RU2124251C1

RU2124251C1 - Multiprobe cantilever for scanning probe microscope

Info

Publication number: RU2124251C1
Application number: RU96123099A
Authority: RU
Inventors: В.А. Быков; А.Н. Гологанов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "НТ-МДТ"; Закрытое акционерное общество "Силикон-МДТ"
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 1998-12-27

Abstract

FIELD: nanotechnology equipment; analysis, measurement, and modification of object surfaces in tunnel and atomic-power modes. SUBSTANCE: cantilever has base that mounts arbitrarily shaped beams whose distant ends carry needles; ends of the latter lie in same plane; vibration frequency of each beam differs from that of other beams. Distance between adjacent scanning needles of cantilever is brought to minimum. EFFECT: improved dynamic measurement range and reduced response to stray effects (temperature, electric properties of medium, etc). 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим наблюдение, измерение и модификацию поверхности объектов в туннельном и атомно-силовом режимах. The invention relates to nanotechnology equipment, and more specifically to devices that provide for observation, measurement and modification of the surface of objects in tunnel and atomic-force modes.

Известен многозондовый кантилевер для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), представляющий собой основание, к которому крепятся три одинаковые прямоугольные балки, являющиеся гибкой обкладкой конденсатора, на дальнем от основания конце которых расположены иглы [1]. Балки размещены над жесткими основаниями, которые служат второй обкладкой конденсатора. При изгибе балок, возникающем при сканировании исследуемого образца, измеряется изменение емкости между балкой и жестким основанием. Known multi-probe cantilever for scanning probe microscope (SPM), which is the base to which are attached three identical rectangular beams, which are a flexible lining of the capacitor, at the far end of which there are needles [1]. Beams are placed above the rigid bases, which serve as the second lining of the capacitor. When bending the beams that occurs when scanning the test sample, the change in capacitance between the beam and the rigid base is measured.

Недостатком указанного устройства является паразитная чувствительность к параметрам окружающей среды (изменению ее диэлектрической постоянной). Кроме этого, возможно возникновение паразитного влияния емкости между двумя соседними балками, что накладывает ограничение на уменьшение расстояния между ними. The disadvantage of this device is parasitic sensitivity to environmental parameters (change in its dielectric constant). In addition, a parasitic effect of the capacitance between two adjacent beams may occur, which imposes a limitation on reducing the distance between them.

Указанные недостатки отсутствуют в известном многозондовом кантилевере для СЗМ, содержащем основание, к которому крепятся две балки U-образной формы, на дальнем от основания конце которых расположены иглы [2]. На обоих плечах балок расположены пьезорезисторы для измерения величины их изгиба при сканировании исследуемой поверхности. These drawbacks are absent in the well-known multi-probe cantilever for SPM containing a base, to which two U-shaped beams are attached, at the far end of which there are needles [2]. Piezoresistors are located on both arms of the beams to measure their bending when scanning the surface under study.

Необходимость использования U-образной формы балок ограничивает возможность уменьшения расстояния между иглами кантилевера. Кроме этого, использование пьезорезисторов в качестве чувствительного элемента накладывает ограничение на максимальный динамический диапазон до 10000 и существенную температурную зависимость выходного сигнала. The need to use U-shaped beams limits the possibility of reducing the distance between the cantilever needles. In addition, the use of piezoresistors as a sensitive element limits the maximum dynamic range to 10,000 and the significant temperature dependence of the output signal.

Задачей предлагаемого изобретения является создание многозондового кантилевера для сканирующего зондового микроскопа. The task of the invention is the creation of a multi-probe cantilever for a scanning probe microscope.

Технический результат изобретения заключается в уменьшении расстояния между соседними сканирующими иглами кантилевера, увеличении динамического диапазона измерений и снижении чувствительности к паразитным воздействиям (температура, изменение электрических свойств среды и т.п.). The technical result of the invention is to reduce the distance between adjacent cantilever scanning needles, increase the dynamic range of measurements and reduce sensitivity to spurious effects (temperature, change in the electrical properties of the medium, etc.).

Это достигается тем, что кантилевер имеет несколько балок с разными собственными резонансными частотами, причем каждая балка имеет собственную частоту колебаний, отличную от всех других. This is achieved by the fact that the cantilever has several beams with different natural resonant frequencies, and each beam has its own oscillation frequency, different from all others.

Предлагаемый кантилевер содержит основание (1) с укрепленными на нем балками (2) произвольной формы, на дальнем от основания конце которых расположены иглы (3), причем концы игл лежат в одной плоскости, а каждая балка имеет собственную частоту колебаний, отличную от всех других. The proposed cantilever contains a base (1) with beams fixed on it (2) of arbitrary shape, on the far end of which there are needles (3), the ends of the needles lying in the same plane, and each beam has its own vibration frequency, different from all others .

В частности, для реализации балок с различной частотой собственных колебаний кантилевер может иметь балки, отличающиеся длиной, толщиной, шириной, числом и расположением утонений (4) балки. In particular, for the implementation of beams with different frequencies of natural vibrations, the cantilever can have beams that differ in length, thickness, width, number and location of thinning (4) of the beam.

Если балки имеют разную длину, необходимо обеспечить расположение острия игл в одной плоскости (плоскости образца). Для этого балки крепятся к основанию на разных уровнях (фиг. 1). If the beams have different lengths, it is necessary to ensure the location of the tip of the needles in one plane (the plane of the sample). For this, the beams are attached to the base at different levels (Fig. 1).

Как правило, балки крепятся на одном (фиг. 1 и 2) или на двух противоположных концах основания. Для размещения наибольшего числа игл с минимальным расстоянием между ними можно размещать балки (2) на основании (1), имеющем отверстие (5), так, что концы балок, на которых расположены иглы (3), сходятся в одну точку (фиг. 3). As a rule, beams are mounted on one (Fig. 1 and 2) or on two opposite ends of the base. To accommodate the largest number of needles with a minimum distance between them, it is possible to place beams (2) on the base (1) having an opening (5) so that the ends of the beams on which the needles (3) are located converge at one point (Fig. 3 )

На фиг. 1 изображен многозондовый кантилевер для сканирующего зондового микроскопа с балками различной длины. In FIG. 1 shows a multi-probe cantilever for a scanning probe microscope with beams of various lengths.

На фиг. 2 изображен многозондовый кантилевер для сканирующего зондового микроскопа с балками, имеющими утонение (4) на разном расстоянии от иглы. In FIG. 2 shows a multi-probe cantilever for a scanning probe microscope with beams having a thinning (4) at different distances from the needle.

На фиг. 3 изображен многозондовый кантилевер с размещением балок (2) в отверстии основания (1). In FIG. 3 shows a multi-probe cantilever with the placement of beams (2) in the hole of the base (1).

Устройство работает следующим образом. При сканировании исследуемой поверхности возбуждаем собственные колебания каждой из балок, при движении игл кантилевера по рельефу исследуемой поверхности происходит изменение параметров колебания (частота, амплитуда, фаза). Изменение этих характеристик измеряется сканирующим зондовым микроскопом. Для этого в выходном сигнале выделяется частота, принадлежащая каждой из балок, и определяется изменение параметров колебания каждой из них. Например, при оптическом считывании сигнала в СЗМ выходной сигнал поступает с фотодиода. Он содержит все частоты, принадлежащие каждой из балок кантилевера. Проведя селекцию их частот, можно детектировать сигнал, принадлежащей каждой из балок, и наблюдать изображение исследуемой поверхности, получаемое с каждой балки. The device operates as follows. When scanning the test surface, we excite the natural vibrations of each of the beams; when the cantilever needles move along the relief of the test surface, the oscillation parameters change (frequency, amplitude, phase). The change in these characteristics is measured by a scanning probe microscope. To do this, the frequency belonging to each of the beams is selected in the output signal, and the change in the vibration parameters of each of them is determined. For example, during optical reading of the signal in the SPM, the output signal comes from the photodiode. It contains all frequencies belonging to each of the cantilever beams. After selecting their frequencies, it is possible to detect a signal belonging to each of the beams, and to observe the image of the investigated surface obtained from each beam.

Литература
1. N. Blanc, J. Brugger and N.F. de Rooij "Scanning force microscopy in the dynamic mode using microfabricated capacitive sensors" J. Vacuum Science Technology B 14(2), Mar/Apr 1996, pp. 901 - 905.Literature
1. N. Blanc, J. Brugger and NF de Rooij "Scanning force microscopy in the dynamic mode using microfabricated capacitive sensors" J. Vacuum Science Technology B 14 (2), Mar / Apr 1996, pp. 901 - 905.

2. S.C. Minne, S.R. Manalis and C.F. Quate "Parallel atomic focre microscopy using cantilevers with integrated piеzoresistive sensors and integrated piezoelectric actuators". Applied Phys. Letters. Vol 67, N 26, 1995, pp. 3918 - 3920. 2. S.C. Minne, S.R. Manalis and C.F. Quate "Parallel atomic focre microscopy using cantilevers with integrated piézoresistive sensors and integrated piezoelectric actuators". Applied Phys. Letters. Vol 67, N 26, 1995, pp. 3918 - 3920.

Claims

1. Cantilever for a scanning probe microscope, consisting of a base, to which several beams are attached with needles located at the far end of each beam from the base, the ends of the needles are located in the same plane, characterized in that each beam has its own resonant frequency different from all others fluctuations.

2. The cantilever according to claim 1, characterized in that the beams are made and / or of different lengths and / or different thicknesses and / or different widths and / or have one or more thinning located at different distances from the needle.

3. Cantilever according to claim 1 or 2, characterized in that the beams are mounted on one edge of the base.

4. Cantilever according to claim 1 or 2, characterized in that the beams are reinforced along the edge of the hole located inside the base.