BG66593B1 - Сензорен прибор за сканираща сондова микроскопия - Google Patents

Abstract

Приборът е предназначен за сканираща сондова микроскопия (ССМ), включително сканираща атомно-силова микрскопия (АСМ). Той се състои от носещо пасивно тяло (6) с размери, обичайни за сензорите за ССМ, снабдено с канавка (10), разположена към тясната му страна. Приборът съдържа и умален монолитен същински сензор (7) с микроконзола (3') и сондов елемент, при което сензорът (7) е монтиран неподвижно, конзолно в канавката (10) на носещото пасивно тяло (6). В друго изпълнение приборът съдържа при свободния край на тялото на същинския сензор още една, втора конзолна структура (11). С прибора се постига съотношение на дължината на микроконзолата към дължината на страната на тялото на същинския сензор, от която тя се разпростира, в диапазона от 1:10 до 5:1. С така описания прибор се преодоляват технологичните затруднения при производството и работата със сензори за ССМ, дължащи се на голямата разлика между дължината на микроконзолата и размера на страната, от която тя се разпростира, при произвежданите понастоящем сензори.

Description

Изобретението се отнася до сензорни прибори за сканираща сондова микроскопия (ССМ), включително за сканираща атомно-силова микроскопия (АСМ), които имат микроконзоли с дължина до 100 pm.

Предшестващо състояние на техниката

Сканиращата сондова микроскопия, в частност сканиращата атомно-силова микроскопия, е водещ метод за измерване и анализ на микро-/ нано-размерни обекти, както по брой на изследванията, така и по значимост на получените резултати. Но независимо от огромното развитие, което претърпя ССМ през последните десетилетия, апаратурата, с която се работи, и консумативите продължават да са относително скъпи. Един аспект на този проблем е свързан с цената на сензорите за ССМ, обусловена от методите за тяхното производство - всеки сензор съдържа функционално различни елементи, получаващи се чрез използването на специфични процесии стъпки и затова интегрирането им в обща процесна последователност е сложна задача.

Обичайно сензорите за ССМ, какъвто е показаният на фиг. 1а сензор за АСМ , 1, се състоят от монолитно тяло 2 с форма близка до правоъгълна, еластична микроконзола 3 с дължина 1 и сондов елемент, най-често с формата на ултра-остра игла (непоказана на фигурата), който елемент е разположен на свободния край на микроконзолата. Микроконзолата 3 се разпростира от избрана страна 4 на тялото 2. Тези сензори са направени от или върху силициеви подложки с използването на съвременни технологии за производство и контрол на отделните процеси за междинна обработка. Себестойността на сензорите се определя в частност и от броя на годните сензори, получени едновременно на една подложка. Независимо от факта, че диаметърът, както и дебелината на обичайно използваните в практиката подложки нарастват, а характерният размер на използваните елементи на структурите намалява, размерите на тялото на един сензор, съответно ширината w_s и дължината ζ остават непроменени (около 1.6 х 3.4 mm). Това се дължи и на обстоятелството, че доминиращият метод на детекция на сигнала от сензорите е оптически.

При това се осъществява възпроизводимо първоначално позициониране на сензора спрямо носещата го конструкция в измервателната система и съответно към оптическата система за детекция на сигнала от сензора. При тези размери на тялото на сензора 7, размерът на страната 4, към която е формирана микроконзолата 3, е типично в диапазона от 0.5 до 1 mm. При типична дължина/ на микроконзолата 3 в диапазона от 70 pm до 450 pm, съотношението на размера на споменатата дължина към размера на страната 4, към която е формиран фиксираният край на микроконзолата, е в диапазона от 1:2 до 1:15. В примера за сензор за АСМ, показан на фиг. 1а, съотношението на дължината на микроконзолата 3 към размера на страната 4 е 1:15 и е показателен за ситуацията за дължина на микроконзолата около 70 pm при възприетия размер на тялото 2. Надлъжното сечение на тялото на този сензор е показано на фиг. 16, където d_b е дебелината на подложката, използвана за получаването му.

Друга особеност на ССМ, и в частност на АСМ е, че въпреки много високата разделителна способност, обичайно сканиращите сондови микроскопски методи са относително бавни методи за изследване. Ето защо през последните години се разработват множество системи за бързо сканиране, използващи сензори с висока резонансна честота. Високата резонансна честота в комбинация с нужните за съвременните изследвания малки стойности на еластични коефициенти (коравини) на микроконзолите на сензорите могат да бъдат постигнати само посредством намаляване на геометричните размери на микроконзолите. През последните няколко години на пазара се предлагат сензори за АСМ с дължина 1 на микроконзолите в диапазона 1050 цт, дори с дължина, по-малка от 10 цт. При това, размерът на тялото остава непроменен и се получават неудобни за практическо използване сензори със съотношение на дължината 1 на микроконзолата към размер на страната, от която е формирана микроконзолата, в диапазона от 1:20 до над 1:100.

Един пример на монолитен сензор за АСМ с микроконзоли с малка дължина е разкрит в патент US 7637960. В него е описан метод за получаване на къси и тънки микроконзоли от силиций с интегрирани върху тях ултра остри игли, като за целта са използвани подложки от

66593 Bl типасилиций-върху-изолатор (SOI). Въпреки че разкритият в този патент метод за изработване на монолитни сензори позволява получаването на микроконзоли с малка коравина и относително висока резонансна честота, при него се използват скъпи подложки от типа силиций-върху-изолатор, като при това резонансната честота на така получените сензори не надвишава 102 kHz, което ограничава скоростта на сканиране на образеца.

Друг вариант на решение на проблемите, свързани с възпроизводимото получаване на микроконзолни сензори с малък размер, включително на проблема с голямото съотношение на размера на страната на тялото, от която е формирана микроконзола, към дължината на микроконзолата, е разкрито в патент US 7823216. Сензорите, получени по метода от това изобретение, притежават резонансна честота от 700 kHz и по-голяма. Както е показано на фигура 9А, 10А и 10В в този патент, тялото на монолитния сензор е с променлива ширина, като са използвани точно формирани компенсаторни структури за обемното ецване от задната страна на подложката на сензора. Претендираният метод, който се прилага за направата само на частта от сензора, включваща микроконзолата и участъка, към който тя е закрепена, предполага използването на разнообразни специфични методи за обработка и оборудване за точно ориентиране на фотолитографски структурираната маска по отношение на кристалографските направления на подложката, включително използването на техника за обработка на подложки с вече формирани мембрани, за осъществяване на споменатото ориентиране, както и на монитори за най-важните параметри на сензорите. За изпълнението на така описания метод обаче, се налага да се използват монокристални силициеви подложки без отклонение в дебелината, което е практически трудно изпълнимо. Също така се предвижда няколкократно повторение на фотолитографски стъпки до постигане на задоволително съвместяване на различните фотолитографски нива, както и прецизен контрол на параметрите на процесите на ецване, без да се гарантира възпроизводим размер на правия участък на тялото на сензора, от който се формира микроконзолата.

През последното десетилетие бяха развити разнообразни сложни микромеханични кон струкции, съставени от две и повече части, както и методи за получаването им. Така напр., в патент US 6393685 е разкрит метод за получаване на разнообразни микро електромеханични (МЕМС) компоненти с микро-сглобки, използващи елементи от типа, наречен „лястовича опашка”. В този патент са дадени разнообразни примери за приложение на споменатите сглобки, такива като оптични ключове, флуидни връзки и различни заключващи механизми, но няма пример за сглобяем сензор или устройство, аналогично или сходни на него.

Друг вариант за съвместяване и прецизно сглобяване на микромеханични компоненти е разкрит в международна патентна заявка № WO 2003/097902. В нея са дадени примери за получаване на електрически, магнитни, оптически и механични системи, при които се прилага детектор за край на процеса при ецване на многослойни структури. Въпреки, че се претендира за общ метод за получаване на тези системи, в посочената патентна заявка не се разглежда пример за получаване на сглобяем сензор за ССМ, нито се споменава за проблеми при използването на сензори с малко съотношение на размера на активните елементи към размера на тялото на отделните компоненти на сензора.

Известни са сглобяеми сензори за ССМ, при които се сглобява или сондов елемент към тяло с микроконзола, или микроконзола със сондов елемент към носещо тяло. Така например в патент US 6690008 е разкрит сглобяем сензор, съставен от плоска тънкослойна микроконзолна структура със сондов елемент за АСМ, и отделно удебелено носещо тяло, както и метод за сглобяване на такъв сензор, с използването на припой, при което се получава достатъчно здрава връзка между споените елементи. В споменатия патент не се разглежда, нито се предполага конструкция на монолитен сензор с удебелено тяло, съдържащ микроконзоли с дължина до 100 цгп.

Ето защо, съществува практическа необходимост от създаването на сензорни прибори за сканираща сондова микроскопия (ССМ) с намалена себестойност и тела на сензорите, при които съотношението дължина 1 на микроконзолата, която е в диапазона от 0.1 до 100 цт, към дължина на страната на тялото, от която е формиран микроконзолния елемент, да бъде в диапазона от 1:10 до 1:1 и дори по-голямо.

66593 Bl

Техническа същност на изобретението

Настоящото изобретение в предпочитан вариант, се отнася до сензорен прибор за сканираща сондова микроскопия, включващ същински сензор с тяло и оформена в свободния му край еластична микроконзола със сондов елемент, с дължина на микроконзолата до 100 цш. Този сензорен прибор съдържа и носещо пасивно тяло с канавка, разположена към тясната му страна, а същинският сензор е умален, монолитен сензор с обичайна конструкция за ССМ. Тялото на същинския сензор е установено конзолно, неподвижно в канавката на пасивното тяло, като формата и размерите на канавката съответстват на тези на тялото на същинския сензор, а съотношението на дължината на микроконзолата към дължината на страната на тялото на същинския сензор, от която се разпростира микроконзолата е в диапазона от 1:10 до 5:1.

В един предпочитан вариант, сензорният прибор съгласно изобретението съдържа при свободния край на тялото на същинския сензор още една, втора конзолна структура, в свободния край на която втора конзолна структура е формирана микроконзолата със сондовия елемент. В този вариант, микроконзолата е разположена върху или под втората конзолна структура. В един друг предпочитан вариант ширината на микроконзолата е равна на дължината на страната на втората конзолна структура на същинския сензор, от която се разпростира микроконзолата.

Допълнително, сензорният прибор от изобретението е снабден с високопроводящи метални пътечки, формирани както върху повърхността на пасивното тяло, така и върху повърхността на тялото на същинския сензор, които осигуряват галванична връзка на електрическите елементи на сензора с измервателната система.

В друг вариант на изобретението, същинският сензор е снабден с чувствителен елемент за измерване на огъването на микроконзолата чрез електрическа величина, такъв като например пиезорезистор.

В още един друг вариант на изобретението, пасивното тяло на сензорния прибор е изработено от силиций, полимерен материал, прахов материал на керамична или метална основа, стъкла и подобни материали, а същинският сензор е от силиций, полимерни материали, стъкла, метали или техни комбинации.

Пояснение на приложените фигури

На фигура 1 а е показан вид отгоре и напречен разрез по А-А’ на обичаен сензор за ССМ, известен от състоянието на техниката, а на фигура 1 б е показан надлъжен разрез по В-В’ на такъв сензор.

Фигура 2а показва вида отгоре и напречен разрез по А-А’ на сензорен прибор за ССМ от настоящото изобретение, а фигура 26 показва надлъжен разрез по В-В’ на този сензорен прибор.

Фигура За показва поглед отгоре, напречен и надлъжен разрез на пасивното тяло на сензорния прибор от настоящото изобретение, а фигура 36 - видът отгоре, напречен и надлъжен разрез на същинския сензор.

Фигура 4а показва напречен разрез на вариант на сензорен прибор от настоящото изобретение, когато ширината на канавката е равна на ширината на тялото на същинския сензор; фигура 46 показва напречен разрез на друг вариант на сензорния прибор, когато ширината на канавката е по-голяма от ширината на тялото на същинския сензор, а фигура 4в показва напречен разрез на още един друг вариант на сензорния прибор, когато ширината на канавката е по-малка от ширината на тялото на същинския сензор.

На фигура 5а е показан увеличен поглед отгоре на вариант на сензорния прибор от настоящото изобретение, при който е реализирано съотношение на дължината на микроконзолата към дължината на страната на тялото, от която тя се разпростира, равно на 1:1, а фигура 56 представлява надлъжен разрез по В-В’ на същия вариант на сензорния прибор за ССМ.

Фигура 6а е поглед отгоре на вариант на сензорен прибор за ССМ от настоящото изобретение, при който се използват електрически елементи и връзки за актюиране или за детекция на огъването на микроконзолата, а фиг. 66 представлява надлъжен разрез на същия вариант на сензорния прибор за ССМ.

Фигура 7 показва схематично последователността от операции за производство на пасивното тяло на сензорен прибор за ССМ от настоящото изобретение.

Фигура 8 показва схематично последователността от операции за производство на същински сензор за ССМ от настоящото изобретение.

На фигура 9а е показан поглед отгоре на същински сензор с реализирана втора конзолна структура, с разположена върху нея микроконзо

66593 Bl ласъс сондов елемент на върха, както и надлъжен разрез на този сензор; а фигура 96 показва поглед отгоре на същинския сензор за ССМ с реализирана втора конзолна структура с разположена под нея микроконзола със сондов елемент на върха, както и надлъжен разрез на този сензор.

На фигура 10а е показан поглед отгоре на междинна структура на вариант на същинския сензор от настоящото изобретение, с реализирана допълнителна област и с фоторезистивна маска за ецването на конзолата. Фигура 106 изобразява вида отгоре на частичен разрез на микроконзола със сондов елемент с ултра-остра игла на върха, разположена върху втора конзолна структура, а фигура 10в - надлъжен разрез на същия същински сензор с втора конзолна структура.

На фигура 11а е показан поглед отгоре на частите на сензорния прибор преди сглобяване, на фигура 116 е показан пример за нанасяне на свързващо вещество в канавката на пасивното тяло; а фигура 11 в представлява поглед отгоре на завършен сензорен прибор за ССМ от настоящото изобретение.

На фигура 12а е изобразен сензорен прибор с електрически елементи и връзки преди сглобяване; на фигура 126 е показан същият сензорен прибор след сглобяване чрез поставяне на същинския сензор в канавката, а фигура 12в демонстрира крайния вид на този вариант на сензор за ССМ от настоящото изобретение, с готови връзки между електрическите компоненти на двете части.

Примерни изпълнения на изобретението

Изобретението се отнася до сензорни прибори за сканираща сондова микроскопия, примери за конструкцията на които са дадени тук по-нататък в подробности. Както ще стане ясно, тези примери не са предназначени да ограничат изобретението, а само да го илюстрират.

Сензорният прибор 5 от настоящото изобретение, както е показано на фигура 2а, е сглобен от две части: пасивно тяло 6 с обичайни размери и форма за сензорите за ССМ, и монолитен същински сензор 7, с умален размер. Предназначението на пасивното тяло 6 е да служи за носач на умаления същински сензор 7. Същинският сензор 7 в този пример е с обичайна конструкция и се състои от тяло 8 и микроконзола 3’, което тяло 8 е разположено конзолно от избрана тясна страна 9 на пасивното тяло 6, като за целта в пасивното тяло 6 е оформена канавка 10. В завършено състояние двете тела са фиксирани едно към друго без хлабини по обичаен за практиката начин, както е показано на фигура 2а и на фигура 26. За целта, както тялото 8, така и канавката 10 са с трапецовидно сечение, като тялото 8 е значително (от 30 до 500, типично около 200 пъти) по-дебело от микроконзолата. Формата и размерите на тялото 8 съответстват на тези на канавката 10. Стените на тялото 8 и на канавката 10 са с еднаква ориентация и разположение по отношение на лицевите повърхности на подложките, така че при сглобяване те се съвместяват (включително самосъвместяват) и свързват плътно една към друга.

В едно предпочитано изпълнение на настоящото изобретение, двете части на сензорния прибор 5 са направени от подложки от монокристален силиций с ориентация (100), при което формираните околни плоски стени на тримерните съвместяващи се структури са ориентирани в кристалографските направления (111) на подложките. В това предпочитано изпълнение от настоящото изобретение, пасивното тяло 6, показано на фигура За е с обичайни размери, дължина 1 и ширина w_s а дебелината d_s е в диапазона от 625 цт до 775 цт и е равна на дебелината на използваните за получаването му подложки. При това, спомагателните елементи на конструкцията на тялото, като например компенсатори за обемното ецване на подложката, известни на специалистите в областта и непоказани на фигурите, са такива, че дължината на страната 9, от която конзолно се разпростира тялото 8 на същинския сензор 7, е минимална.

Геометричните размери на тялото 8 на същинския сензор 7, показано на фигура 36, съответно ширина w, и дължина 1. се избират така, че със същинските сензори 7 да се работи удобно при тяхното производство с обичайни средства. При това, при известни стойности на дължината 1 на микроконзолата 3’, която се цели да бъде получена, споменатите размери се определят от дебелината d_j на подложката, от която се получава същинският сензор 7 и от размера на страната 9 на пасивното тяло 6.

Практически е установено, че е удобно да се работи със сензори с минимална ширина на

66593 Bl тялото в диапазона 300 - 400 pm и минимална дебелина в диапазона от 200 pm до 280 pm, равна на дебелината на подложката, използвана за получаването им. При избиране на ширината W; на тялото 8 на същинския сензор 7 в съответствие със споменатия критерий, спомагателните елементи на конструкцията му, като например компенсаторите за обемното ецване на подложката, се определят така, че съотношението на дължината 1 на микроконзолата 3’ към дължината на страната 4’, от която се формира микроконзолата, както е показано на фигура 2а и фигура 36, да е в предварително зададения диапазон, например от 1:10 до 1:4, за предпочитане от 1:8 до 1:5. В настоящия пример, както е показано на фигура 2а, това отношение е 1:6 и може да се приложи при микроконзоли с дължина в диапазона от 20 pm до 50 pm поради малката дебелина d. на подложката.

Дължината 1, на тялото 8 на същинския сензор 7 се определя от дължината на тясната страна 9 на пасивното тяло 6, от която се разпростира тялото 8 на същинския сензор 7, като дължината 1, е желателно да бъде в диапазона от 1.0 до 2.5 пъти дължината на страната 9 на пасивното тяло, за предпочитане от 1.1 до 1.6 пъти, например за предпочитане 1.2 пъти, както е показано на фигура За.

Канавката 10 е разположена така в пасивното тяло 6, че пресича неговата тясна страна 9, при което в сглобено състояние част от тялото 8 на същинския сензор 7 се подава конзолно от тази страна на пасивното тяло 6. Дължината l_t на канавката 10 се избира в съответствие с дължината 1, на тялото 8 на същинския сензор 7, като за предпочитане е в диапазона от 51% до 80% от дължината I, на тялото 8 на същинския сензор, например 60%.

Дълбочината d₍ на канавката 10, формирана в пасивното тяло 6, се определя в зависимост от дебелината d_] на тялото 8 на същинския сензор, като максималната й стойност d. се ограничава tmax ^г от ширината w на същата канавка. При това е изпълнено условието:

d = 1/2.w.tg 54.7° (1)

Когато ширината w_t, на канавката 10, формирана в пасивното тяло 6, е постоянна, равнината на микроконзолата 3’ на завършения сензорен прибор 5 е успоредна на равнината на горната повърхност на пасивното тяло 6.

Ширината w на канавката 10, формирана в пасивното тяло 6, се определя в зависимост от вече определената по-горе ширина w. на тялото на същинския сензор, така че да бъде постигната необходимата височина на разполагане на микроконзолата 3’ на същинския сензор 7 спрямо равнината на горната повърхност на пасивното тяло 6, както това е показано на фигура 4а, фигура 46 и фигура 4в.

Когато w = w., както е показано на фигура 4а, височината на разполагане на микроконзолата 3’ на същинския сензор е в равнината на горната повърхност на пасивното тяло 6. Този вариант е предпочитан в обичайните приложения на сензорния прибор.

Когато w > w., както е показано на фиг. 46, височината на разполагане на микроконзолата 3’ на същинския сензор е на разстояние h_b под равнината на горната повърхност на пасивното тяло 6. Този вариант е предпочитан, когато разполагането под равнината на пасивното тяло 6 на сондовия елемент, непоказан на фигурата, е начин за намаляване на неговата ефективна височина.

Когато w < w_j, както е показано на фигура 4в, височината на разполагане на микроконзолата 3’ на същинския сензор h_a е над равнината на горната повърхност на пасивното тяло 6. Този вариант е предпочитан, когато разполагането на сондовия елемент над равнината на пасивното тяло 6 е, например, начин за улесняване достъпа на сондовия елемент в дълбоки вдлъбнати структури с ширина, по-голяма от ширината м>, на тялото на същинския сензор 7, но по-малка от ширината w_s на пасивното тяло 6.

Един друг, особено предпочитан вариант на изобретението, показан на фигура 5а, дава възможност да се постигне съотношение на дължината 1 на микроконзолата 3’ към дължината на страната на тялото 8 на същинския сензор 7, от която се формира микроконзолата, в диапазона 1:5 и дори до 1:1. На фигура 5а е показан пример за сензорен прибор със съотношение 1:1. За целта, върху повърхността на тялото 8 на същинския сензор 7 е формирана втора конзолна структура 11 с прецизно контролирани форма и размери, която се разпростира от страната 4’ на тялото 8 на същинския сензор 7 и е с дължина l_d и ширина w_d в широката си част, а ширината на страната на втората конзолна структура 11,

66593 Bl от която се разпростира микроконзолата 3’, е w_d„ В този предпочитан вариант, споменатата страна на втората конзолна структура 11 с ширина w играе ролята на страна на тялото 8 на същинския сензор 7, от която се разпростира микроконзолата 3’. При това, предпочита се дебелината х, на втората конзолна структура 11 да бъде поне двукратно по-голяма от дебелината на микроконзолата 3’, както е показано на фигура 56, а размерите - дължина 1 и ширина w_d, се определят от приложението и характеристиките на микроконзолата, която се цели да бъде получена.

В едно изпълнение на изобретението, когато елементът за актюиране на микроконзолата е интегриран в сензорния прибор 5’, или когато е необходим сензорен прибор, притежаващ тяло с обичаен размер и методът за детекция на огъването на микроконзолата е чрез измерване на електрическа величина, върху повърхността както на пасивното тяло 6’, така и на тялото 8’ на същинския сензор 7’, са оформени проводящи пътечки, съответно 12 и 13, както е показано на фигура 6а и в разрез на фигура 66. Тези пътечки са с ниско електрическо съпротивление за осъществяване на галванична връзка между актюаторните и сензорните елементи с останалата част на измервателната система. Съответните проводящи пътечки са свързани една с друга посредством подходящи допълнителни връзки 14, такива като връзки от жица от сплави на злато (Au), алуминий (А1) или друг обичаен за областта материал.

Съгласно настоящото изобретение, пасивното тяло 6 на сензора може да бъде изградено освен от силиций, и от друг материал, например такъв с ниска цена, като полимерен материал, прахов материал на различни метали или керамики, стъкла и др. подобни, подходящи за конкретното приложение, известен на специалистите в областта.

Сензорните прибори за сканираща сондова микроскопия съгласно изобретението, се произвеждат чрез две независими процесии последователности. Това дава възможност, в сравнение с досегашните методи за производство, частите на сензорните прибори да се произвеждат изгодно на подложки с различен размер, и съответно, различна дебелина. Включително е възможно, двете части да се произвеждат на подложки, направени от различен материал и с различни свойства. При това, изискванията към точността на параметрите на готовите части е съществено различна: тя е относително малка и лесно постижима при производството на пасивното тяло 6 и е много висока и изискваща обичайните специални усилия при производството на същинския сензор 7. Настоящото изобретение осигурява възможност себестойността на една подложка с пасивни тела 6 да е около или по-малка от 30-40% от себестойността на една подложка със същински сензори 7. Тази ниска себестойност се постига с използването на относително евтини материали и оборудване, без специални изисквания за производството на пасивните тела 6, както и посредством рационализиране на процесната последователност, благодарение на формирането само на вдлъбнати елементи, каквито са канавките 10 при производството на тази част от сензора.

Пример за производство на пасивното тяло съгласно изобретението е показан на фиг. 7. В него за подложка се използва монокристална силициева пластина 15 с ориентация(100)с голям размер (например с диаметър в диапазона от 150 до 300 мм) и стандартна за съответния диаметър на подложката, дебелина d_c в диапазона от 625 цт до 775 цт. При това, когато ецването на канавката 10 с ширина w_t е извършено във воден разтвор на калиев хидроксид (КОН), получените стени на канавката 10 са с кристалографска ориентация (111).

В друго предпочитано изпълнение на сензорните прибори от настоящото изобретение, за получаването на пасивното тяло 6 се използва за подложка материал, който се формова, щанцова или шприцва с матрица, съдържаща тримерно копие на част от тялото 8 на същинския сензор и така се получава необходимото пасивно тяло 6 с канавка 10, която канавка е тримерна реплика на част от тялото 8 на същинския сензор 7. Когато полученото по този метод тяло 6’ се използва за получаване на прибор с интегрирани актюаторни или сензорни елементи, за които е необходимо галванично свързване, за предпочитане е проводящите пътечки 12 на повърхността на пасивното тяло 6’ да се оформят преди формирането на канавката 10.

Пример за производство съгласно настоящото изобретение, на същинския умален монолитен сензор 7 с тяло 8 и микроконзола 3’, получена от

66593 Bl тънък слой материал 17, в свободния край на която микроконзола е разположен сондов елемент 18, е показан на фигура 8. В него за подложка се използва монокристална силициева пластина 16 с ориентация (100) с относително малък диаметър: 76.2 или 100 mm, и минимална дебелината на пластината ф при която е възможно ефективно получаване на тези сензори. Практически е установено, че пластини с посочения диаметър и дебелина ф в диапазона от 200 цт до 280 цт са подходящи за производството на същинския сензор 7, като при това, минималната ширина w., на тялото на същинския сензор е в диапазона 300 - 400 pm.

Когато се извършва ецване на обема на подложката 16 във воден разтвор на калиев хидроксид, тялото 8 е с околни стени, ориентирани в направления (111).

Един пример за вариант на същински сензор 7 за ССМ съгласно изобретението, при който съотношението на дължината 1 на микроконзолата 3’ към дължината на страната на тялото 8 на същинския сензор 7, към който е закрепен неподвижният й край, е в диапазона от 1:4 до 1:1, е показан на фигура 9а. При него в лицевата страна или върху нея, на тялото 8, е формирана или съответно разположена, втора конзолна структура 11 с дебелина х определена в зависимост от желаните механични характеристики на микроконзолата 3’. Формата и размерите на тази структура 11, в частност ширината w - на участъка, от който се разпростира микроконзолата 3’ с интегриран в свободния й край сондов елемент 18, са прецизно определени от фотолитографски структурирана маска. На фигура 9а е показан и надлъжен разрез на същински сензор за ССМ, при който дебелината х, на втората конзолна структура 11 е поне двукратно по-голяма от дебелината на разположената върху нея микроконзола 3 ’.

В друго изпълнение, показано на фиг. 96, втората конзолна структура 11 с дебелина х, е разположена върху микроконзолата 3’, която от своя страна е разположена на лицевата страна на тялото 8. Аналогично, в свободния край на микроконзолата 3 ’ е интегриран сондовия елемент 18. Формата и размерите на тази структура 11, в частност ширината w_d, на участъка, от който се разпростира микроконзолата 3’, са прецизно определени от фотолитографски структурира на маска. На фигура 96 е показан и надлъжен разрез на същински сензор за ССМ, при който дебелината х на втората конзолна структура 11 е поне двукратно по-голяма от дебелината на разположената под нея микроконзола 3’.

Друг пример на същински сензори за ССМ съгласно изобретението, при които съотношението на дължината 1 на микроконзолата 3’ към дължината на страната на тялото 8 на същинския сензор 7, към която е закрепен неподвижният й край, е по-голямо от 1:1, е показан на фиг. 10. При него, след формирането на сондовия елемент 18, в или върху лицевата страна на подложката е формирана допълнителна област 19 с дебелина х, определена в зависимост от механичните характеристики на микроконзолата3’. Материалът на допълнителната област 19 е избран така, че да притежава висока селективност при процеса на ецване на подложката 16, но да има ниска селективност при процеса на ецване на тънкослойния материал 17 за формиране на конзолата 3 ’.

Видът отгоре на структурата от този пример преди ецването на микроконзолата 3 ’ е показан на фигура 10а. Фоторезистивната маска 20 е структурирана като са отворени прозорците 21, а областите 22 защитават микроконзолата 3’ и лежащата под нея част от допълнителната област 19, и едновременно с това, частта от допълнителната област 19, която е извън микроконзолата, е незащитена. Частичен разрез на получения след ецването същински сензор 7 за ССМ е показан на фигура 106, където от допълнителната област 19 е формирана втора конзолна структура 11. При това, ширината w на участъка на втората конзолна структура 11, от който се разпростира микроконзолата 3’, е точно равна на ширината на микроконзолата 3’. Втората конзолна структура 11 се разпростира от страната 4’ на тялото 8 на същинския сензор 7. На фигура 10в е показан надлъжен разрез на така получения същински сензор, като е реализиран вариант с желана дебелината х на втората конзолна структура 11, която е определена в зависимост от желаните механични характеристики на микроконзолата 3’.

В един вариант от настоящото изобретение, осъществен в подложка от монокристален силиций, допълнителната област 19 е локално силнолегирана р+ област, получена при дифузия на р-тип примес бор (В). Степента на легиране на споменатата локалнолегирана област е така

66593 Bl ва, че да осигури необходимата селективност по отношение на нелегираните области при използване на подходящ процес на селективно ецване на подложката. При това, за предпочитане е дебелината х на локалнолегираната структура да бъде поне двукратно по-голяма от дебелината на микроконзолата 3’.

В друг вариант на изпълнение на същинския сензор от настоящото изобретение, допълнителната област 19 е формирана с помощта на маска за фотолитография, от допълнително получен слой, такъв като силициев диоксид, силициев нитрид или друг материал с подходящи характеристики за конкретното приложение на сензора. Тънкият слой материал 17 е получен преди структурирането на допълнителната област 19, обичайно чрез използване на процес на ецване или на нов процес за отлагане на тънък слой силициев нитрид, силициев диоксид или друг подходящ материал. От слоя 17 чрез ецване се формира микроконзолата 3’.

В ССМ обичайно използваните микроконзоли понастоящем имат дължина, която е до пет пъти по-голяма от тяхната ширина. Настоящото изобретение обаче, осигурява сензорни прибори, при които съотношението на дължината на микроконзолата към дължината на страната, от която тя се разпростира, достига стойност, равна на посоченото съотношение дължина на микроконзолата към нейната ширина. Този резултат представлява възможно най-доброто решение на проблема, с който се занимава настоящото изобретение.

Във варианта на изпълнение на настоящото изобретение, при който в същинския сензор 7’ е интегриран елемент за актюиране на микроконзолата или метода за детекция на огъването на микроконзолата е електрически, върху лицевата страна на подложката се формират структурирани метални пътечки 13. В един предпочитан вариант на изпълнение на настоящото изобретение, структурираните метални пътечки 13 се използват за осъществяване на галваничен контакт с изводите на предварително формирани в основата на микроконзолата пиезорезистори, непоказани на фигурите.

За специалистите в областта е ясно, че сензорният прибор от изобретението може да бъде изпълнен и със същински сензори, за телата на които са използвани полимерни материали, стъкла, метали или техни комбинации. В тези случаи, за микроконзолите се предпочита да бъде използван тънък слой от материал 17 като силициев диоксид, силициев нитрид, метали, полимерни материали, стъкла, керамики или техни комбинации.

След разделеното получаване на двете части на сензорния прибор, те се сглобяват, като тялото 8 на същинския сензор 7 се поставя в канавката 10, в която предварително е нанесено вещество, свързващо двете части. За предпочитане е, за формиране на тялото на същинския сензор 8 и на канавката 10 в пасивното тяло 6 да се използва процес на мокро ецване във воден разтвор на калиев хидроксид (КОН), при което двете тела се съвместяват и надлъжно едно към друго без хлабина, като се постига висока възпроизводимост на позициониране на микроконзолата 3’ на сензора в равнина, успоредна на повърхността на пасивното тяло 6.

Пример за изпълнение на един предпочитан вариант за сглобяване на сензорен прибор 5 за ССМ от настоящото изобретение е показан на фигура 11 а до фигура 11 в. На фигура 11 а е показан поглед отгоре на двете части на сензорния прибор, пасивното тяло 6 и същинският сензор 7 с тяло 8, преди сглобяване. На фигура 116 е показан един вариант за нанасяне на свързващо вещество 23 в канавката 10 на пасивното тяло. Това нанасяне е по разнообразни обичайни за областта начини. Нанесеното вещество свързва двете части на сензорния прибор 5 за ССМ в общо тяло, а количеството му е такова, че позволява получаването на тънък слой от него между съответните стени на двете части. Обичайно за областта, за описаното свързване на двете части в едно тяло се използва процес при повишена температура, такъв като например полимеризация при температура в диапазона 150- 180°С. На фигура Иве демонстриран крайния вид отгоре на сензора за ССМ от настоящото изобретение.

Когато функцията на сензорния прибор 5’ за ССМ изисква използването на проводящи пътечки, сглобяването на сензора е по аналогичен на описания по-горе начин. Пример за такова сглобяване е показан на фиг. 12а до фиг.12в. На фигура 12а е показан поглед отгоре на частите, съответно 6’ и 7’, на вариант на сензорния прибор 5’ с електрически елементи и формирани проводящи пътечки 12 и 13 преди сглобяване.

66593 Bl

А на фигура 126 е показан същият сензорен прибор, получен след нанасяне на свързващо вещество в канавката на пасивното тяло 6’, сглобяване чрез поставяне на същинския сензор 7’ в канавката 10, и последващ процес на втвърдяване при повишена температура, такъв като например полимеризация при температура в диапазона 150-180°С за свързване на двете части в едно тяло.

След това се извършва процес на свързване на пътечките 13 от тънък слой метал върху тялото на същинския сензор 7 със съответните пътечки 12 от тънък слой метал върху пасивното тяло 6 с връзки 14 тънка жица от златна или алуминиева сплав, или друг обичайно използван в областта материал, както е показано на фигура 12в.

По аналогичен начин се извършва сглобяване на сензорния прибор от настоящото изобретение във варианта, когато за получаването на пасивното тяло 6 се използва материал, който се формова, щанцова или шприцва с матрица, съдържаща тримерно копие на напасващата се част от тялото 8 на същинския сензор 7 към канавката 10 на пасивното тяло 6.

Claims (7)

1. Патентни претенции

   1. Сензорен прибор за сканираща сондова микроскопия, включващ същински сензор с тяло и оформена в свободния му край еластична микроконзола със сондов елемент, с дължина на микроконзолата до 100 цт, характеризиращ се с това, че приборът съдържа и носещо пасивно тяло с канавка, разположена към тясната му страна, а същинският сензор е умален и монолитен, при което тялото на същинския сензор е установено конзолно, неподвижно в канавката, чиято форма и размери съответстват на тези на тялото на същинския сензор, а съотношението на дължината на микроконзолата към дължината на страната на тялото на същинския сензор, от която се разпростира микроконзолата е в диапазона от 1:10 до 5:1.
2. 2. Сензорен прибор съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че свободният край на тялото на същинския сензор съдържа втора конзолна структура, в свободния край на която е формирана микроконзолата със сондовия елемент, разположена върху или под втората конзолна структура.
3. 3. Сензорен прибор съгласно претенция 2, характеризиращ се с това, че ширината на микроконзолата е равна на дължината на страната на втората конзолна структура на същинския сензор, от която се разпростира микроконзолата.
4. 4. Сензорен прибор съгласно претенции от 1 до 3, характеризиращ се с това, че върху повърхностите на пасивното тяло и на тялото на същинския сензор, са формирани съответни високопроводящи метални пътечки, осигуряващи галванична връзка на електрическите елементи на сензора с измервателната система.
5. 5. Сензорен прибор съгласно претенции от 1 до 4, характеризиращ се с това, че същинският сензор е снабден с чувствителен елемент за измерване на електрическа величина.
6. 6. Сензорен прибор съгласно претенция 5, характеризиращ се с това, че чувствителният елемент е пиезорезистор.
7. 7. Сензорен прибор съгласно претенции от 1 до 5, характеризиращ се с това, че пасивното тяло е изработено от силиций, полимерен материал, прахов материал на керамична или метална основа, стъкла и подобни материали, а същинския сензор е от силиций, полимерни материали, стъкла, метали или техни комбинации.