия (AFM) и сканиращата тунелна микроскопия (STM), са широко използвани съвременни методи за изследване и формиране на изображения на повърхности, анализи в нанообластга, манипулации и др. Формирането на изображения с SPM става чрез регистриране на взаимодействието между сензор и образец в предварително зададени от сканиращата система мрежа от точки и обичайно SPM методите използват сензори, съдържащи микроконзоли или друг вид микромеханични еластични елементи със сондови елементи (наричани също остриета, сонди). Микроконзолите реагират на малки въздействия и по този начин преобразуват въздействие, дължащо се на изследван образец в измерима величина, като се огъват и променят характеристиките на механичното трептене или провеждат електрически токове между образеца и сензора. Един пример на такъв обичайно използван сензор е показан на фиг. 1. Този сензор има тяло 1, от което е оформена микроконзола 2 с дължина L, ширина W и дебелина Н. Микроконзолата има един свободен край и съответно направление на деформация по оста Z, като в свободния й край е оформен сондов край 3 със сондов елемент (сонда) Р, който взаимодейства с изследвания образец.

Свободният край на такава микроконзола под въздействие на сила F с направление по оста Z би се отклонила на разстояние AZ, като между тези две величини е в сила зависимостта:

F = k.AZ,(1) където к е коефициент на еластичност, който се определя от геометричните размери и материала. За хомогенна микроконзола с правоъгълно сечение, к в редица източници, например патент US 5345815, е описана чрез зависимоста:

k=E.W.H³/(4L³)_:(2) където Е е модулът на Юнг (който за силиций е: Е = 1.9.10¹¹ N/m²).

При това микроконзолата има резонансна честота F_r на огъване по оста Z, която се

определя от връзката:

F_r = ft 162 (Е/р)^,/2 .H.L'²(3)

Λ·} където р е плътноста на материала (за силиций р = 2.3 .10 kg.m').

Видът на взаимодействията между сондовия елемент Р и образеца, протичащи в равнина, успоредна на повърхността на микроконзолата, се определят от формата и състава на сондовия елемент. В резултат на взаимодействието микроконзолата се огъва и/или се променя амплитудата AZ и фазата на трептенето й. Промяната на тези параметри се регистрира посредством различни методи на детекция, като оптически, капацитивен, пиезоелектрически, пиезорезистивен и др., известни на специалистите в областта.

За получаване на сондови елементи с различни размери и форма, изградени от материала на подложката и физически обединени с микроконзолата, са разработени редица методи. Такива например са разкрити в патентите US 5051379, US 5242541, US 5345816, © US 5611942.

Характерно за методите за получаване на такива сензори е това, че при тях сондовият елемент се получава с ецване, което се извършва върху доминираща част от повърхността на сензора, с изключение на зоните на сондите; последователността от технологични стъпки е дълга, тъй като обичайно първо се формират сондовите елементи (сондите), а след това се получават останалите микромеханични елементи върху новоформираната повърхност след ецването. При това, след получаването на структурите за сондите, се обработват структури с изпъкнали елементи, което налага използването на специални оборудване и материали в следващите технологични стъпки. Освен това, като следствие от процеса на получаване чрез ецване, съществуват ограничения за формата и параметрите на остриетата, която форма се определя от геометрията и ориентацията на маската за ецване, и от анизотропията и • · · · · · 99 9

9 9 9 9 9 9 99

9 9 9 9 9 9 9 9 99

999 99 9 999 99 9999 • 9 9 9 9 9 99

9 99 9 9 9 9 9 9 9 99 9 селективността на използваните процеси; получените в един процес на ецване сонди са ориентирани в една посока и по технологични причини не могат да бъдат получавани едновременно сонди с различна ориентация, което води до практическата невъзможност да се получават сензори с повече от една сонда.

За избягване на част от така описаните трудности са разработвани микроконзоли, които са разположени изцяло в равнината на подложката. Такива прибори са разкрити например в патенти US 5729026 и US 5856672, които използват микроконзола с острие получено посредством фотолитография и последващо анизотропно мокро ецване, без да се формира структура извън равнината на микроконзолата. Тази микроконзола може да се огъва

само в направление, перпендикулярно на повърхността на подложката, а разполагането на острието в равнината на подложката позволява използването на сензора единствено при сравнително голям наклон към равнината на изследвания образец.

Разделителната способност на един сензор за сканираща микроскопска система зависи от формата и размера на сондовия елемент. За съществено подобряване на тази разделителна способност през последните години са направени редица изследвания за интегриране на въглеродни нанотръби (CNT) като сондови елементи. CNT са най-добрите известни остриета заради забележителните си свойства, като: съотношение дължина към диаметър до 1.10⁶: 1; когато са бездефектни имат голяма механична здравина, добра електрои топло-проводимост, огромна специфична площ (до 100 м²/г за едностенните въглеродни нанотръби - SWCNT), свойствата им могат да се променят чрез функционализиране, като самите те са химически стабилни. Известно е също така, че при определени условия се получават нанотръби с краища във формата на полусфера.

Известни са множество методи за получаване на сензори за AFM с нанотръби, напр. описаните в патенти US 6346189, US 6401526, US 6528785, US 6871528, US 7048903, US 7138627, като при всички тях се използват вече формирани остриета от материала на микроконзолата, а нанотръбите върху остриетата се получават по два основни подхода:

- високотемпературен или друг вид контролиран синтез на нанотръби - в подходяща среда върху области (острови) с каталитични за синтеза свойства, които области са разположени върху остриетата;

- закрепване (фиксиране) на предварително синтезирани нанотръби върху предварително подготвени остриета.

Общи недостатъци и на двата споменати подхода за създаване на сензори за AFM с нанотръби са ниската възпроизводимост на получаваните крайни резултати, дължаща се на ниската възпроизводимост на прилаганите при тези методи процеси на установяване и ориентиране на въглеродните нанотръби, както и необходимостта от използването на сложно и специализирано оборудване.

Така например, от патентна заявка US 2008121029 е известен метод за получаване на сензори за AFM с въглеродна нанотръба, които сензори се състоят от тяло, микроконзола явяваща се продължение на тялото и разположен извън равнината на микроконзолата сондов участък във формата на извит конус, пирамида или призма, върху който е направена канавка във вид на прорез, който може да представлява и отвор. На странична стена на прореза се закрепва въглеродната нанотръба.

За сензорите, получени по този метод е характерно това, че повърхностите на структурите, върху които се закрепват CNT, сключват ъгъл с равнината на повърхноста на подложката, който е строго различен от 0° и се определя от наклона, под който е изграден (формиран) сондовия участък. В заявката за патент са описани няколко алтернативни примера за прилагане на метода, от които става ясно, че възможните ъгли на наклон на CNT към посочената повърхност са определен ограничен брой, като за всеки конкретен наклон е предложен специфичен, различен технологичен подход. В този смисъл, в метода от цитирания патент не е разкрит общ подход за получаване на сонди със сондови елементи, разположени под различни ъгли, което е необходимо на първо място за получаване на оптимални резултати при измерване, но също и за по-ефективен процес на производство.

Изложеният в посочената заявка метод за фиксиране на CNT към стена на прореза изисква използването на специализирано оборудване, като сканиращ електронен микроскоп, а процесът на това фиксиране не е достатъчно точен, за да осигури повторяемост на положението на мястото на фиксиране, което прави метода трудно изпълним практически.

От заявка за патент US 2008011066 е известен метод за получаване на сензор за AFM, състоящ се от тяло на сензора, микроконзола, сондова част с формата на изпъкнал връх и острие (сонда), получени изцяло с фотолитографско структуриране. За получаването на такъв прибор са използвани пластини от типа силиций-върху-изолатор (SOI), като е описана възможността за получаване на микроконзоли с разнообразна форма изцяло с фотолитографско структуриране. Развитието на съвременните литографски методи гарантира висока точност и възпроизводимост на получените съгласно цитираната заявка • · ♦ · ·· 9 tt • · · · · ···· • · · · · · · · · ·· • ··» · · · ··· · · ···· • · · · * · ·· • · · · · · · · · · · · · · елементи в много широки граници на размерите. Въпреки това, методът изисква специален материал на подложката (SOI пластини) и сравнително сложна технологична последователност. При това в стъпката на оформяне на сондов елемент с връх в равнина, различна от началната равнина на подложката посредством процес на ецване, поради наличието на свързващ продълговат елемент на фигурата е практически невъзможно да се постигне достатъчна възпроизводимост на положението на върха на сондовия елемент,

спрямо останалите елементи на сензора.

В посочената патентна заявка US 2008011066, използване на CNT за остриета на сензори за AFM се споменава само в състоянието на техниката, но като елемент за сонди, който според изобретателите е проблемен. В този патент нито се споменава, нито се предполага, че е възможно формирането и използването на канавки и/или отвори в сондата, още повече ориентирани по специфичен начин, като елемент, който да служи за поставяне на острие от CNT.

В заявка за патент WO 2009/000885 е разкрит метод за получаване на микроконзолни сензори, които са биморфна структура с плоска форма. Остриетата са оформени посредством фотолитографски процес и ецване строго по оста на микроконзолите, а деформирането на микроконзолите е чрез биморфен термоелемент и допълнителен елемент за нагряване, с който се регулира дължината на микроконзолата. В работно положение този сензор се разполага вертикално спрямо повърхността на изследвания образец, като актюирането по височина към повърхността на образеца е чрез нагревателния елемент. В този случай предпочитаната равнина на деформация на микроконзолите е перпендикулярна на повърхноста на подложката. Според описанието, предпочитаните остриета са CNT, закрепени към края на сондовия елемент. В тази заявка обаче нито е разкрит някакъв, какъвто и да било метод на закрепване на тези CNT, представляващи елемент от претендираните със заявката сензори, нито се споменава или предполага възможността да се използват канавки и/или отвори за такава цел.

Известните към момента сензори, притежаващи едно направление на измерване, намират приложение в традиционните методи за измерване със сканираща сондова микроскопия, в която обичайно се използват сканиращи системи с една или две оси на сканиране на повърхността. Сигналът от сензора с едно направление на измерване се използва за конструиране на изображение на сканираната повърхност на изследвания обект, което отразява взаимодействието на сондовия елемент по време на сканирането с образеца. С този тип системи се изследват образци, за които участъка от повърхността им за сканиране е предварително зададен, като е известно и направлението за достигането му, а стръмността на профила на елементите в същия този участък е ограничена. При необходимост от получаване на изображения на участъци от повърхността на образеца със сложна форма или голяма стръмност, както и от получаване на дву- и три-мерни профили, образците се завъртат по отношение на направлението на измерване на сензора, така че да бъде компенсирана невъзможността за достъп до тези участъци от повърхността, обусловена от използваните съвременни сензори и сканиращи системи. Така, поради този ограничен достъп, за създаване на тримерен образ във всяка точка от повърхността на образеца, в която се извършва С измерване, с помощта на сканиращата система освен преместването по едно направление за достигане до точката, трябва да се извършват и завъртания (премествания), за изследване на всяко от останалите две направления в същата точка, включително понякога се налага и да се сменя сензора, когато той не предоставя възможност за такова измерване след завъртане.

В заявка за патент US 2008083270 са разкрити система и метод за многомерно

регистриране и измерване на сили за целите на сканиращата сондова микроскопия с чувствителност в няколко направления, в частност система и метод с използване на CNT. Характерно за този метод за измерване е, че при него се реализират премествания на върха на сондовия елемент в различните направления, като се използват различни режими на трептене на микроконзолата - на огъване и на усукване. За получаване на сонда със CNT на контролируеми позиции с контролируеми параметри, се използва каталитичен синтез върху подготвена МЕМС структура, описан в патент US 6146227 на същия изобретател. Независимо от идеята за сондова част с няколко сондови елементи, илюстрирана на фиг. 20 от заявка за патент US 2008083270, в тази заявка и в патент US 6146227 няма разкрит някакъв, какъвто и да било начин за получаване на подобни МЕМС със CNT, разположени върху различните повърхнини на сондата - такова техническо решение в тези документи липсва. Освен това, както е пояснено за фиг. 20 и фиг. 21 в заявка US 2008083270, това е изпълнение, при което се реализира CNT-осцилатор с цилиндрична симетрия, докато сондовата част, още по-малко микроконзолата, не се подлага на осцилиране и това прави невъзможно разграничаването на резултата от измерването с една и съща подобна сонда, както показаната на фиг. 21, в повече от едно направление на измерване.

Следователно съществува необходимост от създаването на микроконзолен сензор за сканираща микроскопия със сондов елемент (сонда), осигуряващ висока разделителна

способност, с който сензор да се извършват измервания с висока точност под желан спрямо изследвания образец ъгъл. Необходимо е освен това, този сензор да бъде усъвършенстван и възможностите му - разширени, така че да се преодолее невъзможността понастоящем с

един и същи сензор да се извършват измервания в две и три направления в една точка на измерване. Съществува необходимост освен това, от адекватен метод на тримерно измерване, с помощта на който, като се използват сензори с такива разширени възможности, бързо и опростено да се прави тримерно (и двумерно) точно измерване с обичайната техника на сканиращата сондова микроскопия във всяка конкретна точка на измерване, без да се налагат допълнителни стъпки на завъртане по второто направление или ново измерване за третото направление, за да се съберат всички данни в измерваната точка от повърхността и да се получи цялостният профил или размер на изследвания образец, възможности, които съществуващите към момента измервателни методи не предоставят. Съществува и необходимост от разработването на общ, лесен за изпълнение и възпроизводим метод, чрез който да се получава желания сензор с контролируеми еластични характеристики и не само с един, а и с повече сондови елементи, разположени под различен ъгъл спрямо оста на микроконзолата, така че да се реализират на практика търсените разширени възможности и висока разделителна способност и точност на сензора.

Описание на изобретението

Дефиниции

Освен ако изрично не е специфицирано друго, по отношение на описанието на настоящото изобретение и приложените претенции се прилагат определени дефиниции, както следва.

Терминът „елемент за функционализиране”, както е използван тук, означава участък от сондовата част, оформен вдлъбнато с постоянна форма на напречното сечение, като наклонът на стените и размерите на елемента за функционализиране са достатъчни той да поеме в себе си част от продълговат хетерогенен сондов елемент чрез самопозициониране. Елементът за функционализиране може да бъде отвор или канавка. И в двата случая, след поставяне на продълговат хетерогенен сондов елемент в елемента за функционализиране, хетерогенният сондов елемент се позиционира или самопозиционира в предварително избрано положение. Елементите за функционализиране се получават посредством процес на ецване през маска в монокристалната силициева подложка, с или без допълнителни спомагателни слоеве.

Терминът „съставна канавка”, използван тук, означава всяка вдлъбнатина, която е резултат от поне два отделни, независими процеса на ецване, вторият от които обхваща само дъното на вдлъбнатината, получена при първото ецване.

Терминът „хетерогенен сондов елемент” (или само „сондов елемент”), за целите на настоящото описание и претенции означава използван за регистрация на определено взаимодействие елемент, направен от материал, различен от този на подложката, като например въглерод, бор, бор нитрид, цинков оксид и др., във вид на нанотръба, наножица, Снанонишка, нанокристал и подобни. Хетерогенният сондов елемент може да бъде използван така, както е получен, или може да бъде съставен от отделно получени хетерогенни части, а може също да бъде предварително подходящо обработен, така че да има определени физични, химични и/или биологични свойства. При всички случаи хетерогенният сондов елемент притежава характерно взаимодействие с изследвания образец, резултиращо в механичен отклик на сензора и/или електрически сигнал.

Терминът „еластичен микромеханичен елемент”, използван тук, означава механичен елемент с размери в микро- или нано-метричния диапазон, който поради формата си и материала, от който е направен, по време на измерване при взаимодействие с изследвания образец преобразува това взаимодействие в еластична механична деформация. В това описание, в зависимост от контекста, примери за еластични микромеханични елементи са както микроконзолата и сондовата част по отделно, така и двете заедно.

Терминът „еластична микромеханична структура” означава еластичен микромеханичен елемент в междинно състояние по време на неговото получаване, в което той вече е формиран върху общата за сензора от настоящото изобретение, плоска повърхност на монокристалната силициева подложка, но все още не е обемно отделен от нея или процесът на получаването му не е довършен по друг начин.

Терминът „направление на измерване” се отнася до процеса на измерване посредством принудено трептене на еластичен микромеханичен елемент с променлива честота в честотен диапазон, включващ резонансна честота на трептене на еластичния микромеханичен елемент. Направлението, в което по време на измерването в споменатия честотен диапазон, еластичният микромеханичен елемент трепти с резонансна честота, е направление на измерване. Когато в настоящото описание се използва терминът „резонансна • ···«· · ···«· · 4·· • · · · · · · · ···· « · · · · · ·· · · честота”, трябва да се разбира, че той се отнася до трептене в резонанс в режим на огъване по дадено направление, на еластичен микромеханичен елемент. Освен ако изрично не е посочено друго, собствената честота обичайно попада в използвания честотен диапазон, с който се работи.

Термините „контролна” и „работна” амплитуда се отнасят до различните по магнитуд амплитуди, с които се работи в различните режими от метода на тримерно измерване съгласно изобретението. „Контролната” амплитуда е голяма по стойност, докато „работната” амплитуда е малка по стойност.

Терминът „точка на измерване” означава позиция на сензора по отношение на С образеца, в която се извършва измерване. „Точката на измерване” е част от мрежа от точки, характерна за всяка сканираща система, по която повърхността на образеца се обхожда в съответствие със свойствения за сканиращата система алгоритъм на движение на сензора и/или на образеца.

Кратко описание на изобретението

В първи аспект, настоящото изобретение се отнася до сензор за сканираща сондова микроскопия, включващ оформени съвместно от монокристална подложка тяло, разпростираща се от него микроконзола и разпростираща се от свободния край на микроконзолата сондова част със сондов елемент. Сензорът има плоска сондова част, която се намира в една равнина с тялото и с микроконзолата, представляваща тяхна обща плоска странична повърхност. Сондовата част включва свободен сондов край с формиран върху него поне един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране, в който е поместен продълговат хетерогенен сондов елемент. Върху микроконзолата и/или сондовата част за всяко едно направление на измерване със сензора за сканираща сондова микроскопия, е обособен съответен участък с подбрани геометрични размери, който определя индивидуални статични и динамични характеристики на огъването на микроконзолата и/или сондовата част на сензора в споменатото направление на измерване. Подбирането на тези геометрични размери, определящи еластичните характеристики на микроконзолата и/или сондовата част на сензора, е направено в съответствие със зависимости за различимост на резонансните честоти, които са предпочитана част от този аспект на изобретението.

В други варианти, изобретението разкрива сензори за сканираща сондова микроскопия с повече от един елементи за функционализиране и съответно, разположени в • ·

тях сондови елементи, които имат подходящо подбрани съотношения на геометричните параметри на еластичния микромеханичен елемент на сензора, които позволят извършването на измервания в повече от едно направление.

Съгласно изобретението, в сензорите за сканираща сондова микроскопия като сондови елементи се използват продълговати хетерогенни сондови елементи, подбрани от нанотръба, нанонишка, наножица от въглерод, бор или бор-нитрид, или нанокристал като цинков оксид, за предпочитане единична нанотръба или сноп от нанотръби, всяка от които избрана от едностенна или многостенна въглеродна нанотръба; борна или бор-нитридна нанотръба. Сондовите елементи могат да бъдат съставени от хетерогенни части със сферична, пирамидална или многопирамидална конфигурация, или да бъдат допълнително функционализирани за специфични приложения, включително направени с повишена електропроводимост.

Във втори аспект, изобретението разкрива метод за тримерно измерване със сензор за сканираща сондова микроскопия, на повърхността на образец, при който сензорът и/или изследваният образец се преместват един спрямо друг от сканиращата микроскопска система за достигане на всяка точка от повърхността, в която се осъществява измерване. Съгласно изобретението, използва се сензор с една микроконзола и една сондова част, имащи обща плоска повърхност, и с индивидуални динамични характеристики на огъване без усукване във всяко от направленията X, Y и Z, които характеристики са различими една от друга при детекция; а сондовата част на сензора е снабдена с един или повече хетерогенни сондови елементи, чийто брой е достатъчен да осигури извършването на измерване по всяко от направленията X, Y и Z. По време на измерването, с техниката на сканиращата сондова микроскопия сензорът и образецът чрез поетапно контролирано преместване достигат до точка на измерване и тогава се установяват в неподвижно положение. В тази позиция, на измерване се подлага околната повърхност, разположена около сондовата част, до която сондата достига при вибриране във всяко от направленията X, Y и Z. Процесът на измерване се реализира без преместване на сензора и/или образеца, посредством привеждане на микроконзолата и сондовата част в трептене, които се осъществяват последователно с работна амплитуда и/или с контролна амплитуда за всяко от направленията X, Y и Z и с честота в диапазон, съдържащ резонансната честота за това направление на измерване. Данните за полученото в резултат на взаимодействието с образеца изменение на

амплитудата, честотата, фазовата разлика или друга измервана физична величина, се отчитат и обработват за получаване на съответната тримерна характеристика на образеца.

В трети аспект, настоящото изобретение се отнася до метод за получаване на сензора за сканираща сондова микроскопия съгласно първия аспект на изобретението, при който върху пластина от монокристален силиций с ориентация (100), с р-тип на легиране със специфично съпротивление от 0.1 до 20 Q.cm или с п-тип на легиране и специфично съпротивление от 0.003 до 20 Q.cm, се формира поне един горен спомагателен слой и след това се осъществява фотолитографски дефинирано повърхностно структуриране. По избор, процесът на повърхностно структуриране може да бъде предшестван от формиране върху повърхността на пластината на най-малко един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране с дълбочина на вдлъбването, по-малка от дебелината на свободния сондов край, и тогава повърхностното структуриране се извършва съвместено към този вдлъбнато оформен, най-малко един елемент за функционализиране. При това повърхностно структуриране чрез ецване, в една равнина едновременно се формират тялото на сензора, разпростиращата се от него микроконзола, сондовата част и по избор, един централно разположен вдлъбнато оформен елемент за функционализиране с дълбочина на вдлъбването, равна на дебелината на свободния сондов край, така че се получават тяло и плоска еластична структура с поне един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране. Те се подлагат на структуриране на задната повърхност на силициевата подложка с последващо обемно ецване и освобождаване на цялата сензорна структура, като същевременно се формира спомагателна планарна носеща структура. В следващ етап на получаването на сензорите, в създадения наймалко един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране се поставя хетерогенен продълговат сондов елемент, който се позиционира или самопозиционира към дъното на вдлъбнато оформения елемент за функционализиране и се фиксира към дъното, като накрая готовият сензор се освобождава от спомагателната планарна носеща структура.

В едно предпочитано изпълнение на метода за получаване на сензорите за сканираща сондова микроскопия съгласно изобретението, формираният върху повърхността на пластината, най-малко един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране е с дебелина, по-малка от дебелината на свободния сондов край, и се получава преди процеса на повърхностно структуриране чрез фотолитография и последващ най-малко един процес на ецване.

В друго особено предпочитано изпълнение на метода за получаване на сензор за сканираща сондова микроскопия, се използва пластина от монокристален силиций с п-тип легиране и съпротивление от 1 до 20 Q.cm, която допълнително съдържа предварително изградени върху нея и галванично свързани легирани пиезорезистивни и силнопроводящи области. В този случай, по време на повърхностното структуриране, в процеса на фотолитография към легираните области се съвместяват участъците с подбрани геометрични размери на микроконзолата и сондовата част. След това в последващия процес на маскирано ецване от тези легирани области се формират пиезорезистори. По нататък методът за получаване продължава с процеси за метализация, при които в контакт със силнопроводящите области, върху сондовата част, микроконзолата и тялото на сензора се получават свързващи метални пътеки с изводи за осъществяване на връзка към система за имерване на електрическа величина.

Тези и други особености на изобретението, и неговите предимства са пояснени подробно в детайли по-нататък в описанието и примерите, които го илюстрират без да го ограничават.

Описание на приложените фигури

Фиг.1. показва аксонометричен изглед на класически микроконзолен сензор, познат от състоянието на техниката в областта на сканиращата сондова микроскопия.

На фиг. 2. е показан аксонометричен вид на микроконзола, подложена на сила с

произволно направление, познат от състоянието на техниката в областта.

На фиг. 3. е показан изглед на микроконзолен сензор с едно направление на измерване по оста X с елемент за функционализиране V-образна канавка.

На фиг. 4. е показан изглед на микроконзолен сензор с едно направление на измерване по оста X и със сондов елемент, сключващ с оста на микроконзолата ъгъл 120°.

Фиг. 5. е изглед на микроконзолен сензор с едно направление на измерване по оста Z с елемент за функционализиране отвор с форма на права триъгълна призма.

Фиг. 6 е изглед отгоре на микроконзолен сензор с едно направление на измерване по оста X и с два сондови елемента, сключващи с оста на сондовата част различни ъгли.

Фиг. 7а, 76, 7в и 7г показват варианти на сензори от изобретението с две направления на измерване, от които фиг. 7а представлява изглед на сензор с два сондови елемента по осите X и Z; фиг.7б е изглед отгоре на сензор с два сондови елемента по осите X и Y; фиг. 7в

е изглед отгоре на сензор с три сондови елемента по осите X и Y, като измерването по оста Y може да се извършва в права и обратна посока; и фиг.7г представлява изглед отгоре на сензор с три сондови елемента с различна ориентация в равнината XY.

Фиг. 8а и 86 показват варианти на сензори от изобретението с три направления на измерване, от които фиг.8а представлява изглед отгоре на сензор с три сондови елемента по осите X, Y и Z; а фиг.8б е изглед отгоре на сензор с четири сондови елемента по осите X, Y и Z, като измерването по оста Y може да се извършва в права и обратна посока;

На фиг. 9а е показан аксонометричен вид на сензор с три направления на измерване с четири сондови елемента в три оси: X, Y, и Z, като измерването по осите Y и Z може да се извършва в права и обратна посока. Фиг. 96 показва честотната характеристика на нормализираната амплитуда на механичните трептения на сензора от фиг. 9а в трите направления.

На фиг. 10а е показан аксонометричен вид на сензор с три направления на измерване с един сондов елемент и пиезорезистивна детекция на трептенето. Фиг. 106 представя еквивалентна електрическа схема за свързване на пиезорезисторите в този сензор; фиг. 10в показва честотната характеристика на съпротивлението на последователно свързаните пиезорезистори, а на фиг. Юг са представени примери за сондови елементи на сензора от фиг. 10а.

На фиг. 11 е показана структура на микромеханичен сензор за сканираща сондова микроскопия с елемент на функционализиране отвор с форма на права триъгълна призма,

след завършване на етапа на повърхностно структуриране.

На фиг. 12а, фиг. 126, фиг. 12в-1 и фиг. 12в-П са показани различни варианти на получаване на елементи за функционализиране - канавки.

Фиг. 13а показва структури на елементи на микромеханичен сензор за сканираща сондова микроскопия след завършване на етапа на повърхностно структуриране, получени съвместено към елементи за функционализиране. Фиг. 136 показва такива структури във варианта на сензор с пиезорезистивна детекция.

На фиг. 14а е показан аксонометричен вид на сондова част със сондов край, към който в увеличени детайли на фиг. 146 и фиг. 14в е показано съвместено разполагане на елементите за функционализиране V-образна и съставна канавки съответно, в сондовия край.

·· · · *- ♦♦ ·φ • · · ·· ···· • · с · ♦ · · · · · · • ····· * ·♦· · · · ··· • · · · ··· · •··· ·· ·· ·· ·· ··

Фиг. 15а показва аксонометричен вид на сондова част, а фиг. 156 - напречен разрез на сондовия край при позициониране, включително самопозициониране, на сондовия елемент в елемента на функционализиране V-образна канавка.

На фиг. 16а е показан изглед отгоре, а на фиг. 166 и фиг. 16в - напречен разрез на сондовия край на сензор със закрепен сондов елемент след позиционирането, включително самопозициониране, към двата вида елементи за функционализиране канавки, съответно.

Основни характеристики и предимства на изобретението

А. Сензор с висока точност и разделителна способност

Основна характеристика и предимство на сензорите, получени съгласно настоящото изобретение е това, че те имат разнообразни по форма и ориентация микроконзолни елементи и сондови части, а сондовите им елементи са с точно контролирано положение и дължина на разпростиране от сондовите краища и с голямо съотношение диаметър към дължина, водещо до разделителна способност от порядъка на, и по-добра от 1 nm при микроскопски измервания със сензорите.

Втора основна характеристика на сензорите съгласно настоящото изобретение е това, че имат микроконзолни еластични елементи, които могат да се огъват по желание в едно, две

или три направления, което създава възможност с един сензор да се извършва измерване във всяко от тези направления, в зависимост от избраното приложение. Това неочаквано и изключително предимство на сензорите от настоящото изобретение е пояснено чрез принципния модел, показан на фиг. 2 и се демонстрира по-нататък във вариантите на сензорите от изобретението. Както е илюстрирано на фиг. 2, когато микроконзолата 2 се огъва под въздействието на сила с модул F и компоненти F_x и F_z по осите X и Z, тази сила предизвиква отмествания на свободният й край АХ и ΔΖ, съответно по осите X и Z. Между тези величини, аналогично на уравнение (1), са в сила зависимостите:

F_x = k_x.AX, (4)

F_z = k_z.AZ, (4>) където k_x е коефициентът на еластичност по оста X, a k_z е коефициентът на еластичност на микроконзолата по оста Z, които се определят от геометричната форма и свойствата на материала. За хомогенна микроконзола с правоъгълно сечение, аналогично на уравнението (2), за к_х и k_z са в сила зависимостите:

k_x = E.a_z.a_x ³/(4f), (5) • · · * ♦ · · · • » · · · ···· • · · · · · · · · · · • ··«·· · ····· ♦ «·· • ··· · · · · • ··· · · ·· · · ·· · ·

к_г= Е. а_х. а//(4/),(5’) където а_х и a_z са съответно параметрите височина и дебелина на микроконзолата.

При това, аналогично на уравнението (3), микроконзолата има резонансни честоти /_охна огъване по оста X и f_oz на огъване по оста Z, които се определят съгласно уравненията:

f_ox= 0.162. (Е/р)^т. а_х. I-²,(6) f_n= 0.162. (E/p)^I/2.a_z.f²(6).

При въздействие със сила с еднакви по модул компоненти Е_х и Е_о съотношението между деформациите АХ и AZ, съответно по осите X и Z се определя от равенството

ΛΧ/ΛΖ = α²/α²(7)

За съотношението на резонансните честоти на огъване по осите X и Ζ е в сила зависимоста fox/foz ⁼ л_х/а_г(8)

Следователно, чрез подходящ подбор на параметрите а_ю а_г и I могат да се постигат предварително зададени стойности на еластичните параметри на микроконзолата, като коефициент на еластичност и резонансна честота, в направленията Хи Z.

За микроконзоли с по-сложна форма е удобно вместо геометричните параметри понякога да се използват съответни характеристични параметри, например характеристични дължини като 1_Х и 1_У, при което зависимостите (5), (5’), (6), (6’), (7) и (8) остават в сила, като се въвежда само подходящ коефициент на пропорционалност. Когато е необходимо, за всеки конкретен случай може да бъде изведена връзката между стойностите на характеристичните параметри и реалните геометрични параметри. В настоящото описание за по-голяма яснота при обяснението на принципите, върху които почива изобретението, са използвани изброените зависимости.

Аналогично, когато се желае измерване в направление по оста Y, чрез ориентиране на еластични микромеханични елементи по оста X и подбиране стойностите на параметрите им ширина и дебелина, се реализира огъване на сондовата част с предварително зададени характеристики по осите Y и Z.

При сензорите от настоящото изобретение, които съдържат както ориентирани по оста X, така и ориентирани по оста Y еластични елементи, разположени върху обща плоска повърхност, чрез подбиране на стойностите на съответните параметри се реализира трептене с огъване на сондовия край с предварително зададени характеристики по осите X, Y и Z.

*4 · 4♦ ·

4* ·· · · ·» • »·· 44 « 44* « · 4*44

4 4 » 4 4 ·· *4*4 ·· ·· *4 ·4··

В допълнение, изненадващо бе установено, че плоският еластичен микромеханичен елемент, направен съгласно настоящото изобретение, който има две или три степени на свобода на огъване, и може да извършва измервания съответно в две или три направления на измерване, при периодично въздействие с променлива честота в честотен диапазон съдържащ резонансна честота, преобразува въздействието в огъване с най-голяма амплитуда в онова направление, в което има резонанс. Така с един сензор и един едноосов хармоничен осцилатор могат да се анализират образци по две или три направления на измерване, като всяко направление на резонансна деформация се определя еднозначно от една съответна резонансна честота. Поради това със сензорите, предмет на настоящото изобретение, които имат две и три степени на свобода на огъване, могат да се извършват измервания изключително опростено, улеснено и рационално, тъй като във всяка точка на измерване с промяна единствено на честотата и амплитудата на трептене, без да се налага завъртане на сензора и/или на образеца, или смяна на сензора, се изследват всички направления, в които еластичният микромеханичен елемент е способен да се огъва. В това число, за разлика от съществуващите известни сензори за SPM, които взаимодействат с изследвания образец в равнина, успоредна на равнината на тяхната подложка, сензорите, получени посредством описания в това изобретение метод, могат да взаимодействат както през равнината, успоредна на равнината на подложката, така и през равнините, перпендикулярни на

повърхноста на подложката им, т.е., те са чувствителни по желание в една, две или три оси.

Друго предимство на плоските сензори, получени по метода от настоящото изобретение е възможността за разполагане на хетерогенни сондови елементи с подходяща форма и свойства, както в произволно направление в равнината на подложката (пластината), така и перпендикулярно на тази равнина. При това отпада нуждата от ецване на доминираща част от повърхноста за формиране на острие, и следователно се създава неочакваната възможност чрез опростена последователност от процесии стъпки с използването на обичайни за областта материали и оборудване, да се получават сензори с изключително възпроизводими параметри, дължащи се на възпроизводимостта на процесите на позициониране, ориентация и желана оптимална дължина на разпростиране извън сондовия край на сондовите елементи.

Съществено предимство на сензорите съгласно настоящото изобретение е и възможноста за използване на разнообразни сондови елементи, помествани в едни и същи елементи за функционализиране, като при това видът на сондовите елементи не е определящ, а от значение са само геометричните им параметри.

Б. Метод на тримерно измерване

В съвременните методи на сканираща сондова микроскопия, по време на измерване движението на сензора спрямо образеца следва алгоритъм на обхождане на повърхността на образеца по мрежа от точки, обусловен от използваната сканираща система. Обхождането по мрежата от точки се характеризира със стъпки 6_lt еднакви или различни за всяко направление на сканиране. Това обхождане се осъществява обичайно и при метода от настоящото изобретение. По време на тримерното измерване съгласно настоящото изобретение, използваният сензор, еластичният микромеханичен елемент на който притежава характеристиките, описани в изобретението, се привежда в режим на принудено трептене с огъване без усукване. Характерно за този процес е, че амплитудата на трептене на свободния край на микромеханичен елемент със сонда зависи от интензитета на периодичното въздействие въху сензора. От друга страна, при еднакви други условия, амплитудата на принудено трептене на еластичен елемент, трептящ с променлива честота в диапазона около

резонансната е значително, напр. до повече от сто пъти, по-голяма от амплитудата на същото трептене извън споменатия диапазон. С други думи, за фиксиран интензитет на периодичното въздействие, като се променя единствено честотата на принудените трептения на еластичния микромеханичен елемент, притежаващ еластичност и в трите направления X, Υ и Ζ, само при честоти близки до (или в диапазона на) някоя от резонансните, той ще трепти с увеличена амплитуда в съответното направление. Поради това, при достатъчно близко отстояние на сондовия елемент от изследвания образец ще възникне взаимодействие между тях само в някой от споменатите диапазони на резонансните честоти. В резултат от взаимодействието се променят характеристиките на трептенето, които се регистрират и/или протича електрически тунелен ток. В този случай съществува еднозначна връзка между честотата, при която се регистрира взаимодействието и направлението, в което е станало взаимодействието - това е предварително известното направление, в което за дадената честота еластичният микромеханичен елемент има резонанс.

В метода на тримерно измерване съгласно настоящото изобретение, се използва принудено трептене, предизвикващо огъване на еластичния елемент с две съществено различни по стойност (магнитуд) амплитуди: 1) “контролна”, голяма по стойност, използвана ♦ » • 9

за първоначално установяване наличие на взаимодействие между сондовия елемент и сканираната повърхност, и 2) “работна”, която е от 10 до 200 пъти по-малка от контролната амплитуда, за предпочитане около 100 пъти по-малка, която се използва за сканиране на повърхност с висока разделителна способност. Двете амплитуди на трептене се получават посредством изменение на интензитета на периодичното въздействие.

Връзката между амплитудата на принуденото трептене и честотата му за зададен интензитет на външното въздействие, се описва чрез непрекъсната функция. Това дава възможност да се определи разликата Mi между амплитудите на принудени трептения с честота, равна на резонансната, и с честоти, извън диапазона на резонансната в /-тото направление на измерване, нормализирана към интензитета на въздействие. Тази величина за всяко направление на измерване е характерна за сензора и се използва за определяне на стъпката А, на сканиращата система в разглежданото направление при първоначалното достигане на повърхноста, като се спазва съотношението:

At = s.M_t (9) където ε е коефициент, характеризиращ връзката между стъпката на преместване Л,· от сканиращата система и разликата Mi между амплитудите във всяко конкретно направление /, при която се избягва инцидентен контакт.

При сканирането на повърхността с висока разделителна способност във всяко от

трите възможни направления, интензитетът и честотата на принуденото трептене с честота близка до резонансната, се избират така, че да се извършва трептене с контролирана амплитуда.

Когато се извършва измерване със сензор, способен да се огъва и по трите направления по метода на тримерно измерване от това изобретение, се използват последователно два режима на работа: 1) режим на достигане на точка на измерване, при който сензорът се привежда в принудено трептене в честотни диапазони, включващи резонансните честоти за всяко от направленията на сканиране X, Y и/или Z. Първоначално амплитудата на това трептене се променя от работна до контролна, а след достигане на магнитуд, обичаен за използваната измерителна система и при условие, че не е регистрирано взаимодействие с образеца, едновременно с трептенето сензорът започва да се премества спрямо образеца до достигане на точка, в която се регистрира взаимодействие. След това се определя направлението на регистрираното взаимодействие по честотния диапазон, в който е постигнато това взаимодействие и амплитудата на трептене се променя отново от контролна • ♦ • ····· » ····· · · · · • ··· · · · · ···· ·· ·· ·· ·· ·· на работна, а преместването продължава в така определеното направление до достигане на точката на измерване, която е първата достигната точка, в която е регистрирано взаимодействие на сондата с образеца при трептене с работна амплитуда; и 2) режим на измерване, при който в достигнатата точка се измерва нейната околна повърхност, при неподвижно състояние на сензора и/или образеца. За целта, след достигане в точката за измерване, първоначално в направлението на измерване се извършват трептения с работна амплитуда и диапазон на честотата, съдържащ резонансната честота за това направление, като се определя стойността на величината, характеризираща взаимодействието на сондовия елемент с повърхността на образеца. По-нататък сканирането продължава в перпендикулярните направления по начина, описан за първото направление, като едновременно с това се отчитат и обработват данните за полученото в резултат на взаимодействието с образеца изменение на амплитудата, честотата, фазовата разлика, или друга измервана физична величина, за получаване на съответната тримерна характеристика на образеца.

Съществено и неочаквано предимство на така описания метод за измерване е това, че във всяка точка на измерване могат да се прилагат трептения с различна амплитуда - от работна до контролна, и без да се осъществява завъртане или смяна на сензора, чрез промяна на интензитета на периодичното въздействие и/или на диапазона на честотите в една точка могат да се изследват всички направления във фигурата на трептене при осцилиране на микромеханичната еластична част със сондовия елемент/елементи. При това се получава необходимата информация както за изследвания обект, така и за изпълнението на алгоритъма за сканиране на образеца. По този начин, съгласно метода за тримерно измерване от настоящото изобретение, даден образец за всяка точка може да бъде цялостно изследван в един единствен, опростен и удобен процес на измерване, с един единствен сензор. Същевременно се използват гъвкави измервателни алгоритми, които не са ограничени от формата на образците и се работи без да е необходима предварителна информация за тях, както в прилаганите до момента методи, изискващи да са приблизително известни например отстоянието, стръмността на профила, вдлъбната форма или др.

По този начин чрез метода за тримерно измерване със сензора от настоящото изобретение, използващ във всяка точка на мрежата на сканиране комбинацията от трептене с различни амплитуди в различните направления в режим на огъване, се сканират и охарактеризират образци с повърхност в което и да е направление на измерване j със стръмност на профила, ограничен единствено от съотношението на споменатата разлика в амплитудите Mi и стъпката на сканиране в напречно направление ф±/.

По такъв начин, чрез използването на плоски еластични микроконзолни структури, в които могат да се създадат елементи с точно зададени динамични еластични характеристики и чувствителност в три направления, става възможно реализирането на този опростен и удобен метод на тримерно измерване на повърхност на образци.

В. Метод за получаване на сензори за сканираща сондова микроскопия

Основното технологично и системно предимство на метода за получаване на сензорите съгласно изобретението се състои в това, че тъй като тялото, микроконзолата и сондовата част се получават в равнината на пластината, то методът позволява да се използва обичайното фотолитографско структуриране, като при това с него могат да се получават разнообразни, включително множество различни сондови елементи върху един микроконзолен сензор, съобразно предвижданото приложение на сензора и на цялата измерителна система. Също така, основни параметри на получаваните по метода микромеханични елементи, а именно а_х, 1_Х, а_у и 1_У, се определят от един фотолитографски процес и не зависят от разсъвместяването между различни фотолитографски нива. Доколкото използваните в практиката методи за изпълнение на фотолитография позволяват тези параметри да се получават с достатъчна равномерност върху една пластина и да се възпроизвеждат от пластина-до-пластина с висока точност, то това създава възможност за производство на сензори, работещи с висока точност, използвани за сканираща микроскопия с висока разделителна способност и с възпроизводими зададени характеристики.

Друго съществено предимство на описания метод за получаване на микроконзолни или други деформируеми елементи на микромеханични сензори е, че той дава възможност да бъдат получавани едновременно елементи с различни съотношения между геометричните им характеристики а_х, 1_х, а_у, 1_У и а_г, а оттук, да се реализират сензори, притежаващи направление на измерване по всяка от осите X, Υ и Ζ, със съответен различен честотен диапазон.

Друго предимство на метода съгласно това изобретение е, че тъй като в процеса на получаване на сензорите няма изпъкнали структури, монтирането на сондовите елементи се извършва еднотипно върху горната повърхност на сензора посредством некритично позициониране или самопозициониране, и последващо фиксиране. Същевременно, методът позволява използването на сондови елементи с пределно високи стойности на • · • · · ·· · I f · • · · · · · * · ·· · • »·« · · Ж ··* ♦ · ···· • · · · ···· ·«·· 4· «· · 4 ···· съотношението надлъжен/напречен размер, като дължината им на разпростиране извън сондовия край 1_Р варира в широки граници, без за това да е необходимо различно третиране на сензорната структура.

Примери за изпълнение на изобретението

А. Сензор за сканираща сондова микроскопия

Пример 1 - сензор с едно направление на измерване

На фиг. 3 е показан пример за един предпочитан вариант на изпълнение на сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно настоящото изобретение с едно направление на измерване, който се състои от тяло 1, разпростираща се от него микроконзола 2 и сондова част 3. Сондовата част 3, разпростираща се от микроконзолата на разстояние l_t извън тялото 1, със сондов елемент 4 позволява взаимодействие през повърхнина, перпендикулярна на равнината на пластината.

Микроконзолата 2 съгласно изобретението има микроконзолна свързваща част 5, която я обединява с тялото 1 и е с височина а_х, която може да бъде по-малка, както е в настоящия пример, или равна на височината на микроконзолата 2. Свободният край на микроконзолата 2 е обединен със сондовата част 3, разпростираща се от нея, като осите на тези два елемента се пресичат в точка С, определяща характеристичната дължина на микроконзолата /_х> която представлява отстоянието на пресечната точка С от тялото 1. Когато споменатите два елемента са съосни, положението на точка С се дефинира от положението на сондовия елемент 4.

Сондовата част има свободен сондов край 6, в който е разположен елемент за функционализиране във формата на V-образна канавка 7, пресичаща околната стена 8.

Тялото 1, микроконзолата 2 и сондовата част 3 със свободния сондов край 6 са формирани едновременно от обща монокристална полупроводникова подложка от силиций, и се намират в една равнина, представляваща тяхна обща плоска странична повърхност, не притежаваща изпъкнали части. За тази плоска микроконзола 2 е характерно това, че когато нейните геометрични характеристики се подчиняват на съотношението:

а_г>2.а_х (10) където а_х е височината на микроконзолната свързваща част 5, a a_z е дебелината на микроконзолата 2, то тази микроконзола, съгласно зависимостите (7) и (8), има по-голяма деформация АХ и съответно, по-ниска резонансна честота на трептене по оста X, в сравнение

с тези по оста Z. Това дава възможност посредством подбор на подходящи стойности на параметрите а_г, а_х и 1_Х, един еластичен микромеханичен елемент в даден честотен диапазон на измерване, да има само една резонансна честота и съответно едно направление на измерване по остаХ, в което направление на измерване е предвиден сондов елемент 4.

Съгласно настоящото изобретение, сондовите елементи 4, които се използват в сензорите, са самостоятелни, готови продълговати елементи с екстремно малък радиус или размер на напречното сечение и съотношение диаметър към дължина от около 1 : 500 до 1 : 5000. Сондовите елементи са хетерогенни - те са изградени от материал, различен от материала на подложката, който може да бъде въглерод, например едностенна (SWCNT) или многостенна (MWCNT) цилиндрична въглеродна нанотръба (CNT), но могат да бъдат използвани и други продълговати хетерогенни елементи от въглерод, бор или бор-нитриден

материал, например наножица или нанонишка, нанокристал от цинков оксид и други. Подходящи са всякакви продълговати хетерогенни елементи или снопове от тях, включително могат да се използват елементи със сложна конфигурация, например нанотръба завършваща със сфера, пирамида, многопирамидална форма или други подобни, които могат да са съставени или получени в един процес хетерогенни елементи, а може също хетерогенните сондови елементи да бъдат предварително подходящо обработени, така че да имат определени физични, химични и/или биологични свойства. В настоящия пример сондовият елемент е електропроводяща едностенна въглеродна нанотръба, със съотношение диаметър към дължина от около 1:500. В други предпочитани варианти на изобретението се предпочита използването на снопове от SWCNT.

Самостоятелният продълговат хетерогенен сондов елемент 4, поместен в елемента за функционализиране V-образна канавка 7, пресича едностранно околната стена 8 на издадената част на свободния сондов край 6. V-образната канавка е получена в резултат на ориентирането й в процеса на получаването в направление {110} на монокристалната подложка. Ориентацията на сондовия елемент 4 съвпада с ориентацията на елемента за функционализиране V-образна канавка 7 и точността на позициониране на споменатия сондов елемент се определя от точността на получаване на елемента за функционализиране.

Този вариант на изпълнение на сензора е особено подходящ за измерване на образци, за които е съществено сондовият елемент да е ортогонален на изследваната повърхност на образеца.

·«

Друг вариант на сензор с едно направление на измерване, е показан на фиг. 4. Той се състои от микроконзола 2 с характеристична дължина 1_Х и размер а_х на микроконзолната свързваща част 5, и сондова част 3 със свободен сондов край 6. При този вариант сондовата част 3 и елементът за функционализиране - съставна канавка 9 с дълбочина d_t, са ориентирани така, че оста на сондовата част 3 сключва с оста на микроконзолата 2 ъгъл β, който може да бъде с произволна стойност в границите от 30° до 180°, а в дадения пример за предпочитане ъгълът β е равен на 120°. Този вариант на изпълнение на сензора е особено подходящ за измерване на образци, за които е съществено да има пряко визуално наблюдение на областта на взаимодействие на сондовия елемент с образеца.

На фиг. 5 е показан друг вариант на изпълнение на сензора съгласно изобретението, със сондов елемент 4, разположен перпендикулярно на равнината на общата плоска повърхност на сензора в елемент за функционализиране отвор 10. Аналогично, сензорът се състои от тяло 1, разпростираща се от него микроконзола 2 обединена с тялото 1 посредством микроконзолната свързваща част 5, и разпростираща се от микроконзолата 2 сондова част 3, които се намират в една равнина, представляваща тяхна обща плоска странична повърхност, не притежаваща изпъкнали части. За плоската микроконзола 2 е характерно това, че когато нейните геометрични характеристики се подчиняват на съотношението:

а_х>2.а_г (11) където а_х е ширината на микроконзолната свързваща част 5, a α_ζ е дебелината на микроконзолата 2, то тази микроконзола, съгласно зависимостите (7) и (8), има по-голямо отместване на свободния край Λ Ζ и, съответно, по-ниска резонансна честота на трептене по оста Ζ, в сравнение с тези по оста X. Това дава възможност посредством подбор на подходящи стойности на параметрите а_г, а_х и 1_Х, еластичният микромеханичен елемент в даден честотен диапазон на измерване да има само една резонансна честота и съответно едно направление на измерване по оста Ζ, в което направление на измерване е ориентиран сондовият елемент.

Ориентацията на сондовия елемент 4, както е показано на увеличения аксонометричен детайл на фиг. 5 се определя от разположението на елемента за функционализиране отвор 10 с формата на триъгълна призма, който има наклон на околните стени, зададени от процеса на ецване. Както е известно на специалистите в областта, съществуват методи на ецване, като ·· · · · * · · • ·· · · · · · · • · · · · · · · ·» · • 99· · · · ··· · · ···· • · · · · · ·· ···· ·· ·· ·· · · ··

например τ. нар. Бош-процес, при които се постига възпроизводим вертикален наклон с точност по-добра от ± 2°.

На фиг. 6 е илюстриран вариант на сензора, който въпреки, че е с два елемента за функционализиране съставни канавки 9 и 9’ и с два сондови елемента 4 и 4’, има съществено различно приложение, основаващо се на това, че сондовите елементи имат обща мислена пресечна точка А’ на осите си, намираща се извън границите на сондовата част 3 в направлението на измерване на сензора. Когато тази пресечна точка А’ е точката на взаимодействие с изследвания образец, такъв сензор е подходящ за едновременно измерване на две характеристики на образеца, или за измерване на ефекта от присъствието на едната сонда върху сигнала от другата, както и за измерване на ефекта от присъствието на образеца върху взаимодействието между сондите. За целта, двата сондови елемента 4 и 4’, разположени под ъгли 0 и 0’ спрямо оста на сондовата част, равни съответно на 5Г и 37’, са различни по вид и свойства, когато сензорът е предназначен за измерване на две различни характеристики на образеца, но могат да бъдат и еднакви в случаите, когато методът за изследване на образеца се основава на неговото влияние върху взаимодействието между двете сонди. Както и в предишното изпълнение, дължините на разпростиране на сондовите елементи 4 и 4’ са предварително определени. В този пример не е необходимо разграничаване на взаимодействието на двата сондови елемента, тъй като измерването е само по едно направление.

©Пример 2 - сензор с две направления на измерване

На фиг. 7а е илюстриран вариант на сензор от настоящото изобретение, който има микроконзола с характеристична дължина 1_Х в направление Υ и височина а_х на микроконзолната свързваща част 5, а сондовата част 3 със свободен сондов край 6 е с два елемента за функционализиране: елемент за функционализиране V-образна канавка 7 и елемент за функционализиране отвор 10.

За този вариант на сензор е характерно това, че при него едновременно не са изпълнени съотношенията (10) и (11), а двата параметъра а_х и а_г са приблизително равни, но различни, т.е.:

а_х»а_г,ноа_х/а_г (12), където а_х и α_ζ са съответно височината и дебелината на микроконзолата, както са обозначени на фиг. 7а и увеличения детайл към нея.

«4

444 *· 4 » ·· • 4 4 4 44 4 * 444 • *«« · · * ··· · · *4*4 ·*4 44*4

4444 44 44 ·· ··44

В този вариант, при зададена дебелина а_о чрез подходящо подбиране на характеристичната дължина 1_Х и височина а_х, се постигат желаните еластични характеристики на сензора, чиято микроконзола 2 има приблизително равни огъвания в направленията X и Ζ. В това число, параметрите се избират така, че да е в сила съотношението:

β.ίΛτаз), в което у е коефициент в диапазона от 0.1 до 10, за предпочитане от 0.2 до 1.0,

характеризиращ метода за разпознаване на направлението на измерване от честотната характеристика на избран параметър (напр. амплитудата на принуденото трептене) при огъването на микромеханичния елемент, който за всеки конкретен случай на измерване е предварително известен, f_ox е резонансна честота на микроконзолата 2 при огъване на свободния й край по направление X, f_oz е резонансна честота на микроконзолата 2 при огъване на свободния й край по направление Z, a Q е средната стойност на качествения фактор на микроконзолата за направленията на измерване X и Z. Така микроконзолата 2 със свободния сондов край 3, за които са изпълнени едновременно двете съотношения (12) и (13), имат резонансни честоти f_ox и f_oz на огъване по осите X и Z, които са близки по стойност, но еднозначно различими. Съответно, сензор с такава конструкция на микроконзолата 2 и на свободния сондов край 3 с два сондови елемента 4 и 4’, както е показано на фиг.7а, има две направления на измерване по споменатите оси и с него във всяка една точка на мрежата на сканиране могат да се извършват измервания в тези две направления.

Допълнително, всяко огъване на микроконзолата 2 и отместване на свободния й край 3 в равнината XZ може да се представи като еквивалентна сума от компоненти по двете взаимно перпендикулярни направления на измерване - X и Z. Всяко трептене с честота / на такава микроконзола може да се разгледа като сума от две независими трептения със същата честота по двете направления, като съотношението между амплитудите на двете компоненти е постоянно за всяка честота f, намираща се извън диапазона на резонансните f_ox и f_oz. Съответно, при две направления на измерване в зададения честотен диапазон на измерване, нормализираната амплитуда на трептене в направлението, за което има резонанс е по-голяма от нормализираната амплитуда в направленията, в които няма резонанс. По този начин, когато е в направление на измерване, сондовият елемент взаимодейства с изследвания обект

по различен начин в сравнение с взаимодействието в друго направление, осъществявано от друг сондов елемент, разположен върху същата микроконзола. В резултат на това се променя характера на трептенето и/или се регистрира електрически тунелен ток.

Когато оста на сондовата част 3 сключва с оста на микроконзолата 2 ъгъл β равен на 90° и двете оси са ориентирани в направление {НО}, единият елемент за функционализиране, в който се разполага сондовия елемент ориентиран по оста X, е елемент за функционализиране V-образна канавка 7 с дълбочина d_t, а другият елемент за функционализиране отвор 10 е права триъгълна призма, както е показано на фиг.7а. Когато споменатата ориентация е различна, елементът за функционалзиране за измерване по оста X ще бъде съставна канавка.

Друг предпочитан вариант на изпълнение на изобретението е показан на фиг. 76. В този случай сензорът има микроконзола 2, сондова част 3 с перпендикулярни оси (ъгъл β - 90°) и два елемента за функционализиране V-образни канавки 7 и 7\ Тези елементи са разположени в свободния сондов край 6 на сондовата част 3, който в този вариант е оформен с допълнителен разширен участък, разположен в същата равнина. Елементите за функционализиране V-образни канавки 7 и 7’ са ориентирани така, че осите на двата сондови елемента 4 и 4’, имащи мислена пресечна точка А, попадаща в централната част на сондовата част 3, са разположени под ъгъл 0 и 0’ спрямо оста на сондовата част 3, и могат да бъдат от 0° до 180°, съответно.

Разгледана сама по себе си, сондовата част 3, със свързваща сондова част 11 с правоъгълно стеснение с ширина а_у, свободен сондов край 6 с допълнителен разширен участък и характеристична дължина 1_У, дефинирана като отстоянието на точка А от началото на микроконзолата 2, за която е изпълнено съотношението аргЛ.ау (10’) има по-голямо нормализирано огъване по оста Υ и съответно, по-ниска резонансна честота на трептене по тази ос, в сравнение с тези по оста Ζ, което дава възможност измерванията по двете оси да бъдат амплитудно и честотно разграничавани. За зададена дебелина а₂, еластичните характеристики на този вариант на сензор съгласно изобретението, включително резонансната честота на огъване f_oy на неговата сондовата част 3 по оста Y, се определят от ширината а_у и характеристичната дължината /_у.

Така микроконзолата 2 със сондова част 3 на сензора, показан на фиг. 76, при които едновременно са спазени съотношенията (10) и (10) при подходящо подбрани параметри а_у, 1_Х и 1_У имат по осите Хи Yблизки, но различни резонансни честоти. Допълнително, всяка деформация в равнината XY може да се представи като еквивалентна сума от компоненти по двете взаимно перпендикулярни направления на измерване, съответно по X и Y. Затова, за даден честотен диапазон на измерване, при подходящо подбрани стойности на параметрите «_х, а_у, 1_Х и 1у се получава еластичен микромеханичен елемент с различни, включително близки стойности на резонансните честоти f_ox и f„y на механичните трептения по направленията X и Y. Всяко трептене с честота f на такава микроконзола може да се разгледа като сума от две независими трептения със същата честота по двете направления, като съотношението между амплитудите на двете компоненти е постоянно за всяка честота f, намираща се извън диапазона на резонансните f_ox и f_oy. Съответно, при две направления на измерване в зададения честотен диапазон на измерване, нормализираната амплитуда на трептене в направлението, за което има резонанс е по-голяма от нормализираната амплитуда в направленията, в които няма резонанс. По този начин, в това направление, явяващо се направлението на измерване, сондовият елемент взаимодейства с изследвания обект по различен начин в сравнение с взаимодействието в друго направление, осъществявано от друг

сондов елемент, разположен върху същата микроконзола.

Когато осите на елементите за функционализиране са ориентирани в направление {110} на силициевата монокристална подложка, формата на напречното сечение на тези два елемента за функционализиране са V-образни канавки 7 и 7’. Тъй като сондовите елементи 4 и 4’ са хетерогенни и няма ограничение за вида им, те могат да са еднакви или различни по вид и размер. В конкретния пример, както е показано на фиг. 76, дължините на сондовите елементи 4 и 4\ представляващи едностенни електропроводящи въглеродни нанотръби са такива, че те се разпростират извън сондовата част на предварително зададени разстояния 1_рхи 1ру от мислената пресечна точка А на осите им, ориентирани така, че точка А да попадне в централната част на сондовата част 3.

По този начин е възможно използването на описаният сензор за сканиране и охарактеризиране на образци с променлива повърхност във всяко от направленията Хи Y със стръмност на профила, ограничена от съотношението на разликата в амплитудата в ··· съответното направление и стъпката на сканиране в напречно направление, както бе описано

по-горе.

Трети вариант на изпълнение на изобретението с две направления на измерване е показан на фиг. 7в. В този случай сензорът има микроконзола 2 и сондова част 3 с перпендикулярни оси (ъгъл β = 90°) и три елемента за функционализиране, разположени успоредно на равнината на пластината, които са поместени съответно в сондовия край 6, който притежава два допълнителни разширени участъка. Осите на трите сондови елемента 4, 4* и 4” имащи мислена пресечна точка А, са разположени под ъгъл θ, θ’ и Θ” спрямо оста на сондовата част 3, и са 90° или 180°, съответно. Тъй като елементите за функционализиране са ориентирани в направление {110}, те са V-образни канавки, съответно 7, 7’ и 7”. Въпреки, че този сензор има три сондови елемента, той може да измерва в две направления и затова два от сондовите елемента са съосни, но с взаимно противоположна посока по оста Υ.

Четвърти вариант на изпълнение на изобретението с две направления на измерване е показан на фиг. 7г. В този случай сензорът има микроконзола 2 и сондова част 3 с перпендикулярни оси (ъгъл β = 90°) и три елемента за функционализиране, разположени успоредно на равнината на пластината в общата повърхност, които са поместени съответно в сондов край 6 с два допълнителни разширени участъка. Елементите за функционализиране са ориентирани така, че осите на трите сондови елемента 4, 4’ и 4” имащи мислена пресечна точка А, са разположени под ъгъл θ, Θ’μ Θ” спрямо оста на сондовата част 3, и могат да бъдат от 0° до 180°, съответно. Когато поне един сондов елемент е ориентиран в направление различно от {110}, то елементите за функционализиране са съставни канавки 9, 9’ и 9”, които могат да бъдат разположени и в метален слой. Въпреки, че този сензор има три сондови елемента и никои два от тях не са съосни, както вече бе пояснено по-горе, той може да измерва в две направления, съответно X и Υ.

Пример 3 - сензор с три направления на измерване

На фиг. 8а е показан вариант на сензор съгласно изобретението, който е с три сондови елемента. Сондовите елементи 4 и 4’ са разположени в равнина, успоредна на равнината на пластината, подобно на показания на фиг. 76 сензор, а сондовият елемент 4”’ е перпендикулярен на споменатата равнина. Микроконзолата 2 е с характеристична дължина 1_Хв направление Υ и височина а_х на микроконзолната свързваща част 5 и има сондова част 3 ·· » · «· ··* • « · · · ♦ · ·· ··· ♦ · · · » · ·· • ·»· · · · ··· с · ···· • « · · ···· ··«· β« ·· *·»· ·· със свързваща сондова част 11 с правоъгълно стеснение с ширина а_у и характеристична дължина 1_У. В свободния сондов край 6 са оформени два допълнителни разширени участъка и са създадени три елемента за функционализиране, два от които са V-образни канавки 7 и 7’, а един е отвор 10, които са ориентирани така, че осите на сондовите елементи 4, 4’ и 4”’ сключват с оста на сондовата част 3 ъгли θ, θ’ и 0”’, които са равни на 180° или 90°, съответно. Когато е необходимо или се предпочита, елементите за функционализиране да са V-образни канавки, осите им са ориентирани съответно в направление {110} на силициевата монокристална подложка. При това трите сондови елемента 4, 4’ и 4”’ се разпростират извън канавките, съответно по всяко от направленията X, У и Ζ на разстояния с дължини 1_рх, 1_РУ и /_рг. Както и в Пример 2, хетерогенните сондови елементи могат да бъдат еднакви, включително по отношение на тяхната електропроводимост, или различни по вид и размер, като дължините им на разпростиране са предварително определени спрямо мислената пресечна точка А на осите на сондовите елементи 4, 4’ и 4”. Като общ предпочитан вариант, различни по вид хетерогенни сондови елементи е подходящо да се използват, когато се изследва топография и ориентация на магнитни домейни или тънки многослойни структури с различни свойства на отделните слоеве, например електропроводимост, магнитна проницаемост, водещи до различие на свойствата на структурата по отделните направления.

На фиг. 86 и на фиг. 9а е показан вариант на сензор с четири сондови елемента, разположени в три взаимно перпендикулярни оси. И в този случай, когато оста на микроконзолата 2 и осите на елементите за функционализиране са ориентирани в направление {110} на силициевата монокристална подложка, елементите за функционализиране са V-образни канавки съответно 7, 7’ и 7”. Поради възможноста за точен контрол на положението на всеки от елементите за функционализиране и на сондовите елементи, осигуряван от настоящото изобретение, те могат да бъдат получени така, че осите на елементите за функционализиране V-образни канавки 7, 7’ и 7” да имат обща мислена пресечна точка А, в която е формиран елемент за функционализиране отвор 10, представляващ права триъгълна призма, разположена така, че оста на сондовия елемент 4’”, поставен в нея, да минава през споменатата пресечна точка А. При това сондовите елементи 4, 4’, 4” и 4”’ се разпростират извън елементите за функционализиране, съответно по всяка от осите X, Υ, Ζ, като по осите Υ и Ζ са разположени в права и обратна посока, а краищата им се намират на разстояния с дължини l_px, l_py, lp._y, l_pz и 1р._г, определени спрямо мислената пресечна точка А на четирите сондови елемента. Както и в предишните примери,

·«	е	•
» ·	•	• ·
•	• ·	• ♦ · ·
•	···	• · « ··*
•	•	• · ·
···♦

«·» « · ·· • * ·· • · ··♦ • ·· ····

хетерогенните сондови елементи 4, 4’, 4” и 4”’ могат да бъдат подбрани да са еднакви, включително по отношение на тяхната електропроводимост, или различни по дължина и по вид.

На фиг. 9а е показан аксонометричен вид на сензор за сканиране в направленията X, Y и Z, в който хетерогенните сондови елементи могат да са с еднакви или различни дължини на разпростиране от общата мислена пресечна точка А на осите им до краищата на всеки от разпростиращите се сондови елементи. Тъй като разстоянието от пресечната точка А до края на съответния сондов елемент и разстоянието на взаимодействие между сондовия елемент и образеца са известни, това дава възможност да се пресмята геометричната форма на изследвания образец в съответното направление. Също, така детектирания сигнал се използва за коригиращо транслационно преместване на сензора в направлението на измерване, за поддържане на постоянна стойност на величината, характеризираща взаимодействието с образеца, в конкретния пример това е фазата на принуденото трептене, но може да бъде и амплитудата или честотата.

На фиг 96 е показан видът на честотната зависимост на нормализираните разлики в амплитудите М{. Аналогично на предишните примери, по честотата, при която е

регистрирана промяна в механичното трептене или е регистриран тунелния ток, се постига разпознаване на направлението на взаимодействие на сондовия елемент с образеца.

Този сензор е подходящ за сондово изследване на тримерни образци със сложна форма.

Изненадващо за сензорите от това изобретение бе установено, че с един единствен микромеханичен елемент, може да се определя профила на едномерни, двумерни или тримерни обекти, като размерноста на определянето съвпада с броя на направленията на измерване. Доколкото, посредством геометричните параметри на микроконзолата в различните направления могат да се изменят еластичните характеристики на сензорите във всяко от тези направления, то и сътветните собствени честоти в тези направления могат да бъдат зададени така, че да са близки, но еднозначно различими.

На фиг. 10а е показан аксонометричен вид на интегриран сензор за сканираща микроскопия с три направления на измерване, аналогично на показния на фиг. 9а, който сензор има само един хетерогенен сондов елемент, избран алтернативно от хетерогенните сондови елементи 4, 12 или 12’, показани на фиг. Юг. За регистриране на взаимодействията на този сондов елемент във всяко от трите направления на измерване се използват пиезорезистивни сензорни елементи, които включват пет силнолегирани области 13, осъществяващи галваничен контакт със съответните краища на последователно свързани области с пиезорезистивни свойства 14, 14’ и 14”. Тези сензорни елементи изменят стойността на съпротивлението си при огъване на сондовия край в съответното направление X, У, и Ζ. В показания на фиг. 10а вариант на изпълнение, трите пиезорезистора 14,14’ и 14” са свързани последователно посредством четири контактни отвора 15 и три метални пътеки 16 с контактните площадки 17 и 17’. При този вариант на свързване измерването с външен измерителен уред е само на сумарната стойност на съпротивлението на трите пиезорезистора, но са възможни и други начини на свързване, в зависимост от приложението

на сензора.

Фиг. 106 илюстрира електрическа схема на свързване на трите пиезорезистора, показани на фиг. 10а, а видът на честотната зависимост на средноквадратичната стойност на изменението (RMS) на съпротивлението Rn-ir, измерено между изводите 17 и 17’ е показан на фиг 10в. Както се вижда, това съпротивление има три изразени максимума, съответстващи на резонансните честоти на огъване на микромеханичната конструкция на сензора. При еднакви амплитуди на трептенията в различните направления, тези максимуми могат да бъдат еднакви или различни в зависимост от параметрите на пиезорезисторите, разположението им върху еластичните микроелементи и метода на получаване. Независимо от съотношенията на измененията на стойностите на отделните съпротивления, посредством измерване на посоченото съпротивление Rn.n< могат да се регистрират описаните по-горе изменения на трептенията на микромеханичните елементи в резултат на взаимодействието на сондовия елемент с образеца във всяко от направленията на измерване. В един предпочитан вариант на изобретението, измененията на стойностите на пиезорезисторите при еднакви амплитуди на преместване на свободния край на микроконзолата в направленията X, Y, и Z, са еднакви.

Вариантите на хетерогенни сондови елементи, показани на фиг. Юг илюстрират някои предпочитани изпълнения, например хетерогенен сондов елемент 4, представляващ CNT с полусферичен край, 12 е хетерогенен сондов елемент, изграден от съединени цилиндрична и сферична части, а 72’ е хетерогенен сондов елемент изграден от съединени цилиндрична част с микро/нанокристал със специфични свойства и пирамидална или многопирамидална форма.

• · · ·

• · • · ·

Разделителната способност на сензора със сондов елемент 12 се определя от диаметъра на сферата и такъв сензор е подходящ за измерване размери на тримерни обекти с неизвестна форма. Разделителната способност на сондовият елемент 12’ се определя от радиуса на кривината на пирамидалните върхове на микро/нанокристала.

Аналогично на предишните примери, по честотата, при която чрез измерване на сумарното съпротивление е регистрирана промяна в характеристиките на трептенето или е регистриран тунелния ток, се постига разпознаване на направлението на взаимодействие на сондовия елемент с образеца. Тъй като дължината на разпростиране на сондовия елемент извън елемента за функционализиране е известна, това дава възможност посредством измерване с този сензор да се определи геометричната форма на изследвания образец в съответните направления, с разделителна способност, определена от диаметъра на сондовия елемент.

В допълнение, в друг предпочитан вариант на изпълнение на изобретението, всеки един от сензорите, описани в Примери 1, 2 и 3, и илюстрирани на фигури 3, 4, 5, 6, 7а, 76, 7в, 7г, 8а, 86 и 9а, може да бъде изпълнен с допълнително включени в неговия еластичен микромеханичен елемент пиезорезистори, със съответното, ясно за специалистите в областта адаптиране обусловено от конкретната конструкция на сензора, по начина, разкрит по-горе.

Б. Пример за изпълнение на метод за тримерно измерване със сензор за сканираща микроскопия

В началото на процеса на тримерно измерване, сканираща сондова микроскопска система, снабдена със сензор с три направления на измерване, който има една микроконзола и една сондова част, притежаващи обща плоска повърхност, с индивидуални динамични характеристики на огъване без усукване във всяко от направленията X, Y и Z, които са различими една от друга при детекция, се разполага в изходно положение спрямо образеца. Сондовата част на споменатия сензор трябва да бъде снабдена с достатъчен брой хетерогенни сондови елементи, за да осигури измерване по всяко от направленията X, Y и Z. Това може да бъде както сензор с един хетерогенен сондов елемент, който е чувствителен в трите направления на измерване X, Y и Z, какъвто например е сензорът от настоящото изобретение, показан на фиг. 10а, така и друг тип сензори, като например вариантите на сензори от изобретението, в които сондовата част може да бъде снабдена с три или четири хетерогенни сондови елементи, каквито са сензорите, показани на фиг. 8а, 86 и 9а. След това

системата се установява в режим на достигане на точка на измерване по мрежата от точки на сканиране и се привежда в принудено трептене с амплитуда, която се изменя от работна до контролна. При регистриране на първото взаимодействие на сондовия елемент е образеца, по честотния диапазон в който е регистрирано това взаимодействие се определя направлението муj, където j ех,у или z, и се прекратява принуденото трептене с контролна амплитуда. След това се продължава режима на достигане до точка на измерване в установеното направление на взаимодействие j, но вече с работна амплитуда. Този процес продължава до регистриране на взаимодействие с образеца, когато движението на сензора и/или на образеца от сканиращата система се преустановява. Достигнатата по този начин позиция от сензора, е точката на измерване, в която сензорът и образецът остават неподвижни, и се преминава в режим на измерване по направлението на достигане на точката. За целта, сензорът се подлага на периодично въздействие с работна амплитуда в направлението j и се установява стойността на физичната величина, характеризираща взаимодействието. След това, сензорът се привежда в режим на трептене в перпендикулярните направления j±l, като се променя интензитета и/или диапазона на честотата на въздействието, така че амплитудата на трептене в тези направления да се променя плавно от работна до контролна за евентуално установяване на взаимодействие с образеца. Така, като се поддържа постоянна избраната физична величина, се сканира образеца съобразно избрания алгоритъм на измерване. Посредством анализ на управляващия сигнал на актюатора, поддържащ постоянна стойност на величината, характеризираща взаимодействието между сондовия елемент и образеца, се изследват свойствата на повърхността на образеца по съответното направление. Данните, за полученото в резултат на взаимодействието с образеца изменение на амплитудата, честотата, фазовата разлика или друга измервана физична величина, например тунелен ток, се отчитат и обработват за получаване на съответната тримерна характеристика на образеца.

В предпочитан вариант на метода за тримерно измерване на изследвания образец, физичната величина, характеризираща взаимодействието, се поддържа постоянна посредством контролиране на интензитета на съответното периодично въздействие.

В. Пример за изпълнение на метод за получаване на сензор за сканираща микроскопия с висока разделителна способност

Методът за получаване на сензори за сканираща сондова микроскопия съгласно настоящото изобретение е триетапен и в него за подложки, от които се получават сензорите, • r

се използват силициеви пластини с ориентация (100), с р-тип на легиране и специфично съпротивление в границите от 0.1 до 20 Q.cm, или с п-тип на легиране със специфично съпротивление в границите от 0.003 до 20 Ω.αη, като основният им технологичен срез е с ориентация [110].

Монокристални силициеви пластини с р-тип на легиране се използват, когато получаваните от тях сензори съгласно настоящото изобретение са предназначени за използване в сканиращи системи с оптична детекция на взаимодействието между сондовия елемент и образеца, или системи, регистриращи тунелен ток.

Когато се желае получаването на сензори за сканираща сондова микроскопия с пиезорезистивна детекция, се използват подложки от монокристална силициева пластина с птип на легиране и специфично съпротивление в границите от 1 до 20 Q.cm, върху които предварително са формирани повърхностни силнолегирани области, които могат да бъдат получени по различни методи, известни на специалистите в областта, и намиращи се в галваничен контакт с тях пиезорезистивни области, разположени по повърхността и/или в канавки, получени например по метода, разкрит в заявка за патент № BG 110397.

Всяка пластина преди изпълнението на процесите съгласно метода от настоящото изобретение, както е обичайно за областта е необходимо да се подготви чрез предварителни обработки, включително химическа обработка, известни на специалистите, за изпълнение върху тях на последващите процеси на окисление, ецване, и т.н., както е описано по-нататък в примера за изпълнение на метода.

Повърхностно структуриране

Съгласно настоящото изобретение, в първия етап от метода подложката се подлага на процеси за повърхностно структуриране. За целта, първоначално се осъществява двустранно окисление на силициевата пластина 18, като се образува слой силициев диоксид 19, който се използва като маска в последващите процеси на повърхностно и обемно структуриране. След това така обработената силициева пластина се подлага на процеси на структуриране през фотолитографска маска за формиране на еластични структури чрез последователно ецване на слоя силициев диоксид и подложката в защрихованите области 25 до зададена дълбочина «_г, както е показано на фиг. 11.

При това структуриране се получават едновременно структурите на микромеханичните елементи и показаният на фиг. 11 елемент за функционализиране отвор

10, когато такъв е предвиден. Това може •» •· •· •· • · да бъде • · · * • · ·· • · ·· • · · · · • ·· • · · · единственият елемент за функционализиране отвор 10, както е във варианта, показан на фиг. 5, или един от елементите за функционализиране, както е при вариантите, показани на фигури 7а, 8а, 86, и

9а. Когато се получават сензори с елементи за функционализиране отвори 10, процесът на ецване се избира и провежда така в етапа на повърхностното структуриране, че стените да са максимално бизки до перпендикулярни спрямо повърхноста на пластината, тъй като наклонът на стените на отвора определя впоследствие наклона на поместения в него

хетерогенен сондов елемент.

В един особено предпочитан алтернативен вариант на метода от изобретението, за разлика от досега известните и прилагани в областта методи, когато е предвидено използването на сондови елементи, разположени в равнина, успоредна на равнината на подложката, най-напред върху подготвената монокристална силициева пластина се формират елементите за функционализиране V-образни или съставни канавки, с подходящи размери и ориентация върху избрани области на повърхноста на подложката. Това става, като върху предварително подготвената монокристална силициева подложка 18, както е показано на фиг. 12а, се израстват и отлагат допълнителни слоеве за функционализиране и при това найнапред подложките се подлагат на високотемпературно окисление на двете им страни, което може да бъде направено по всеки известен на специалистите в областта начин. Дебелината на слоя силициев диоксид 19 е такава, че да изпълнява функцията на маска за повърхностното и обемно структуриране на силиция съгласно описанието на метода от изобретението по-нататък.

В едно предпочитано изпълнение на метода, за получаването на произволно ориентирани хетерогенни сондови елементи, разположени върху повърхноста на микроконзолата на сензора, както е показано на фиг. 12а, върху слоя силициев диоксид 19 на лицевата страна на подложката, посредством подходящ, обичаен в областта, физически или химически процес, се нанасят два тънки слоя 20 и 20’, за формиране в тях на канавка, но в някои случаи е желателно тези слоеве да бъдат и повече от два. Тънките слоеве 20 и 20’ в конкретния случай са титан с дебелина 20 нм и злато с дебелина 200 нм, а върху тези слоеве се нанася фоторезистивен слой. Могат да бъдат използвани също и други материали, напр. проводящи, като титан нитрид, придаващи проводими свойства на повърхноста на монокристалната силициева пластина. След това се извършва структуриране на подходящо ориентирана фотолитографска маска, при което във фоторезиста се получава отвор с желана • ·

правоъгълна форма и ориентация. После през така получената маска се извършва контролируемо последователно ецване на получените слоеве за получаване на желания профил на сечението на елемента за функционализиране, като се оформя съставна канавка 21 с размер g в повърхностните слоеве 20 и 20', както е показано на фиг. 12а. При това, всеки вече горен слой е маска за ецването на следващия го, по-долу разположен слой и така се получава желаната форма на съставната канавка. Дебелината на слоевете, размерът g на спомагателната канавка 21 и ориентацията й спрямо останалите микромеханични елементи на сензора се определят от размера на хетерогенните сондови елементи, които ще се използват в конкретния сензор, съобразно неговото приложение, както и от другите специфични изисквания към него. Такива са например изискванията за омокряне на повърхността от материала при фиксиране на хетерогенния сондов елемент за съответната допустима максимална температура, известни на специалистите в областта.

Ориентирането на тази структура спрямо кристалографските направления на силициевата подложка 18 е произволно.

В един предпочитан вариант на изпълнение на процесите на формиране на елементи за функционализиране канавки, показан на фиг. 126, когато се желае получаването на Vобразни канавки 7, върху монокристалната силициева подложка с изградения оксиден слой 19 се нанася фоторезист, който се използва като маска за ецване. След това се извършва структуриране на желано ориентирана фотолитографска маска, като при това изображенията, от които ще се получат елементите за функционализиране се ориентират в направление {110} на монокристалната силициева подложка. После слоят силициев диоксид 19 се ецва през тази маска, като размерът на фотолитографската маска а се пренася върху слоя диоксид, и се получава прозорец 22 с правоъгълна форма с размер а и ориентация на страните му по направленията {110} на монокристалната силициева подложка, както е показано на фиг. 126. Така полученият структуриран слой силициев диоксид е маска за последващото ецване на канавките 7 в силициевата подложка до зададената дълбочина. При това, съгласно този предпочитан вариант, елементите за функционализиране които се получават, са V-образни самоограничаващи се канавки. Процесът на получаване протича със самоограничаване, когато се извършва мокро анизотропно ецване на подложката от монокристален силиций с ориентация (100) в калиев хидроксид (КОН). За тази канавка е характерно това, че стените й са с кристалографска ориентация <111 >, дъното й е успоредно на повърхноста на

подложката, а дълбочината й d_t се определя от размера а, зададен при фотолитографското структуриране.

В друг предпочитан вариант на изпълнение на първия етап от метода съгласно изобретението, показан на фиг. 12в-1 и фиг.12в-П, когато се желае получаването на сензор с хетерогенни сондови елементи, разположени в произволно направление в равнина, успоредно на и под нивото на повърхноста на пластината, при което елементът за функционализиране е съставна канавка, върху подготвената монокристална силициева подложка с изграден оксиден слой се нанася фоторезистивна маска за ецване. Аналогично на предходния вариант, след това се извършва фотолитографско структуриране на маска за ецване с правоъгълна форма с размер b и произволна ориентация, така че изображението да е ориентирано в желаното за приложението на сензора направление, както е показано на фиг. 12в-1. Размерът Ь се определя основно от диаметъра на сондовия елемент, който се желае да бъде монтиран в елемента за функционализиране. След това силициевият диоксид 19 се ецва през наличната маска, при което размерът на маската b се пренася върху структурирания слой силициев диоксид, като се образува прозорец 23, а диоксидът се използва за маска за последващото ецване на канавка в монокристалната силициева подложка. След това силициевата подложка 18 се ецва изотропно през така получената маска от структуриран слой силициев диоксид 19 с размер на отвора Ь, съответно мокро или сухо, до получаване на областта 24, при което размерът на тази област се разширява до размер Ь’, както е показано на фиг.12в-П.

След това през същата маска от силициев диоксид се извършва следващо анизотропно сухо ецване, при което прозореца 23 с размер Ь се проектира върху дъното на областта 24, като по този начин се образува вторична канавка 23’, която е част от дъното на съставна канавка 9, както е показано на увеличения детайл на фиг. 12в-П. Второто ецване се извършва при ниско налягане, като например реактивно йонно ецване (RIE).

За елемента за функционализиране съставна канавка 9, получена посредством маската с отвор 23 е съществено това, че оста й е с произволна ориентация, дълбочината й d_t се определя от характеристиките на сондовия елемент 4 и от функцията на сензора, а дъното й е успоредно на повърхноста на подложката.

По-нататък се изпълнява същественият за метода от изобретението процес на съвместяване, при който фотолитографски определеното изображение във фоторезист се съвместява към вече съществуващите елементи за функционализиране, така че елементите за

функционализиране да пресичат едностранно околните стени на съответните издадени части на сондовия край.

Когато се желае получаването на сензори за сканираща сондова микроскопия с пиезорезистивна детекция и съответно се използват пластини с п-тип на легиране, в които предварително са получени повърхностни силнолегирани области и пиезорезистивни области в канавки, намиращи се в галваничен контакт, при разполагането на фотолитографските маски за ецване върху повърхността на пластината при реализиране на всички от изброените по-горе варианти на метода за получаване на елементи за функционализиране, допълнително се извършва съвместяване на тези маски към предварително получените върху силициевата пластина пиезорезистивни и силнолегирани области.

На фиг. 13а е показана структурата получена след извършване на процесите на повърхностното структуриране, при което отделните елементи, като тялото 1, микроконзолата 2, сондовия край 6 и елемента за функционализиране 10, се оформят едновременно посредством вертикално ецване в защрихованите области 25 до зададена дълбочина a_z през съвместена към предварително получените елементи за функционализиране канавки 7 или 9, фотолитографски дефинирана маска.

Във варианта на метода за получаване на сензори с пиезорезистивна детекция, подобни на показания на фиг. 10а сензор, допълнително се осигурява и съвместяването на микромеханичните елементи микроконзола 2 със свързваща част 5 и сондов край 3, към повърхностно силнолегираните области 13 и към областите с пиезорезистивни свойства 14, както е показано на фиг. 136.

Тъй като съвместяването между двата фотолитографски структурирани слоя, формиращи обединените еластични структури, допуска широк толеранс, така получените сензори са с възпроизводими параметри.

За специалистите в областта е ясно, че тези процеси могат да се реализират по различни начини, като в метода от изобретението предпочитано е използването на обичаен позитивен фоторезист, нанесен по обичайния метод на центробежно разстилане. Видът и формата на възможните специфично оформените плоски еластични елементи, които могат да се получат в този етап, не са ограничени.

Получените след ецването на дълбочина d_t елементи за функционализиране във формата на V-образни 7 или съставни 9 канавки върху новоформирани плоски еластични

микромеханични структури, лежащи в една равнина, са показани в аксонометричен вид на фиг. 14а и на увеличените детайли на фиг. 146 и фиг. 14в. Както вече бе посочено, когато оста на канавката е в направление {110}, такава канавка е V-образна, докато във всички останали случаи тя е съставна.

Видът на пресечената от елемента за функционализиране V-образна канавка 7 околна стена 8 на свободния сондов край 6 е показан на фиг. 146. Съществена особеност на метода от изобретението е това, че дълбочината на V-образните канавки d, и определеното от нея разполагане на сондовия елемент се определя от ширината им а. В частност, когато зададената от фотолитографскато структуриране ширина на зоната в силициевия диоксид е с размер а, и дълбочината на ецване на микроконзолата a_z е такава, че е в сила равенството а_г = a. tg 54.7° (14) то в този случай дълбочината d_t на канавката 7 е равна на половината от дебелината на микроконзолата a_z.

В резултат на това, методът от това изобретение създаде неочакваната възможност за получаване на канавки с възпроизводими параметри, включително с хоризонтално дъно, разположено на зададено отстояние от повърхноста на подложката, в средата по дебелината a_z на свободния сондов край 6.

Видът на пресечената от елемента за функционализиране съставна канавка 9 околна стена 8 на свободния сондов край 6 е показан на фиг. 14в. Съществена особеност на такава структура, получена по метода съгласно настоящото изобретение е това, че ориентацията й може да бъде произволна. При това се получава обща плоска структура на сондовия край 6 с елемента за функционализиране съставна канавка 9. Тази обединена структура позволява монтирането на разнообразни хетерогенни сондови елементи, разположени в различни направления, имащи различни функционални характеристики.

В един предпочитан вариант на изпълнение на метода от изобретението, когато сензорът съдържа както елемент за функционализиране V-образна канавка 7, или съставна канавка 9, така и отвор 10 във формата на права триъгълна призма, какъвто притежават сензорите, показани на фиг. 7а, фиг. 8а, фиг. 86 и фиг. 9а, елементът за функционализиране отвор 10 се съвместява към елементите за функционализиране канавки така, че в отвора 10 да се разполага мислената пресечна точка А на осите на елементите за функционализиране канавки, създадени вече върху обработваната монокристална силициева структура, а последователното ецване на слоя силициев диоксид и подложката се извършва до зададената дълбочина a_z. По-нататък така получената еластична структура се обработва аналогично на другите сензори, предмет на настоящото изобретение.

Когато се желае получаването на сензори за сканираща сондова микроскопия с пиезорезистивна детекция след изпълнението на описаните до тук процеси допълнително се осъществяват процеси за метализация, при които в контакт със силнопроводящите области, върху сондовата част, микроконзолата и тялото на сензора се получават свързващи метални пътеки с изводи. Тези процеси за метализация се изпълняват по познатите на специалистите в областта начини.

Обемно микроструктуриране на еластичните микромеханични структури

Така обработената монокристална силициева структура се подлага на процесите на фотолитографско структуриране на слоя силициев диоксид на задната повърхност на подложката, последващо обемно ецване на задната страна на силициевата пластина до достигане на предварително зададена дебелина на остатъчния слой и освобождаване на еластичните микромеханични елементи от връзка със силициевата основа, което може да бъде направено по всеки известен в областта начин. При това, по време на обемното структуриране се получава и спомагателна носеща планарна структура, която свързва странично и задържа отделните сензори един към друг, получавани обичайно едновременно върху една подложка в един технологичен цикъл.

Поставяне и позициониране, включително самопозициониране на хетерогенните сондови елементи с последващо фиксиране към дъното на елементите за функционализиране

В елементите за функционализиране на получените в предходния етап еластични микромеханични елементи след това се поставят и самопозиционират хетерогенните сондови елементи, а след това хетерогенните сондови елементи се фиксират към дъното на елементите за функционализиране.

Изпълнението на процеса на поставяне и позициониране на сондови елементи в елементите за функционализиране, е възможно по разнообразни, известни на специалистите в областта начини. На фиг. 15а е показан един особено предпочитан начин за получаване на сензор с продълговат хетерогенен сондов елемент, с използване на елемент за функционализиране V-образна канавка 7. В канавката се поставя продълговат хетерогенен сондов елемент 4 с цилиндрична форма и с малък диаметър, в случая въглеродна нанотръба (CNT) или сноп от такива нанотръби. Могат да бъдат използвани и други елементи, например борни или бор-нитридни нанотръби, нанокристали, нанонишки, наножици, или елементи със сложна конфигурация, имащи продълговата цилиндрична част. Тъй като диаметърът на въглеродната нанотръба е многократно, типично няколкостотин до хиляда пъти, по-малък от ширината а на канавката, нанотръбата се позиционира към дъното на канавката или самопозиционира и попада сама на това дъно, както е показано на фиг. 156. В особено предпочитания вариант със самопозициониране е достатъчно преди поставянето, сондовият елемент въглеродна нанотръба да се позиционира по отношение на ширината на

канавката с точност, равна на половината от размера а.

По аналогичен начин се извършва позиционирането на продълговатия цилиндричен хетерогенен сондов елемент, когато формираният елемент за функционализиране в еластичния микромеханичен елемент е съставна канавка 9. При това е достатъчно преди поставянето, тръбата да се позиционира по отношение на ширината на канавката с точност, равна на половината от размера Ь’ на съставната канавка.

Позиционирането на хетерогенните сондови елементи в елементи за функционализиране отвори 10 се извършва, като първоначално сензорът се ориентира вертикално, така че вътрешният ръб на призматичния отвор, съдържащ точка А през която ще преминава сондовият елемент, да е най-ниско разположена по отношение на околните стени на отвора. След това сондовия елемент се вкарва с избрания микроманипулатор в отвора и се позиционира или самопозиционира към най-ниско разположения вътрешен ръб. При това е достатъчно преди поставянето, нанотръбата да се позиционира по отношение на отвора с точност, равна на половината от размера на страната на тръгълната призма.

След поставянето на продълговатите цилиндрични хетерогенни сондови елементи, те се фиксират към дъното на канавките посредством нанасянето на подходящо покритие 26. Необходимо е покритието 26 да има добра адхезия към материала на елемента за функционализиране - канавките 7, 9 или отвора 10, както е показано на фиг. 16а.

При позиционирането на хетерогенния сондов елемент 4 по оста на елемента за функционализиране 7, 9 или 10, предварително се задава дължината 1_Р на частта от сондовия елемент 4, която се разпростира извън сондовия край.

В едно предпочитано изпълнение на метода от изобретението, показано на фиг. 166, покритието 26 се нанася в канавката 7 върху вече поставения и позициониран към дъното й

цилиндричен сондов елемент 4. В зависимост от удобството за реализация, фиксирането на сондовите елементи може да бъде извършено по избор чрез различни методи и с използването на подходящо за всеки сондов елемент количество материал.

По аналогичен начин се работи и в другия предпочитан начин на изпълнение на метода, когато CNT, снопове от CNT или други сондови елементи 4 с подходящи свойства, се фиксират посредством нанасянето на подходящо покритие 26, имащо добра адхезия към материала на съставната канавка 9, както е показано на фиг. 16в. В зависимост от удобството за реализация, фиксирането на сондовите елементи може да бъде извършено по избор чрез различни методи и с използването на подходящо за всеки сондов елемент количество материал от покритието 26.

Сондови елементи могат да се монтират към елементите за функционализиране включително чрез известните от състоянието на техниката методи за фиксиране, като локална заварка с електронен сноп в камерата на сканиращ електронен микроскоп, както и всеки друг известен и приложим метод. Тези алтернативи се използват особено за реализиране на закрепването на сондовия елемент 4’” в отворите 10 с форма на права триъгълна призма.

По описаният начин могат да бъдат поставяни и фиксирани произволни самостоятелни сондови елементи или снопове от такива елементи, имащи подходящи за конкретното приложение свойства. При това, в микроконзолните структури със съвместени към тях елементи за функционализиране могат да се монтират различни сондови елементи.

Накрая, готовите сензори се отделят от носещата ги спомагателна планарна структура, като това може да стане по различни начини, известни в областта.

1. Сензор за сканираща сондова микроскопия, който включва оформени

Claims

ПРЕТЕНЦИИ съвместно от монокристална подложка тяло, разпростираща се от него микроконзола и разпростираща се от свободния край на микроконзолата сондова част със сондов елемент, характеризиращ се с това, че сондовата част е плоска и се намира в една равнина с тялото и с микроконзолата, представляваща тяхна обща плоска странична повърхност; като сондовата част включва свободен сондов край с формиран върху него поне един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране, в който е поместен продълговат хетерогенен сондов елемент, оста на който е разположена паралелно на общата плоска повърхност или перпендикулярно на нея, при което върху микроконзолата и/или върху сондовата част за всяко направление X, Y и/или Z на измерване с микромеханичния сондов сензор, е обособен участък с подбрани геометрични размери, определящи индивидуални динамични и статични характеристики на огъване на микроконзолата и/или сондовата част в съответното направление на измерване.

2. Сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно предходната претенция, характеризиращ се с това, че вдлъбнато оформеният елемент за функционализиране е канавка с дълбочина, по-малка от дебелината на свободния сондов край, или отвор с дълбочина, равна на дебелината на свободния сондов край, при което формата на канавката е V-образна или съставна, като споменатата канавка е с постоянно по дължина сечение и е разположена успоредно на равнината на общата плоска повърхност; а отворът е с форма на права триъгълна призма, и е разположен перпендикулярно на равнината на общата плоска повърхност, при което всеки вдлъбнато оформен елемент за функционализиране има наклон на стените и напречен размер, достатъчни да осигурят самопозициониране на поместен във вдлъбнатия елемент за функционализиране сондов елемент.

3. Сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно претенции 1 и 2, характеризиращ се с това, че има геометрични размери на обособените участъци от микроконзолата и/или сондовата част, определящи индивидуални резонансни честоти за всяко направление на измерване X, Y и/или Z, които за всеки две направления на измерване са подбрани в съответствие със зависимостите за различимост на резонансните честоти:

• * • 9

У · Q' (foj ~ foj+1) —foj foj/foj+i⁼ a_oj / a_oj+i, в които γ е коефициент в диапазона от 0.1 до 10, за предпочитане от 0.2 до 1.0, характеризиращ избрания метод за разпознаване на направлението на измерване по честотната характеристика при огъването на микромеханичния еластичен елемент;

foj е резонансната честота на микроконзолата или сондовата част съответно при огъване по направление j;

foj+i е резонансната честота на микроконзолата или сондовата част съответно при огъване по направление j+1;

Q е средната стойност на качественият фактор на микроконзолата и/или сондовата част за направленията на измерване / и у+/;

a_Oj и a_Oj+i са определящи геометрични размери, съответно на микроконзолата и/или на сондовата част.

4. Сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно всяка една от предходните претенции, характеризиращ се с това, че върху свободния сондов край са формирани два елемента за функционализиране, осите на които са разположени под ъгъл по-малък от 180° с мислена пресечна точка, попадаща извън сондовия край в направлението на измерване.

5. Сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно претенции 1, 2 и 3, характеризиращ се с това, че сондовата част е снабдена със свързваща част, обединяваща свободния сондов край и микроконзолата, а в свободния сондов край има най-малко един допълнителен странично разширен участък с формиран върху него втори елемент за функционализиране, в който е поместен продълговат хетерогенен сондов елемент, при което осите на двата елемента за функционализиране са разположени под ъгъл по-малък от 180° с мислена пресечна точка, попадаща в централния участък на свободния сондов край.

6. Сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно претенция 5, характеризиращ се с това, че допълнителните странично разширени участъци с формирани върху тях елементи за функционализиране са два, с поместени в тях продълговати хетерогенни сондови елементи така, че осите на трите елемента за функционализиране имат обща мислена пресечна точка, попадаща в централния участък на свободния сондов край, и всеки един от продълговатите хетерогенни сондови елементи сключва с оста на микроконзолата ъгъл в границите между 0° и 180°.

7. Сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно претенции 5 и 6, характеризиращ се с това, че в централния участък на свободния сондов край е формиран елемент за функционализиране във вид на отвор, в който попада мислената пресечна точка на осите на останалите елементи за функционализиране, а оста на установения в отвора продълговат хетерогенен сондов елемент, разпростиращ се поне едностранно от него, минава през мислената пресечна точка на осите на останалите елементи за функционализиране.

8. Сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно всяка една от предходните претенции, характеризиращ се с това, че е снабден с от един до четири, по избор еднакви или различни, продълговати хетерогенни сондови елементи с надлъжна ос на симетрия и съотношение среден напречен размер към дължина в границите от 1:10 до 1:5.10 , избрани от нанотръба, нанонишка, наножица от въглерод, бор или борнитрид, или нанокристал, или са съставени от хетерогенни части със сферична, пирамидална или многопирамидална форма, или са допълнително специфично функционализирани, за предпочитане са единични нанотръби или сноп от еднородни нанотръби, всяка представляваща едностенна или многостенна въглеродна нанотръба, включително електропроводящи; или борни нанотръби; или бор-нитридни тръби.

9. Сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно всяка една от предходните претенции, характеризиращ се с това, че участъците с подбрани геометрични размери допълнително съдържат: пиезорезистори, преобразуващи отклонението на свободния сондов край и/или на микроконзолата във всяко направление на измерване в електрическа величина, разположени в равнината на общата плоска повърхност и в перпендикулярни на нея равнини; и силнолегирани области, посредством които пиезорезисторите са в галваничен контакт с метални пътеки, оформени върху тялото, микроконзолата и сондовата част, като металните пътеки са снабдени с изводи за свързване към система за измерване на електрическа величина.

10. Метод за тримерно измерване със сензор за сканираща сондова микроскопия на повърхност на образец, при който сензорът и/или изследваният образец се преместват един спрямо друг от сканиращата микроскопска система за достигане на всяка точка от повърхността, в която се осъществява измерване, характеризиращ се с това, че се използва сензор с една микроконзола и една сондова част, имащи обща плоска повърхност и индивидуални динамични характеристики на огъване без усукване във всяко от направленията X, Y и Z, които характеристики са различими една от друга №

при детекция; като сондовата част е снабдена с един или повече хетерогенни сондови елементи, достатъчни да осигурят измерване по всяко от направленията X, Y и Z, при което след достигането на съответната точка от повърхността, в която се осъществява измерване, сензорът и образецът се установяват в неподвижно положение и на измерване се подлага околната на сондовата част повърхност, поетапно във всяко от направленията X, Y и Z без преместване на сензора и/или образеца, посредством привеждане на микроконзолата и сондовата част в трептене, което се осъществява последователно с работна амплитуда и контролна амплитуда за всяко от направленията X, У и Z и с честота в диапазон, съдържащ резонансната честота за това направление на измерване, а данните за полученото в резултат на взаимодействието с образеца изменение на амплитудата, честотата, фазовата разлика или друга измервана физична величина, се отчитат и обработват за получаване на съответната тримерна характеристика на образеца,

11. Метод за получаване на сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно всяка една от претенции 1 до 9, характеризиращ се с това, че върху пластина от монокристален силиций с ориентация (100), с р-тип на легиране със специфично съпротивление от 0.1 до 20 Q.cm или с п-тип на легиране и специфично съпротивление от 0.003 до 20 Q.cm, се изпълняват последователно процесите на: формиране на поне един горен спомагателен слой; повърхностно структуриране, по избор фотолитографски съвместено към предварително формиран върху повърхността на пластината най-малко един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране с дълбочина на вдлъбването, по-малка от дебелината на свободния сондов край, след което пластината се подлага на ецване, при което в една равнина едновременно се формират тялото на сензора, разпростиращата се от него микроконзола, свободният сондов край и по избор, един централно разположен вдлъбнато оформен елемент за функционализиране с дълбочина на вдлъбването, равна на дебелината на свободния сондов край, като се получават тяло и плоска еластична структура с най-малко един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране, които се подлагат на структуриране на задната повърхност на силициевата подложка с последващо обемно ецване и освобождаване на цялата сензорна структура, като същевременно се формира спомагателна планарна носеща структура; след което в създадения най-малко един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране се поставя хетерогенен продълговат сондов елемент, който се позиционира или самопозиционира към дъното на вдлъбнато оформения елемент за функционализиране и се фиксира към дъното; и накрая готовият сензор се освобождава от спомагателната планарна носеща структура.

12. Метод за получаване сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно претенция 11, в който формираният върху повърхността на пластината, най-малко един вдлъбнато оформен елемент за функционализиране с дебелина, по-малка от дебелината на свободния сондов край, се получава преди процеса на повърхностно структуриране чрез фотолитография и последващ най-малко един процес на ецване.

13. Метод за получаване на сензор за сканираща сондова микроскопия съгласно претенции 11 и 12, характеризиращ се с това, че се използва пластина от монокристален силиций с п-тип легиране и съпротивление от 1 до 20 Q.cm, която допълнително съдържа предварително изградени върху нея и галванично свързани легирани пиезорезистивни и силнопроводящи области, към които, по време на повърхностното структуриране в процеса на фотолитография, се съвместяват участъците с подбрани геометрични размери на микроконзолата и сондовата част, а в последващото маскирано ецване от тези легирани области се формират пиезорезистори, след което се осъществяват процеси за метализация, при които в контакт със силнопроводящите области, върху сондовата част, микроконзолата и тялото на сензора се получават свързващи метални пътеки с изводи.