CN1790551B - 扫描探针显微镜传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于扫描探针显微镜的带有悬臂(3)、在悬臂(3)的一端的保持元件(2)和在悬臂(3)的另一端的传感器尖端(4)的SPM传感器(1)，并且涉及用于生产这种传感器的方法。EBD结构(5)直接锚定在传感器尖端(4)的基底内。对EBD结构(5)的锚定用正性接合和非正性接合而发生在处于传感器尖端(4)内的孔(6)内，该孔(6)通过在传感器尖端(4)的基底内进行材料去除而得以创造。在通过光刻构造和随后的蚀刻过程或通过由粒子束而进行材料移除之后，方法设想了通过在传感器尖端的孔内由粒子束产生的材料沉积而创造EBD结构。

Description

扫描探针显微镜传感器
技术领域
本发明涉及用于扫描探针显微镜的带有悬臂、在悬臂的一端的保持元件和在悬臂的另一端的传感器尖端并且带有从传感器尖端突出出来的至少部分地成圆柱形的EBD扫描尖端的SPM传感器，并且也涉及用于生产这种传感器的方法。
背景技术
扫描探针显微镜是众所周知的，并且在实际中与精准的传感器一起用于在原子分辨率的水平上对样品表面进行扫描。扫描探针显微镜(SPM)也包括同样地是众所周知的原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)。扫描探针显微镜使用包括此后称为悬臂的微悬臂的传感器，该微悬臂在它的一端具有保持元件而在另一端具有传感器尖端，用该传感器尖端对样品进行扫描。就扫描探针显微镜而言，扫描尖端较靠近进行研究的表面，直到探针与进行研究的表面发生相互作用。由于原子力在扫描尖端和表面之间发生作用，所以传感器的悬臂发生偏斜。对这种弯曲变形进行检测使对样品表面的形貌和其它性质进行测量是可能的。
在进行测量期间，分辨率通过与样品表面发生相互作用的探针尖端的形状而得以确定。用扫描探针显微镜得到的测量结果总是SPM传感器的形状和样品表面的实际形状的卷积。作为制造过程的结果，传感器尖端的形状是金字塔形的、圆锥形的或圆柱形的，并且传感器尖端一般具有几个(典型地为5个到20个)微米的高度并且具有典型地为20度到70度的孔径角。当对样品表面的形貌进行测量的时候，这种传感器的最大分辨能力处在小于一个纳米到若干纳米的范围内。由于SPM传感器的几何形状，对表面的实际形状进行复制因此是不可能的，尤其是在样品带有明显的形貌和高纵横比的结构的情况下。为了对细微的结构和缺口进行检测，传感器的分辨能力可以通过减小传感器尖端的孔径角的尺寸而得以显著地提高。通过在传感器尖端的侧向表面上沉积额外的此后称为EBD扫描尖端的针形扫描尖端而使传感器尖端的有效孔径角的尺寸得以减小并且以这种途径使分辨能力得以提高，这是已知的。这种特殊形成的EBD扫描尖端通过在真空中用电子轰击探针尖端并且在被电子照射的位置沉积由此产生的材料(污染物、气体原子或分子，通常为碳或有机碳化合物)而得以生产。这种效果被称为由电子束产生的沉积(EBID或更简短的EBD)，并且已经是许多出版物的主题。
当用探针或用EBD扫描尖端对样品表面进行扫描的时候，很大的力作用在EBD扫描尖端上。为了抵抗这个力并且得到所形成的尖端的长使用寿命，针形的EBD扫描尖端必需持久地连接到SPM传感器的尖端上。DE 19825404A1披露了在SPM传感器上的通过由电子束产生的沉积而形成的EBD扫描尖端的产品和用于使其固定或锚定的方法。EBD扫描尖端通过额外的同样地通过由电子束产生的材料沉积生产的支撑结构而得以稳定，该支撑结构沉积在传感器尖端的表面上并且侧向地支撑了实际的测量尖端。以这种途径生产的传感器的实际使用显示这种固定方法不能使所形成的EBD扫描尖端足够稳定，并且显示EBD扫描尖端经常在进行测量期间从传感器尖端的表面脱离下来。
EP 1278055A1披露了在其传感器尖端具有形成为“碳纳米管”的扫描尖端的SPM传感器。纳米管以其特有的过程而得以生产，并且在处于传感器尖端基底内的孔内而得以固定。它具有直径典型地为1纳米到10纳米的圆柱形形状。固定可以通过由电子束产生的涂层或通过由电子束产生的或由电流产生的热融合而在基底上得以进行。
WO 00/19494披露了用于在SPM传感器的基底内生产用于具有1纳米到10纳米的直径的碳纳米管的固定的“纳米孔”的方法。在这种情况下，大于纳米管直径的孔首先得以创造，然后孔的直径通过对其壁进行涂层而得以适合于纳米管的直径。
发明内容
因此，本发明所基于的目的是提出具有所沉积的EBD扫描尖端的较高稳定性和抵抗力因此具有较长使用寿命的SPM传感器。
根据本发明，这个目的通过带有权利要求1的特征的SPM传感器并且通过带有权利要求7的特征的方法而得以实现。进一步有利的改进可以通过各自所相关的从属权利要求而得以实施。
根据本发明，传感器尖端的EBD扫描尖端直接锚定在传感器尖端的基底内。特别地，不是在传感器尖端的表面上，而是在传感器尖端的基底内侧，开始了EBD扫描尖端的沉积。
在本发明的有利的实施例中，EBD扫描尖端用正性接合和非正性接合而得以锚定在传感器尖端的基底内。因此，对EBD扫描尖端的锚定是如此稳定，以致EBD扫描尖端不需要任何额外的、侧向作用的固定结构或支撑针形的EBD扫描尖端顶在传感器尖端表面上的支撑结构。
本发明的有利的形式提供了具有孔的传感器尖端，EBD扫描尖端锚定在该孔内。EBD扫描尖端正性地接合在孔内。孔的侧向表面形成了用于EBD扫描尖端的支座，并且吸收了在对样品进行扫描期间出现的剪切力。用于锚定EBD扫描尖端的孔可以与传感器尖端的中心轴线成一线，或安排成相对于中心轴线而侧向偏移。
根据本发明，对EBD扫描尖端的锚定发生在孔的底部和/或壁上。EBD扫描尖端通过由束产生的沉积而得以在孔内直接生产，沉积开始于孔的底部和壁上。这样，就在EBD扫描尖端和传感器尖端之间建立了正性连接。
根据本方法，这种传感器像接下来那样而得以生产：
为了构建并且锚定EBD扫描尖端，由已知的生产过程制造的、通常来自硅或氮化硅和玻璃的、但也来自环氧树脂、金属或碳的SPM传感器得以提供。
首先，在传感器尖端的基底内用于锚定EBD扫描尖端的孔得以生产。在工业实际中常见的两种生产方法得以设想，用于创造孔。孔可以通过光刻构造和随后的蚀刻过程或通过由激光或粒子束进行的材料去除而得以创造。在探针的表面内或在任何想要的几何形状的任何想要的基底内，直径大约为100纳米(在10纳米和100纳米之间)的孔通过所选的方法而得以生产。在首先提及的方法的情况下，为SPM传感器提供了一个或多个例如包括氧化硅和/或氮化硅和/或光致抗强剂的层。为了在传感器尖端上在光致抗蚀剂内创造开口，光刻步骤得以使用。用于锚定EBD扫描尖端的孔通过湿化学材料去除或干化学材料去除或湿化学材料去除和随后的干化学材料去除或干化学材料去除和随后的湿化学材料去除而得以创造。在使用粒子束用于处理材料的情况下，带电荷的电子或离子在将它们创造出来之后得以加速，并且在要进行处理的传感器尖端的表面上得以聚焦。加速的离子与基底表面的原子的相互作用使得原子从基底表面得以释放。在气体辅助的过程的情况下，电子束的能量产生了引起材料去除的蚀刻过程。
接下来是EBD扫描尖端通过开始于已经创造的孔内的由粒子束产生的材料沉积而得以创造。这种材料沉积基于由气体产生的过程，这使在确切限定的基底表面位置高精确地创造结构是可能的。气态物质通过进口系统而得以特殊地添加，用于由气体产生的沉积过程。这样，所形成的结构的材料性质(例如硬度、传导性)就通过对开始材料进行选择而得以确定。所沉积的结构的位置、尺度和形状通过粒子束的扫描区域并且通过处理时间而得以限定。由束产生的材料沉积的效果是限定了几何形状的结构在先前创造的孔内得以形成。孔由此得以填充，并且形成了“隐藏的”基础，用于“放置”在探针尖端上的EBD扫描尖端，该基础使EBD扫描尖端的稳定性得以提高。在所沉积的结构、先前生产出来的孔的底部和侧壁之间的正性接合在所沉积的EBD扫描尖端和SPM传感器的传感器尖端之间生产了稳定的连接。
根据本发明的方法可以在扫描尖端的任何想要位置应用到任何想要的形式。扫描尖端的形状可以是金字塔形的、圆柱形的或圆锥形的，并且扫描尖端在其端部可以具有尖端或高台。类似地，结构可以在没有扫描尖端的情况下而得以在悬臂上创造。使用基于粒子束的生产过程使在生产孔期间和在沉积EBD扫描尖端期间生产相对于传感器尖端以任何想要的角度对齐的结构是可能的。除了孔和EBD扫描尖端平行于传感器尖端的中心轴线对齐的基本构造外，生产在其中孔和/或EBD扫描尖端相对于传感器尖端的中心轴线是倾斜的“歪斜”构造，这也是可能的。例如，在可能的实施例中，孔平行于传感器尖端的中心轴线走向而EBD扫描尖端相对于传感器尖端的中心轴线是倾斜的，或孔相对于传感器尖端的中心轴线是倾斜的而EBD扫描尖端平行于传感器尖端的中心轴线走向，或孔和EBD扫描尖端相对于传感器尖端的中心轴线是倾斜的。
附图说明
在下面，本发明基于与附图结合在一起的示范性的实施例而得以更详细地解释，附图如下：
图1显示了带有EBD扫描尖端的SPM传感器的透视图；
图2显示了根据本发明的带有金字塔形的传感器尖端的SPM传感器的传感器尖端的示意图；
图3显示了根据图2的带有相对于传感器尖端的中心轴线是偏移的EBD扫描尖端的传感器尖端的示意图；
图4显示了根据本发明的带有金字塔形的成高台状的传感器尖端的SPM传感器的传感器尖端的示意图；
图5显示了根据本发明的在没有金字塔形尖端的情况下在悬臂上的SPM传感器的传感器尖端的示意图。
具体实施方式
图1以透视图显示了根据本发明的SPM传感器的示意图。用于扫描探针显微镜的SPM传感器1包括悬臂3、在悬臂3的一端的保持元件2、在悬臂3的另一端的传感器尖端4和从传感器尖端4突出出来的EBD扫描尖端5。保持元件2用于在扫描探针显微镜的测量头(未显示)上接收和固定SPM传感器1。悬臂3支承带有锚定在其中的EBD扫描尖端5的传感器尖端4，用该EBD扫描尖端5对样品表面(未显示)进行扫描。保持元件2、悬臂3和传感器尖端4典型地从硅生产成一块，或从硅、氧化硅、氮化硅、玻璃、金属、碳和/或环氧树脂生产成多于一块。EBD扫描尖端5正性地和/或整体地和/或非正性地接合在处于传感器尖端4的基底内的孔6内。孔6通过在传感器尖端4的基底内进行材料去除而得以创造。孔6优选地得以安排成与传感器尖端4的中心轴线共中心并且与之平行，并且孔6的形状是圆形的。孔6也可以是以下形式走向：它相对于传感器尖端4的中心轴线是偏移的和/或相对于传感器尖端4的中心轴线是倾斜的。
图3显示了在其中EBD扫描尖端5安排成相对于传感器尖端4的中心轴线是偏移的实施例。
在图4中，图示了具有高台7的传感器尖端4。孔6和EBD扫描尖端5安排在SPM传感器1的高台7上。
图5显示了没有传感器尖端4的实施例，在该实施例中EBD扫描尖端5直接锚定在悬臂3的基底内。

Claims (3)

1.一种带有悬臂(3)、在悬臂(3)的一端的保持元件(2)和在悬臂(3)的另一端的传感器尖端(4)并且带有从传感器尖端(4)突出出来的至少部分地成圆柱形的EBD扫描尖端(5)的SPM传感器(1)，其特征在于，传感器尖端(4)具有孔(6)，该孔(6)具有底部和壁，在孔(6)中EBD扫描尖端(5)通过利用电子束产生沉积的EBD工艺直接地锚定在该孔的底部和壁上。
2.根据权利要求1所述的SPM传感器，其特征在于，EBD扫描尖端(5)用正性接合和非正性接合锚定在传感器尖端(4)的基底内。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的SPM传感器，其特征在于，用于锚定EBD扫描尖端的孔(6)安排成相对于传感器尖端(4)的中心轴线是偏移的。
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