RU2349975C2

RU2349975C2 - Pointed structure for scanners, production process and related devices

Info

Publication number: RU2349975C2
Application number: RU2004122785/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Евгеньевич Гиваргизов (RU); Михаил Евгеньевич Гиваргизов
Original assignee: Михаил Евгеньевич Гиваргизов
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2009-03-20
Also published as: RU2004122785A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: pointed structure for scanners involves probe including, at least, holder and level pointed at the end. The probe is made of radiopaque material and contains radiolucent surface coating. Radiopaque coating covers the probe from the point, while its tip is not covered thus forming lower aperture.

EFFECT: higher effectiveness parameter.

36 cl, 24 dwg

Description

Изобретение относится к материаловедению, к прецизионному инструментарию для научных и производственно-технологических работ, работ по литографии с нанометрическим разрешением, к диагностике материалов различной природы и состоит в создании острийных структур для сканирующих приборов, самих приборов для задач микроскопии ближнего оптического поля, для оптической записи информации, для обнаружения и измерения атомных сил, для производства литографических работ с нанометрическим разрешением, в том числе и с применением многозондовой структуры для увеличения производительности.The invention relates to materials science, to precision instruments for scientific and industrial-technological work, lithographic work with nanometric resolution, to the diagnosis of materials of various nature and consists in the creation of tip structures for scanning devices, the devices themselves for the tasks of near-field microscopy, for optical recording information for detecting and measuring atomic forces, for lithographic work with nanometric resolution, including using multi-probe structures to increase productivity.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

В качестве одного из современных научных инструментов для изучения свойств и структур тонких пленок различного происхождения применяется так называемый микроскоп ближнего оптического поля (МБОП), являясь при этом разновидностью сканирующего зондового прибора (СЗП). Особую роль среди СЗП играет атомно-силовой микроскоп (АСМ).As one of the modern scientific instruments for studying the properties and structures of thin films of various origin, the so-called near-field optical microscope (MBOF) is used, being at the same time a kind of scanning probe device (SZP). A special role among the FFP is played by the atomic force microscope (AFM).

В классическом МБОП для получения изображения исследуемого образца используется зонд, представляющий собой нитевидный световод 1 (Фиг.1) с заостренным концом 2 величиной около 100 нм. Этот конец прикреплен к кварцевой вилке 3, точнее к одной из двух ее ножек 3а. При помощи такой конструкции осуществляется контроль положения зонда относительно исследуемой поверхности 4. Другой конец 5 нитевидного световода 1 обращен к источнику излучения 6 (лазеру). При подаче на конец 5 световода 1 излучения 7 от лазера 6, оно распространяется по нему и выходит через его заостренный конец 2. Затем это излучение пропускают через исследуемый образец, после которого стоит приемный объектив, фиксирующий объем прошедшей через образец волновой энергии излучения.In the classical MBOP, a probe is used to obtain an image of the test sample, which is a filamentous fiber 1 (Figure 1) with a pointed end 2 of about 100 nm. This end is attached to the quartz plug 3, more precisely to one of its two legs 3a. Using this design, the position of the probe relative to the surface 4 is monitored. The other end 5 of the fiber-optic fiber 1 is facing the radiation source 6 (laser). When radiation 7 is supplied to the end of fiber 5 of fiber 1 from laser 6, it propagates through it and exits through its pointed end 2. Then this radiation is passed through the test sample, after which there is a receiving lens, which fixes the volume of radiation wave energy transmitted through the sample.

В МБОП имеются два основных элемента, совершенство которых увеличит его разрешающую способность - главную характеристику любого микроскопа. Первым таким элементом является диаметр заостренного конца зонда 2. Уменьшение его размера приведет к уменьшению размера пятна, которое формируется выходящим (или входящим) из него излучением 7. Вторым элементом является средство контроля положения зонда относительно исследуемой поверхности. Как указывалось выше, в классическом МБОП это решается с помощью кварцевой вилки 3. Такая пластина подобно камертону после ее возбуждения осуществляет колебания с собственной резонансной частотой. При приближении заостренного конца 2 зонда к исследуемой поверхности 4 этот конец 2 начинает взаимодействовать межатомными силами (силами Ван-дер Ваальса) с указанной поверхностью 4. В результате такого взаимодействия частота колебания кварцевой вилки 3 изменяется, смещаясь от собственной резонансной. Это отслеживается системой контроля положения зонда 2 относительно поверхности образца 4 и фиксируется факт контакта при данных относительных координатах зонда с поверхностью образца.In MBOP there are two main elements, the perfection of which will increase its resolution - the main characteristic of any microscope. The first such element is the diameter of the pointed end of the probe 2. A decrease in its size will lead to a decrease in the size of the spot, which is formed by the radiation coming out (or coming in) from it 7. The second element is a means of monitoring the position of the probe relative to the surface under study. As indicated above, in the classical MBOP, this is solved using a quartz plug 3. Such a plate, like a tuning fork, oscillates with its own resonant frequency after its excitation. When the pointed end 2 of the probe approaches the investigated surface 4, this end 2 begins to interact with interatomic forces (Van der Waals forces) with the indicated surface 4. As a result of this interaction, the vibration frequency of the quartz fork 3 changes, shifting from its own resonant one. This is monitored by a control system for the position of the probe 2 relative to the surface of the sample 4 and the fact of contact is recorded at given relative coordinates of the probe with the surface of the sample.

Для улучшения указанных выше элементов МБОП были предложены несколько вариантов исполнения зонда [1-5], совместив его с кантилевером для АСМ. Принципиальным в этих вариантах было применение авторами этих статей самой оптимальной системы контроля положения зонда относительно исследуемого образца. А именно, системы, обратная связь которой реализована на основе отраженного лазерного излучения и его регистрации при помощи четырехпозиционного диода. Такая система имеет самую высокую чувствительность из существующих. Возможность применения такой системы появилась как результат использования зонда (кантилевера), включающего в себя три основных элемента (Фиг.2): держатель 8 (массивная твердая часть), левер 9 (гибкая пластина, необходимое усилие на изгиб которой имеет порядок 10^-15 H) и острие 10. Чувствительность обеспечивается величиной силы, необходимой для изгиба левера 9, которая, как показали эксперименты, проведенные фирмой IBM, может достигать величин 10^-18 H. Лазерное излучение 11, направленное на обратную сторону левера 9, отражаясь от ее поверхности, попадает на фотодиод 12. Исходное положение пятна отраженного луча - перекрестие границ между двумя рядами фоточувствительных элементов четырехпозиционного диода. При изгибе левера, пятно смещается, что фиксируется следящей системой.To improve the above MBOP elements, several probe designs were proposed [1-5], combining it with a cantilever for AFM. The principal thing in these cases was the use by the authors of these articles of the most optimal system for monitoring the position of the probe relative to the test sample. Namely, a system whose feedback is implemented on the basis of reflected laser radiation and its registration using a four-position diode. Such a system has the highest sensitivity of the existing ones. The possibility of using such a system appeared as a result of using a probe (cantilever), which includes three main elements (Figure 2): holder 8 (massive solid part), lever 9 (flexible plate, the necessary bending force of which is of the order of 10 ^-15 H ) and tip 10. Sensitivity is provided by the amount of force necessary to bend the lever 9, which, as shown by experiments by IBM, can reach 10 ^-18 H. Laser radiation 11 directed to the back of the lever 9, reflected from its surface, hit ie the photodiode 12. The starting position of the reflected beam spot - crosshair borders between the two rows of photosensitive elements of the four-diode. When the lever bends, the spot moves, which is fixed by the tracking system.

Применение кантилеверных зондов дает и другое преимущество, а именно, радиус закругления вершины острия может составлять величину не более 10 нм. Таким образом, оба основных элемента микроскопа, о которых говорилось выше, в случае использования кантилеверного зонда, приобретают более совершенные параметры, что увеличивает разрешающую способность микроскопа.The use of cantilever probes also gives another advantage, namely, the radius of the tip tip curvature can be no more than 10 nm. Thus, both the main elements of the microscope, which were mentioned above, in the case of using a cantilever probe, acquire more advanced parameters, which increases the resolution of the microscope.

Также, кантилеверные зонды имеют те преимущества перед классическими зондами, применяемыми в МБОП, что они удобны в работе и более доступны в производстве.Also, cantilever probes have the advantages over the classical probes used in MBOP that they are convenient in operation and more affordable in production.

Наконец, еще одним преимуществом применения кантилеверных зондов является возможность совмещения двух микроскопов, атомно-силового и ближнепольного оптического, в одном. Благодаря использованию такого зонда в сканирующем приборе появляется возможность получать сразу две разные по своей природе картины характеристик при одном сканировании образца. А именно, благодаря такому сканирующему прибору, содержащему указанный зонд, исследователь имеет возможность изучить с высоким разрешением морфологию поверхности и внутреннюю картину прозрачного для используемого излучения образца. Наиболее предпочтителен данный сканирующий прибор для изучения полимеров и иных тонких пленок.Finally, another advantage of using cantilever probes is the possibility of combining two microscopes, atomic force and near-field optical, in one. Thanks to the use of such a probe in a scanning device, it becomes possible to obtain immediately two patterns of characteristics that are different in nature with one scanning of a sample. Namely, thanks to such a scanning device containing the specified probe, the researcher has the opportunity to study with high resolution the surface morphology and the internal picture of a sample transparent to the radiation used. This scanning device for studying polymers and other thin films is most preferred.

Для того чтобы обеспечить прозрачность зонда для излучения 7 (Фиг.1), используемого для исследования образца, авторами [1] предложен вариант кремниевого острия с поверхностным металлическим слоем в 20 нм (Фиг.3). Согласно теории о распространении поверхностного плазмона, величина диаметра выходящего пучка излучения составляет величину порядка толщины металлического слоя. Это было продемонстрировано ими в указанной работе. Также, благодаря подобной конструкции, они добились значительного увеличения производительности зонда, то есть величины прошедшего через зонд полезного излучения.In order to ensure the transparency of the probe for radiation 7 (Figure 1) used to study the sample, the authors of [1] proposed a silicon tip with a surface metal layer of 20 nm (Figure 3). According to the theory of propagation of a surface plasmon, the diameter of the outgoing radiation beam is of the order of the thickness of the metal layer. This was demonstrated by them in this work. Also, thanks to a similar design, they have achieved a significant increase in the performance of the probe, that is, the magnitude of the useful radiation transmitted through the probe.

Указанная конструкция проста в изготовлении. Однако, в работах [2-5] предложены конструкции (Фиг.4, Фиг.5 и Фиг.7), позволяющие добиться еще большей производительности. В них предложены конструкции, выполненные из материалов, прозрачных для прохождения излучения 7, при этом диаметр апертуры при вершине имеет тот же порядок величины, что и в работе [1]. Недостатком их является то, что конструкции, предложенные в работах, сложны в исполнении и для широкого круга исследователей недоступны. Технология изготовления, описанная в [4, 5], предлагает множество сложных операций для изготовления зонда (Фиг.6), применительно только для МБОП.The specified design is easy to manufacture. However, in the works [2-5] proposed designs (Figure 4, Figure 5 and Figure 7), allowing to achieve even greater productivity. They proposed designs made of materials transparent for radiation 7, while the diameter of the aperture at the apex has the same order of magnitude as in [1]. Their disadvantage is that the designs proposed in the works are complicated in execution and are not available for a wide range of researchers. The manufacturing technology described in [4, 5] offers many complex operations for the manufacture of the probe (Fig.6), applicable only for MBOP.

Конструкция зонда (Фиг.8а, b) и прибора на его основе, предложенная в [6, 7], сочетает все преимущества конструкций, предложенных в работах [1-5]. Такие характеристики, как ее простота (преимущество конструкции, предложенной в [1]) и высокая ее производительность (преимущество конструкций, предложенных в [2-5]), дают возможность для широкого применения предложенного в [6, 7] изобретения исследователями. Однако, предложенная в [6, 7] конструкция не предусматривает наличия непрозрачного покрытия на поверхности зонда со стороны острия и отсутствия такого покрытия на вершине острия с образованием апертуры. Как результат применения такой конструкции, используемое для исследования излучение рассеивается на всей поверхности зонда и только незначительная ее часть может будет проходить через вершину острия. Это в свою очередь приведет к значительному снижению параметра эффективности, характеризующегося соотношением «сигнал/шум».The design of the probe (Fig. 8a, b) and the device based on it, proposed in [6, 7], combines all the advantages of the designs proposed in [1-5]. Characteristics such as its simplicity (the advantage of the design proposed in [1]) and its high performance (the advantage of the designs proposed in [2-5]) make it possible for the researchers to widely apply the invention proposed in [6, 7]. However, the design proposed in [6, 7] does not provide for the presence of an opaque coating on the probe surface from the tip side and the absence of such a coating on the tip tip with the formation of an aperture. As a result of applying this design, the radiation used for the study is scattered on the entire surface of the probe and only a small part of it can pass through the top of the tip. This in turn will lead to a significant decrease in the efficiency parameter, characterized by the signal-to-noise ratio.

Наряду с этим при работе с образцами, имеющими развитую поверхность, предложенные в [6, 7] простые конструктивные решения исполнения зонда не позволяют проникать в поверхностный рельеф тонкой структуры, что значительно ограничивает возможности применения таких зондов и приборов на их основе. Предложенные в [6, 7] варианты конструкций с образованными путем осаждения специальными наконечниками для зондов усложняют технологию изготовления, что подобно конструкциям, рассмотренным в [2-5], делают изобретения недоступными для широкого круга исследователей.Along with this, when working with samples with a developed surface, the simple structural solutions of the probe design proposed in [6, 7] do not allow penetrating the surface relief of a fine structure, which significantly limits the possibilities of using such probes and devices based on them. Variants of designs proposed in [6, 7] with special tips for probes formed by deposition complicate the manufacturing technology, which, like the structures considered in [2-5], make inventions inaccessible to a wide range of researchers.

Конструкция зонда и прибора на его основе, предложенная в настоящем изобретении, сочетает в себе все преимущества различных конструкций, предложенных в работах [1-7]. Предложенный в настоящем изобретении способ изготовления зонда позволяет достичь снижения стоимости изделия, что расширит круг его пользователей. А конструкция прибора на основе предложенного в настоящем изобретении зонда обеспечит универсальность его применения для решения различных задач, стоящих перед исследователями.The design of the probe and the device based on it, proposed in the present invention, combines all the advantages of various designs proposed in [1-7]. Proposed in the present invention, a method of manufacturing a probe can achieve a reduction in the cost of the product, which will expand the circle of its users. And the design of the device on the basis of the probe proposed in the present invention will provide the versatility of its application to solve various problems facing researchers.

Наряду с задачами МБОП конструкция, описанная в [4-7], позволяет решать и иные задачи. Это касается работ по оптической записи информации и производстве литографических работ. В частности, для последних работ в [4, 5] предлагается множественная острийная структура. Недостатки таких структур те же, что и одиночных острий.Along with the tasks of MBOP, the construction described in [4–7] allows solving other problems. This applies to optical recording of information and the production of lithographic work. In particular, for recent works in [4, 5], a multiple tip structure is proposed. The disadvantages of such structures are the same as single points.

Конструкция, предложенная в настоящем изобретении, и прибор на ее основе позволяют также осуществлять оптические считывание и запись информации и проводить литографические работы, в частности, при засветке фоторезиста с нанометрическим разрешением. Поэтому образец, рассматриваемый нами в настоящем изобретении, может являться как образцом для проведения над ним исследований, так и образцом для производства над ним обратимых и необратимых воздействий. Производство работ (термин, который мы будем в дальнейшем использовать) с образцом в этом смысле следует рассматривать как понятие, включающее в себя как исследование такого образца, так и воздействие на него.The design proposed in the present invention and the device based on it also allow optical reading and writing of information and lithographic work, in particular, when photoresist is illuminated with nanometric resolution. Therefore, the sample considered by us in the present invention can be both a sample for conducting research on it, and a sample for producing reversible and irreversible effects on it. The production of works (a term that we will use in the future) with a sample in this sense should be considered as a concept that includes both the study of such a sample and the impact on it.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Согласно настоящему изобретению предлагается острийная структура для сканирующих приборов, содержащая подложку, по крайней мере, одно острие, причем, по крайней мере, поверхности подложки и, по крайней мере, одного острия выполнены из прозрачного для излучения материала, на указанные поверхности подложки, со стороны острия (с лицевой стороны), и острия со стороны острия нанесено непрозрачное для излучения покрытие, на вершине острия указанное покрытие отсутствует или является прозрачным для излучения, образуя нижнюю апертуру. При этом на поверхности подложки с обратной стороны от острия может быть нанесено непрозрачное для излучения покрытие, причем на части такой поверхности подложки указанное непрозрачное для излучения покрытие отсутствует, образуя верхнюю апертуру. Также прозрачность может быть обеспечена материалом, из которого изготовлено острие, а на подложке со стороны, обратной от острия, может иметься покрытие, хотя бы частично прозрачное для одного излучения и непрозрачное для другого, причем под непрозрачным покрытием или вне его на поверхности острийной структуры и/или внутри него может иметься средство для генерации излучения и/или усиления излучения, падающего на его поверхность. В таком случае на поверхности подложки или ее части может иметься люминесцирующий слой, эмитирующий излучение при прохождении через него каких-либо частиц и/или излучения. Также вблизи нижней апертуры острийной структуры излучение может проходить через, по крайней мере, один участок материала с показателем преломления, отличным от показателя преломления материала, по которому идет распространение излучения в подложке. Тогда указанный, по крайней мере, один участок материала с иным показателем преломления может находиться в теле и/или на поверхности острия. Либо указанный, по крайней мере, один участок материала с иным показателем преломления является материалом образца и/или подложки, на которой тот находится. Согласно настоящему изобретению в любом из перечисленных выше случае подложка может представлять собой, по крайней мере, один зонд, содержащий, по крайней мере, один держатель (массивная часть) и, по крайней мере, один левер (гибкая часть), а острие размещено на конце левера.According to the present invention, there is provided a tip structure for scanning devices comprising a substrate of at least one tip, wherein at least the surfaces of the substrate and at least one tip are made of a radiation-transparent material onto said surfaces of the substrate, on the side the tip (on the front side) and the tip on the side of the tip are coated with a radiation-opaque coating; at the top of the tip, the coating is absent or transparent to radiation, forming a lower aperture. In this case, a coating that is opaque to radiation can be applied to the surface of the substrate from the back of the tip, and there is no said coating that is opaque to radiation on a part of such a surface of the substrate, forming an upper aperture. Also, transparency can be provided by the material of which the tip is made, and on the substrate from the side opposite to the tip, there may be a coating that is at least partially transparent for one radiation and opaque to another, moreover, under an opaque coating or outside it on the surface of the tip structure and / or inside it, there may be means for generating radiation and / or amplifying radiation incident on its surface. In this case, on the surface of the substrate or its part, there may be a luminescent layer emitting radiation when any particles and / or radiation pass through it. Also, near the lower aperture of the tip structure, the radiation can pass through at least one section of the material with a refractive index different from the refractive index of the material along which radiation propagates in the substrate. Then the specified at least one piece of material with a different refractive index may be in the body and / or on the surface of the tip. Or, said at least one section of material with a different refractive index is the material of the sample and / or substrate on which it is located. According to the present invention, in any of the above cases, the substrate can be at least one probe containing at least one holder (massive part) and at least one lever (flexible part), and the tip is placed on end of lever.

Настоящее изобретение предлагает также способ изготовления острийной структуры для сканирующих приборов, состоящий в создании, по крайней мере, одного острия на подложке, причем, по крайней мере, поверхности подложки и, по крайней мере, одного острия изготавливают из прозрачного для излучения материала, покрытие из материала, непрозрачного для излучения, наносится на поверхности подложки и указанного острия с лицевой стороны подложки, на вершине острия обеспечивается возможность прохождения излучения. При этом возможность прохождения излучения через вершину острия обеспечивается либо способом нанесения непрозрачного покрытия, либо путем удаления с его поверхности непрозрачного покрытия с помощью сфокусированного пучка частиц, либо путем удаления с его поверхности непрозрачного покрытия с помощью механического стирания, либо путем удаления с его поверхности непрозрачного покрытия с помощью его испарения при пропускании по такому слою, расположенному на вершине острия, посредством полевой эмиссии электрического тока прямой или обратной полярности в вакууме в присутствии инертного газа или без него, с образованием нижней апертуры. Согласно настоящему изобретению предполагается, что на часть поверхности подложки с обратной от острия стороны может быть нанесено покрытие из непрозрачного материала. При этом перед нанесением покрытия из непрозрачного для излучения материала или после него, в подложке или на ее поверхности создают средство для генерации излучения и/или усиления излучения, падающего на его поверхность.The present invention also provides a method for manufacturing a tip structure for scanning devices, comprising creating at least one tip on a substrate, wherein at least the surface of the substrate and at least one tip is made of a radiation-transparent material, a coating of a material opaque to radiation is deposited on the surface of the substrate and the specified tip from the front side of the substrate, on the top of the tip the radiation can be transmitted. The possibility of radiation passing through the tip of the tip is provided either by applying an opaque coating, or by removing an opaque coating from its surface using a focused particle beam, or by removing an opaque coating from its surface by mechanical abrasion, or by removing an opaque coating from its surface by means of its evaporation when passing through such a layer located at the top of the tip, by means of field emission of electric current direct or reverse polarity in vacuum in the presence of inert gas or without it, with the formation of a lower aperture. According to the present invention, it is contemplated that a coating of opaque material may be coated on a portion of the surface of the substrate from the opposite side of the tip. In this case, before applying a coating of a material which is opaque to radiation, or after it, a means is created in the substrate or on its surface for generating radiation and / or amplification of radiation incident on its surface.

Настоящее изобретение также предлагает сканирующий прибор, содержащий зонд, включающий в себя держатель, левер, острие и апертуру, образованную на вершине острия слоем непрозрачного материала, подложку с образцом, средство контроля положения зонда относительно подложки с образцом, средство осуществления относительного сканирования образца и зонда, средство для облучения образца излучением или генерации собственного характерного излучения образца, средство для усиления собственного характерного излучения образца, средство для анализа величины излучения, рассеянного на образце, или собственного характерного излучения образца, причем зонд может иметь конструкцию согласно любой из описанных выше в данном разделе. При этом в таком приборе средство контроля положения зонда относительно образца может быть совмещено со средством, позволяющим произвести исследование образца и/или воздействие на них.The present invention also provides a scanning device comprising a probe, including a holder, a lever, a tip and an aperture formed on top of the tip by a layer of opaque material, a substrate with a sample, means for monitoring the position of the probe relative to the substrate with the sample, means for performing relative scanning of the sample and probe, means for irradiating the sample with radiation or generating its own characteristic radiation of the sample, means for amplifying its own characteristic radiation of the sample, means for analyzing for the magnitude of the radiation scattered on the sample, or the intrinsic characteristic radiation of the sample, and the probe may be constructed according to any of the above in this section. Moreover, in such a device, the means for monitoring the position of the probe relative to the sample can be combined with a tool that allows the study of the sample and / or exposure to them.

Также согласно настоящему изобретению сканирующий прибор может содержать средство для облучения образца, в котором есть по крайней мере два источника излучения. Таким источниками могут быть когерентный излучатель, причем источники излучения могут располагаться на окружности с центром, находящимся на одной линии с осью острия зонда. А сам источник излучения может иметь кольцевую апертуру излучения. В другом случае средство облучения образца может содержать по крайней мере один источник когерентного излучения. При этом прибор может иметь средство для получения и анализа статической или динамической интерференции излучения, используемого для исследования образцов и воздействия на них. Причем прибор может содержать средство для раздвоения когерентного излучения по крайней мере на два луча. И оно может располагаться в зонде.Also according to the present invention, the scanning device may comprise means for irradiating the sample, in which there are at least two radiation sources. Such sources can be a coherent emitter, and the radiation sources can be located on a circle with a center located in line with the axis of the tip of the probe. And the radiation source itself may have a ring radiation aperture. In another case, the means of irradiation of the sample may contain at least one source of coherent radiation. In this case, the device may have a means for obtaining and analyzing static or dynamic interference of radiation used to study the samples and the impact on them. Moreover, the device may contain means for splitting the coherent radiation into at least two beams. And it can be located in the probe.

Описываемый в настоящем изобретении прибор может обеспечивать такой режим работы, при котором в процессе сканирования вершина зонда находится в постоянном контакте с подложкой с ее обратной от образца стороны. При этом подложка может быть изготовлена из того же материала, что и материал зонда, по которому идет распространение излучения в зонде. Либо подложка может быть изготовлена из материала, более мягкого, чем материал, из которого изготовлена вершина острия зонда. Описываемый прибор может содержать средство для очистки поверхности подложки с обратной стороны от образца. Причем это средство может находиться в зонде, а острие такого зонда может иметь специальную форму и химически активное покрытие на своей поверхности или ее части.The device described in the present invention can provide such a mode of operation in which, during scanning, the tip of the probe is in constant contact with the substrate on its opposite side from the sample. In this case, the substrate can be made of the same material as the material of the probe, along which the radiation propagates in the probe. Or the substrate can be made of a material that is softer than the material from which the tip tip of the probe is made. The described device may contain means for cleaning the surface of the substrate from the back of the sample. Moreover, this tool may be in the probe, and the tip of such a probe may have a special shape and a chemically active coating on its surface or part thereof.

Наконец, согласно настоящему изобретению сканирующий прибор может содержать два зонда. В этом случае вершина острия одного зонда обращена к вершине острия другого, а образец расположен между ними, излучение, подающееся на образец, проходит через вершину одного зонд, а после прохождения через образец оно принимается вершиной другого зонда. При этом возможен случай, когда средство для облучения образца излучением или генерации собственного характерного излучения образца находится в зонде. Предполагается, что прибор содержит средство для юстировки положения вершины острия одного зонда относительно положения вершины острия другого зонда. В таком приборе через апертуру на вершине острия одного зонда возможно облучение образца излучением, которое рассеивается на нем и которое затем через апертуру на вершине острия другого зонда принимается прибором. Причем средство для облучения образца может содержать по крайней мере два источника излучения. Прибор также предполагает возможность, что в процессе сканирования вершина одного из зондов находится в постоянном контакте с подложкой с ее обратной от образца стороны. При этом предлагается также вариант, когда вершина другого зонда могла бы находиться в постоянном контакте с другой подложкой с ее обратной от образца стороны, таким образом, что образец находился бы между двумя подложками. Сканирующий прибор может содержать средство для очистки поверхности подложки с обратной стороны от образца, и оно может быть реализовано в зонде, причем острие такого зонда может иметь специальную форму и химически активное покрытие на своей поверхности или ее части.Finally, according to the present invention, the scanning device may comprise two probes. In this case, the tip tip of one probe faces the tip of the other tip, and the sample is located between them, the radiation supplied to the sample passes through the tip of one probe, and after passing through the sample it is received by the tip of the other probe. In this case, a case is possible when the means for irradiating the sample with radiation or generating its own characteristic radiation of the sample is in the probe. It is assumed that the device contains means for adjusting the position of the tip of the tip of one probe relative to the position of the tip of the tip of another probe. In such a device, it is possible to irradiate the sample with radiation through the aperture at the top of the tip of one probe, which is then scattered through it and then received through the aperture at the top of the tip of the other probe. Moreover, the means for irradiating the sample may contain at least two radiation sources. The device also suggests the possibility that, during the scanning process, the top of one of the probes is in constant contact with the substrate from its opposite side to the sample. At the same time, it is also proposed that the top of another probe could be in constant contact with another substrate with its sides opposite the sample, so that the sample would be between two substrates. The scanning device may contain means for cleaning the surface of the substrate from the back of the sample, and it can be implemented in the probe, and the tip of such a probe can have a special shape and a chemically active coating on its surface or part thereof.

Наконец, любой из вышеперечисленных вариантов сканирующего зондового прибора может иметь средство для контролируемого удаления части материала с вершины острия зонда, а также средство для усиления собственного характерного излучения образца по крайней мере в зонде.Finally, any of the above options of a scanning probe device may have a means for the controlled removal of a part of the material from the top of the tip of the probe, as well as a means for enhancing the intrinsic characteristic radiation of the sample, at least in the probe.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУРBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Фиг.1. Схема классического зонда для МБОП. 1 - световод, 2 - заостренный конец световода, 3 - кварцевая вилка, 3а - ножка кварцевой вилки, 4 - образец, 5 - конец световода, обращенный к лазерному источнику, 6 - лазер, 7 - лазерное излучение.Figure 1. Scheme of the classic probe for MBOP. 1 - fiber, 2 - the pointed end of the fiber, 3 - quartz plug, 3a - the leg of the quartz fork, 4 - sample, 5 - the end of the fiber, facing the laser source, 6 - laser, 7 - laser radiation.

Фиг.2. Схема классического зонда для АСМ. 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 11 - лазер, 12 - четырехпозиционный фотодиод.Figure 2. Scheme of the classic probe for AFM. 8 — probe holder, 9 — probe lever, 10 — probe tip, 11 — laser, 12 — four-position photodiode.

Фиг.3. Предшествующий уровень техники: схема кантилеверного зонда для МБОП, предложенная авторами [1].Figure 3. BACKGROUND OF THE INVENTION: cantilever probe scheme for MBOP proposed by the authors of [1].

Фиг.4. Предшествующий уровень техники: схема кантилеверного зонда для МБОП, предложенная авторами [2].Figure 4. BACKGROUND OF THE INVENTION: cantilever probe scheme for MBOP proposed by the authors of [2].

Фиг.5. Предшествующий уровень техники: схема кантилеверного зонда для МБОП, предложенная авторами [3].Figure 5. BACKGROUND OF THE INVENTION: cantilever probe scheme for MBOP proposed by the authors of [3].

Фиг.6. Предшествующий уровень техники: способ изготовления кантилеверного зонда для МБОП, предложенный авторами [4]. 1 - монокристаллическая подложка кремния, 2 - защитная пленка из термического окисла кремния, 3 - углубление в виде пирамиды, 4 - пленка из термического окисла кремния, 5 - острие, 10 - гибкий слой, 11 - полиимидная пленка, 12 - полиимидная пленка, 21 - подложка, 22 - буферный слой n-InP, 23 - активный слой InGaAsP, 24 - покрывающий слой p-InP, 25 - внешний слой p-InGaAs, 27 - изолирующий слой, 28 - волновод, 29 - маскирующий слой, 30 - внешний электрод.6. Prior art: a method of manufacturing a cantilever probe for MBOP, proposed by the authors [4]. 1 - single-crystal silicon substrate, 2 - protective film of thermal silicon oxide, 3 - recess in the form of a pyramid, 4 - film of thermal silicon oxide, 5 - point, 10 - flexible layer, 11 - polyimide film, 12 - polyimide film, 21 - substrate, 22 - buffer layer of n-InP, 23 - active layer of InGaAsP, 24 - covering layer of p-InP, 25 - outer layer of p-InGaAs, 27 - insulating layer, 28 - waveguide, 29 - masking layer, 30 - external electrode.

Фиг.7. Предшествующий уровень техники: схема кантилеверного зонда для МБОП, предложенная авторами [4]. 5 - острие, 10 - гибкий слой, 20 - лазер, 21 - подложка, 27 - изолирующий слой, 28 - волновод, 30 - внешний электрод.7. BACKGROUND OF THE INVENTION: cantilever probe scheme for MBOP proposed by the authors of [4]. 5 - point, 10 - flexible layer, 20 - laser, 21 - substrate, 27 - insulating layer, 28 - waveguide, 30 - external electrode.

Фиг.8а, b. Предшествующий уровень техники: схемы кантилеверных зондов для МБОП, предложенные авторами [6, 7]. 100 - зонд, 101 - левер, 102 - свободный конец держателя, 103 - столик держателя, 104 - металлическая пленка, 105 - рассеивающий наконечник, 105b - маленькая часть рассеивающего наконечника.Figa, b. Prior art: cantilever probe circuits for MBOP proposed by the authors [6, 7]. 100 — probe, 101 — lever, 102 — free end of the holder, 103 — stage of the holder, 104 — metal film, 105 — scattering tip, 105b — small portion of the scattering tip.

Фиг.9а, b. Сечение кантилеверного зонда для сканирующего зондового прибора (далее “Зонд для СЗП”). 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 13 - прозрачный для излучения слой, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия.Figa, b. Cross-section of a cantilever probe for a scanning probe device (hereinafter referred to as “Probe for SZP”). 8 — probe holder, 9 — probe lever, 10 — probe tip, 13 — radiation-transparent layer, 14 — metal coating opaque to radiation, 15 — aperture (lower) at the tip tip.

Фиг.10а, b. Зонд для СЗП без или частично без металлического покрытия с обратной стороны зонда. 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 13 - прозрачный для излучения окисный слой кремния, 14 - непрозрачное для излучение металлическое покрытие, 15 - апертура на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны.Figa, b. SZP probe without or partially without metal coating on the back of the probe. 8 - probe holder, 9 - probe tip, 10 - probe tip, 13 - silicon oxide layer transparent to radiation, 14 - metal coating that is opaque to radiation, 15 - aperture on top of the tip, 16 - aperture (upper) on the probe holder with its back side.

Фиг.11а, b. Зонд для СЗП с дополнительным функциональным слоем. 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 13 - прозрачный поверхностный слой, 13а - непрозрачный слой электроизолирующего материала, 14 - непрозрачное для излучение металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 14а - непрозрачное (или частично прозрачное) для излучения металлическое покрытие с обратной стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, 17, 18 - функциональные слои (с обратной и лицевой стороны зонда).Figa, b. SZP probe with an additional functional layer. 8 - probe holder, 9 - probe tip, 10 - probe tip, 13 - transparent surface layer, 13a - opaque layer of electrically insulating material, 14 - metal coating that is opaque to radiation on the front side of the probe, 14a - opaque (or partially transparent) for radiation metal coating on the back of the probe, 15 — aperture (lower) on the tip tip, 16 — aperture (upper) on the probe holder on its back, 17, 18 — functional layers (on the back and front of the probe).

Фиг.12а. Вершина острия Зонда для СЗП, содержащая материал с иным показателем преломления. 13 - прозрачный поверхностный слой, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 19 - материал (из которого изготовлено тело зонда) с показателем преломления, отличным от показателя преломления поверхностного слоя, в котором распространяется излучение, 20 - распространяемое в зонде (на его поверхности) излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру.Figa. The tip tip of the probe for the FFP containing material with a different refractive index. 13 is a transparent surface layer, 14 is a metal coating that is opaque to radiation from the front of the probe, 15 is the aperture (lower) at the tip of the tip, 19 is the material (of which the probe body is made) with a refractive index different from that of the surface layer, in which propagates radiation, 20 — radiation propagated in the probe (on its surface), 21 — radiation emitted from the probe through the lower aperture.

Фиг.12b, с. Зонд для СЗП, содержащий материал с иным показателем преломления. 4 - образец, 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 22 - материал на поверхности прозрачного острия, показатель преломления которого отличен от показателя преломления материала, из которого изготовлено острие и по которому распространяется излучение в зонде, 23 - материал подложки с образцом, в которую (из которой) попадает излучение, выходящее (входящее) из нижней апертуры.Fig.12b, p. SZP probe containing material with a different refractive index. 4 - sample, 8 - probe holder, 9 - probe tip, 10 - probe tip, 14 - metal coating that is opaque to radiation on the front of the probe, 15 - aperture (lower) on the tip, 22 - material on the surface of the transparent tip, indicator the refractive index of which is different from the refractive index of the material from which the tip is made and through which the radiation propagates in the probe, 23 — the substrate material with the sample into which (from) the radiation emerging (entering) from the lower aperture enters.

Фиг.13а, b. Способ изготовления кантилеверного зонда из нитрида кремния: А-Е - основные шаги. 13а - подложка кремния с ориентацией [100], 13b - пирамидальное углубление, 13с - осаждение слоя нитрида кремния с образованием контура острия, 13d - осаждение слоя нитрида кремния с образованием левера, 13е - формирование держателя из стекла, 13f - формирование слоя из окисла кремния.Figa, b. A method of manufacturing a cantilever probe of silicon nitride: AE - the main steps. 13a — silicon substrate with orientation [100], 13b — pyramidal depression, 13c — deposition of a silicon nitride layer to form a tip, 13d — deposition of a silicon nitride layer to form a lever, 13e — formation of a glass holder, 13f — formation of a layer of silicon oxide .

Фиг.14a, b, c, d. Фрагмент прибора на основе кантилеверного зонда для СЗП (далее “Фрагмент Прибора”) с различными способами введения излучения для работы с образцом. 4 - образец, 8 - держатель зонда, 9 - левер зонда, 10 - острие зонда, 12а - приемный объектив детектора МБОП, 13 - прозрачный поверхностный слой, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, через которое излучение попадает в тело зонда или в его прозрачный поверхностный слой, 20 - распространяемое в зонде (на его поверхности) излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру, 21а - характерное излучение, вышедшее из образца, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 25 - направления распространения излучения в поверхностном прозрачном слое зонда, 26 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда и попадающее в материал зонда или в его поверхностный слой через верхнюю апертуру.Figa, b, c, d. A fragment of the device based on a cantilever probe for the FFP (hereinafter referred to as “the Fragment of the Instrument”) with various methods of introducing radiation to work with the sample. 4 - sample, 8 - probe holder, 9 - probe tip, 10 - probe tip, 12a - receiver lens of the MBOP detector, 13 - transparent surface layer, 14 - metal coating that is opaque to radiation, 15 - aperture (lower) on the tip tip, 16 - aperture (upper) on the probe holder from its reverse side, through which radiation enters the probe body or its transparent surface layer, 20 - radiation propagated in the probe (on its surface), 21 - radiation emanating from the probe through the lower aperture , 21a - characteristic radiation emerging from the sample, 24 - from radiation supplied to the back of the probe, 25 — directions of radiation propagation in the surface transparent layer of the probe, 26 — radiation supplied to the back of the probe and entering the probe material or its surface layer through the upper aperture.

Фиг.15а, b, с. Фрагмент Прибора с совмещенными средством контроля положения зонда относительно образца и средством, позволяющим произвести работы с таким образцом. 13 - прозрачный поверхностный слой, 14b, c - непрозрачные для излучения металлические покрытия на левере, 14d - частично непрозрачные для излучения металлические покрытия на левере, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 20 - распространяемое в зонде (или в поверхностном прозрачном его слое) излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 27 - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на лицевую сторону левера (фиг.“а”), либо излучение, отраженное от непрозрачного материала, из которого изготовлен зонд (фиг.“b”), либо излучение, отраженное от частично непрозрачного материала 14а, нанесенного на обратную сторону левера (фиг.“с”).Figa, b, p. A fragment of the Product with combined means for controlling the position of the probe relative to the sample and a tool that allows you to work with such a sample. 13 - transparent surface layer, 14b, c - metal coatings that are opaque to radiation on the lever, 14d - metal coatings that are partially opaque to radiation on the lever, 15 - aperture (lower) on the tip tip, 20 - distributed in the probe (or in its surface transparent layer) radiation, 21 - radiation emanating from the probe through the lower aperture, 24 - radiation transmitted to the back of the probe, 27 - radiation reflected from an opaque material deposited on the front side of the lever (Fig. “a”), or radiation, reflected from opaque of the material of which the probe is made (Fig. “b”), or radiation reflected from a partially opaque material 14a deposited on the back of the lever (Fig. “c”).

Фиг.16а, b. Фрагмент Прибора, когда излучение для исследования подается через верхнюю апертуру. 8 - держатель зонда, 13 - прозрачный поверхностный слой, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, 20 - распространяемое в зонде (или в поверхностном прозрачном его слое) излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 25 - направления распространения излучения в поверхностном прозрачном слое зонда, 26 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда и попадающее в материал зонда или в его поверхностный слой через верхнюю апертуру, 27 - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на обратную сторону левера, 28 - прижим, 29 - держатель прибора.Figa, b. A fragment of the Product when radiation for research is supplied through the upper aperture. 8 - probe holder, 13 - transparent surface layer, 14 - metal coating that is opaque to radiation on the front side of the probe, 15 - aperture (lower) on the tip tip, 16 - aperture (upper) on the probe holder on its back side, 20 - distributed radiation in the probe (or in its transparent surface layer), 21 — radiation emitted from the probe through the lower aperture, 24 — radiation transmitted to the back side of the probe, 25 — radiation propagation directions in the transparent surface layer of the probe, 26 — radiation supplied to reverse side on the probe and entering the probe material or its surface layer through the upper aperture, 27 - radiation reflected from an opaque material deposited on the back of the lever, 28 - clip, 29 - holder of the device.

Фиг.17. Фрагмент Прибора, в котором излучение, используемое для работы с образцом, подается со стороны такого образца, при этом проходя через них. 4 - образец, 8 - держатель зонда, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, через которое излучение выходит из тела зонда, 20 - распространяемое в зонде излучение, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 27 - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на обратную сторону левера, 30 - излучение, подаваемое непосредственно на образец с противоположной от зонда стороны, 31 - прошедшее через образец излучение, 32 - излучение от образца, вошедшее через нижнюю апертуру, распространившееся по зонду и вышедшее через его верхнюю апертуру.Fig.17. A fragment of the Product in which the radiation used to work with the sample is supplied from the side of such a sample, while passing through them. 4 - sample, 8 - probe holder, 14 - metal coating that is opaque to radiation on the front side of the probe, 15 - aperture (lower) on the tip tip, 16 - aperture (upper) on the probe holder on its reverse side, through which radiation leaves probe body, 20 — radiation propagated in the probe, 24 — radiation delivered to the back of the probe, 27 — radiation reflected from an opaque material deposited on the back of the lever, 30 — radiation supplied directly to the sample from the side opposite to the probe, 31 - past radiation through the sample; 32 — radiation from the sample entering through the lower aperture, propagating through the probe and leaving through its upper aperture.

Фиг.18. Фрагмент Прибора, в котором используется по крайней мере два источника излучения, позволяющих произвести работы с указанными образцами. 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 20 - распространяемое в зонде излучение, 21a, b - “пятна” излучений от двух источников на плоскости, перпендикулярной оси острия, после выхода из нижней апертуры, 24a, b - излучение, подающееся на обратную сторону зонда от двух независимых источников, 33 - область пересечения “пятен”.Fig. 18. A fragment of the Product in which at least two sources of radiation are used, allowing to work with the specified samples. 14 — metal coating opaque to the radiation from the front of the probe, 15 — aperture (lower) at the tip of the tip, 20 — radiation propagated in the probe, 21a, b — “spots” of radiation from two sources on a plane perpendicular to the axis of the tip after exiting lower aperture, 24a, b — radiation supplied to the reverse side of the probe from two independent sources, 33 — intersection region of “spots”.

Фиг.19а, b. Фрагмент Прибора, который имеет средство для получения статической или динамической интерференции излучения, используемого для работы с образцами, 10 - острие, 11 - источник излучения, 11а - зеркало, обеспечивающее образование двух лучей когерентного излучения от одного источника, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 20 - распространяемое в зонде излучение, 21а - два луча когерентного излучения, 22 - материал на поверхности прозрачного острия, показатель преломления которого отличен от показателя преломления материала, из которого изготовлено острие и по которому распространяется излучение в зонде, 24 - два луча когерентного излучения, подающееся на обратную сторону зонда, 34 - интерференционные кольца.Figa, b. A fragment of the Product that has a means for obtaining static or dynamic interference of radiation used to work with samples, 10 is a tip, 11 is a radiation source, 11a is a mirror that provides the formation of two rays of coherent radiation from one source, 14 is a metal coating that is opaque to radiation on the front side of the probe, 15 — aperture (lower) on the tip tip, 20 — radiation propagated in the probe, 21a — two coherent radiation beams, 22 — material on the surface of the transparent tip, refractive index otorrhea is different from the refractive index of the material from which the tip is manufactured and through which the radiation propagates in the probe 24 - two beams of coherent radiation is supplied to the reverse side of the probe, 34 - interference rings.

Фиг.20. Фрагмент Прибора, который содержит средство для генерации излучения в зонде. 13а - слой непрозрачного диэлектрика, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 14а - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с обратной стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 17 - функциональный слой, 20 - распространяемое в зонде излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 27 - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на обратную сторону левера, 35 - поток частиц или излучения, результатом попадания которого в функциональный слой является генерация излучения, распространяемого затем в зонде.Fig.20. A fragment of the Product that contains means for generating radiation in the probe. 13a is an opaque dielectric layer, 14 is an opaque metal coating on the front of the probe, 14a is an opaque metal coating on the back of the probe, 15 is an aperture (lower) at the tip, 17 is a functional layer, 20 is distributed in the probe radiation, 21 - radiation emitted from the probe through the lower aperture, 24 - radiation transmitted to the back of the probe, 27 - radiation reflected from an opaque material deposited on the back of the lever, 35 - particle or radiation flux resulting from pop The addition of which to the functional layer is the generation of radiation, which then propagates in the probe.

Фиг.21а, b. Фрагмент Прибора, который содержит средство для генерации собственного излучения образца и средство для усиления такого излучения, расположенное в зонде. 4 - образец, 8 - держатель зонда, 10 - острие, 14 - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15 - апертура (нижняя) на вершине острия, 16 - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, через которое излучение выходит из тела зонда, 17, 18 - функциональные слои, 20 - распространяемое в зонде излучение, 23 - тонкая прозрачная подложка, 24 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 27 - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на обратную сторону левера, 31 - характерное собственное излучение образца, 32 - характерное излучение функционального слоя, распространившееся по зонду и выходящее через его верхнюю апертуру, 36 - излучение, которым облучается функциональный слой, 37 - распространение в зонде излучения, которым облучается функциональный слой, 38 - излучение, которым облучается образец, 39 - характерное излучение функционального слоя, явившееся результатом усиления характерного собственного излучения образца, попавшее в нижнюю апертуру зонда.Figa, b. A fragment of the Product that contains means for generating the sample's own radiation and means for amplifying such radiation located in the probe. 4 - sample, 8 - probe holder, 10 - tip, 14 - metal coating that is opaque to radiation on the front of the probe, 15 - aperture (lower) on the tip, 16 - aperture (upper) on the probe holder on its back, through which radiation leaves the probe body, 17, 18 — functional layers, 20 — radiation propagated in the probe, 23 — thin transparent substrate, 24 — radiation supplied to the back of the probe, 27 — radiation reflected from an opaque material deposited on the back levera, 31 - characteristic intrinsic radiation sample, 32 — characteristic radiation of the functional layer propagating through the probe and exiting through its upper aperture, 36 — radiation that irradiates the functional layer, 37 — propagation in the radiation probe that irradiates the functional layer, 38 — radiation with which the sample is irradiated, 39 - the characteristic radiation of the functional layer, which was the result of amplification of the characteristic intrinsic radiation of the sample, which fell into the lower aperture of the probe.

Фиг.22. Фрагмент Прибора, в котором излучение, используемое для работы с образцом, подается через зонд, расположенный с противоположной стороны от образца по отношению к зонду, осуществляющему анализ прошедшего через образец излучения. 4 - образец, 8а, b - держатель зонда, 13 - прозрачный поверхностный слой, 14a, b - непрозрачное для излучения металлическое покрытие с лицевой стороны зонда, 15a, b - апертура (нижняя) на вершине острия, 16a, b - апертура (верхняя) на держателе зонда с его обратной стороны, через которое излучение выходит из тела зонда, 20 - распространяемое в зонде (на его поверхности) излучение, 21 - излучение, вышедшее из зонда через нижнюю апертуру, 23 - тонкая прозрачная подложка, 24a, b - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 25 - направления распространения излучения в поверхностном прозрачном слое зонда, 26 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда и попадающее в материал зонда через верхнюю апертуру, 27a, b - излучение, отраженное от непрозрачного материала, нанесенного на обратную сторону левера, 31 - прошедшее через образец излучение, 32 - излучение от образца, вошедшее через нижнюю апертуру, распространившееся по зонду и выходящее через его верхнюю апертуру, 40 - одно из направлений перемещения образца при его сканировании прибором.Fig.22. A fragment of the Product in which the radiation used to work with the sample is supplied through a probe located on the opposite side of the sample with respect to the probe analyzing the radiation transmitted through the sample. 4 - sample, 8a, b - probe holder, 13 - transparent surface layer, 14a, b - metal coating that is opaque to radiation from the front of the probe, 15a, b - aperture (lower) on the tip tip, 16a, b - aperture (upper ) on the probe holder on its reverse side, through which radiation leaves the probe body, 20 — radiation propagated in the probe (on its surface), 21 — radiation emanating from the probe through the lower aperture, 23 — thin transparent substrate, 24a, b — radiation fed to the back of the probe, 25 — directions of radiation propagation in surface transparent layer of the probe, 26 — radiation transmitted to the back of the probe and entering the probe material through the upper aperture, 27a, b — radiation reflected from an opaque material deposited on the back of the lever, 31 — radiation transmitted through the sample, 32 — radiation from the sample, which entered through the lower aperture, propagated through the probe and exited through its upper aperture, 40 — one of the directions of movement of the sample when it is scanned by the device.

Фиг.23. Фрагмент Прибора, в котором излучение, используемое для работы с образцом, подается через один зонд, находящийся в контакте с одной из подложек, а излучение, прошедшее через образец, принимается другим зондом, находящимся в контакте с подложкой, расположенной с другой стороны образца, который размещен между указанными подложками. 4 - образец, 8a, b - держатели зонда, 9a, b - левера, 10a, b - острия, 23a, b - тонкие прозрачные подложки, 26 - излучение, подающееся на обратную сторону зонда, 32 - излучение, прошедшее через образец, вошедшее через нижнюю апертуру, распространившееся по зонду и выходящее из зонда.Fig.23. A fragment of the Product in which the radiation used to work with the sample is supplied through one probe in contact with one of the substrates, and the radiation transmitted through the sample is received by another probe in contact with the substrate located on the other side of the sample, which placed between the specified substrates. 4 - sample, 8a, b - probe holders, 9a, b - levera, 10a, b - tips, 23a, b - thin transparent substrates, 26 - radiation transmitted to the back of the probe, 32 - radiation transmitted through the sample, which entered through the lower aperture, spreading over the probe and leaving the probe.

Фиг.24. Фрагмент многоострийной структуры с включенными в нее зондами. 8 - держатели зонда, 9 - левера, 10 - острия, 14 - непрозрачное покрытие с лицевой стороны подложки.Fig.24. A fragment of a multi-tip structure with probes included in it. 8 - probe holders, 9 - levera, 10 - tips, 14 - opaque coating on the front side of the substrate.

ПРИМЕРЫEXAMPLES

В настоящем изобретении предлагаются несколько вариантов применения изложенных в сущности изобретения идей. Наиболее типичными являются следующие.The present invention provides several uses for the ideas set forth in the spirit of the invention. The most typical are the following.

Пример 1.Example 1

Здесь следует рассмотреть два основных вида зонда (далее просто “зонд”) для сканирующих приборов. Как показано на Фиг.9а и Фиг.9b, оба они включают в себя массивный держатель 8, гибкую часть 9, именуемую левером, и острие 10, расположенное на левере.Two main types of probe (hereinafter simply referred to as the “probe”) for scanning devices should be considered here. As shown in FIGS. 9a and 9b, both of them include a massive holder 8, a flexible portion 9, referred to as a lever, and a tip 10 located on the lever.

Один из них изготовлен из кремния - непрозрачного для типичного излучения, применяемого в ближнепольной микроскопии, а именно, видимого излучения, генерируемого лазерным источником. Согласно настоящему изобретению такой зонд покрыт слоем материала 13 (Фиг.9а), прозрачного для указанного излучения. В качестве такого слоя лучше использовать термический окисный слой кремния на его поверхности. При этом часть (не основная) может распространяться и в кремнии. Очевидно, что показатель преломления кремния значительно превосходит показатель преломления его окисного слоя. Будем считать, что когда говорится о распространении излучения в зонде, речь будет идти об основном распространении, то есть, в данном случае, в окисном слое.One of them is made of silicon - opaque to the typical radiation used in near-field microscopy, namely, visible radiation generated by a laser source. According to the present invention, such a probe is coated with a layer of material 13 (Fig. 9a) transparent to said radiation. As such a layer, it is better to use a thermal oxide layer of silicon on its surface. At the same time, the part (not the main one) can spread in silicon. Obviously, the refractive index of silicon significantly exceeds the refractive index of its oxide layer. We assume that when it comes to the propagation of radiation in the probe, we will talk about the main propagation, that is, in this case, in the oxide layer.

Другой вид зонда изготовлен из прозрачного для излучения материала (Фиг.9b). Лучшим вариантом такого зонда является зонд, изготовленный из нитрида кремния.Another type of probe is made of a transparent material for radiation (Fig.9b). The best option for such a probe is a probe made of silicon nitride.

Описанные здесь два вида зондов покрыты непрозрачным для излучения материалом 14. Таким материалом может служить любой металл (серебро, золото, алюминий и т.д.) или иное непрозрачное покрытие. Оптимальным решением может быть использование в качестве такого покрытия алюминия. При этом на вершине острия такое покрытие может либо отсутствовать, образуя апертуру 15, либо присутствовать в незначительных количествах, при которых достаточная для детектирования часть излучения через эту вершину может пройти. На обоих видах зонда покрытие также может отсутствовать как на всей поверхности с обратной от острия стороне зонда (Фиг.10а), так и на отдельных участках, в частности, на держателе, как изображено на Фиг.10b, образуя при этом верхнюю апертуру 16 (в отличие от нижней апертуры 15).The two types of probes described here are coated with a material 14 opaque to radiation. Any metal (silver, gold, aluminum, etc.) or another opaque coating can serve as such material. An optimal solution may be to use aluminum as such a coating. At the same time, at the top of the tip, such a coating can either be absent, forming an aperture 15, or be present in insignificant amounts at which a portion of the radiation sufficient for detection can pass through this vertex. In both types of the probe, the coating may also be absent both on the entire surface opposite the tip side of the probe (Fig. 10a), and in separate areas, in particular, on the holder, as shown in Fig. 10b, forming the upper aperture 16 ( unlike the lower aperture 15).

Один из вариантов реализации настоящего изобретения предусматривает наличие на поверхности зонда (под непрозрачным или частично непрозрачным покрытием) слоя 17 (Фиг.11а) (например, с обратной стороны) или 18 (Фиг.11b) - на лицевой стороне. В одном случае этим слоем выбирается люминесцирующий слой как источник излучения, поверх которого может быть нанесен непрозрачный для одного излучения слой (отражающий его) и прозрачный для другого излучения или потока частиц. В другом случае: слой из материала, способного усиливать падающее на него излучение. Таким излучением, например, может являться излучение, генерируемое самим образцом под воздействием соответствующего возбудителя или без такого. Это необходимо для того, чтобы сперва усилить излучение, попавшее в нижнюю апертуру для его распространения в прозрачном теле зонда или в прозрачном поверхностном слое, а затем, еще раз усилить, при его выходе из указанных прозрачных участков распространения. Как для обеспечения генерации излучения, так и для реализации усиления излучения в данной конструкции предусмотрена возможность обеспечения разности потенциалов между проводящими покрытиями 14 и 14а, а также между указанными покрытиями и материалом зонда, в случае, если он изготовлен из проводящего материала.One of the embodiments of the present invention provides for the presence on the surface of the probe (under an opaque or partially opaque coating) of a layer 17 (Fig. 11a) (for example, on the back side) or 18 (Fig. 11b) on the front side. In one case, this layer selects the luminescent layer as a radiation source, on top of which an opaque layer (reflecting it) for one radiation and transparent to another radiation or particle stream can be applied. In another case: a layer of material capable of amplifying the radiation incident on it. Such radiation, for example, may be radiation generated by the sample itself under the influence of the corresponding pathogen or without it. This is necessary in order to first amplify the radiation that has fallen into the lower aperture for its propagation in the transparent body of the probe or in the transparent surface layer, and then, once again amplify it when it leaves these transparent regions of propagation. Both to ensure radiation generation and to implement radiation amplification, this design provides for the possibility of providing a potential difference between the conductive coatings 14 and 14a, as well as between these coatings and the probe material, if it is made of a conductive material.

Настоящее изобретение предусматривает также возможность наличия вблизи нижней апертуры на вершине острия 15 (Фиг 12а) материала 19 с показателем преломления, отличным от показателя преломления материала 13, по которому распространяется излучение 20 в зонде. В частности, этим материалом может служить тот же кремний, из которого изготовлен зонд. Причем в такой конструкции излучение 20, распространяющееся в зонде по окисному слою 13 перед его прохождением через нижнюю апертуру 15, проходит через кремний 19, как через материал с большим показателем преломления, чем у окисного слоя 13. Наряду с описанным вариантом конструкции в настоящем изобретении предлагается и другая конструкция, изображенная на Фиг.9b. Здесь на поверхности острия, выполненного из прозрачного для излучения материала, имеется слой 22 с иным показателем преломления. Он находится между материалом самого острия 10 и непрозрачным слоем 14, образующим нижнюю апертуру 15. Подбор размера апертуры, материала и размера участка этого материала с показателем преломления, отличным от показателя преломления среды распространения излучения в зонде, через который должна пройти волна излучения, являются решающими элементами для получения оптимального поперечного размера пучка излучения 21 при его прохождении через нижнюю апертуру 15. Для целей оптимизации решения такой задачи в настоящем изобретении предложено размещение образца 4 на подложке 23 из материала (Фиг.9с) со своим показателем преломления. В частности, материал подложки 23 может быть тем же, что и материал, через который идет распространение излучения в зонде (на его поверхности). Иными словами, если зонд изготовлен из нитрида кремния, то и подложка может быть изготовлена из этого материала. Если распространение происходит в поверхностном слое из окисла кремния, то и подложка может быть изготовлена из него. А также выбор материала подложки может быть сделан наоборот. Дополнительная степень свободы при подборе перечисленных выше физических и геометрических параметров материалов, расположенных вблизи нижней апертуры, дает возможность оптимизировать выбор средств при исследовании различных образцов с целью получения максимальной разрешающей способности прибора.The present invention also provides for the possibility of the presence of material 19 with a refractive index different from the refractive index of material 13, along which radiation 20 propagates in the probe, near the lower aperture at the top of the tip 15 (FIG. 12a). In particular, the same silicon from which the probe is made can serve as this material. Moreover, in this design, the radiation 20 propagating in the probe through the oxide layer 13 before passing through the lower aperture 15 passes through silicon 19, as through a material with a higher refractive index than that of the oxide layer 13. In addition to the described embodiment, the present invention proposes and another design shown in Fig. 9b. Here, on the surface of the tip made of a material transparent for radiation, there is a layer 22 with a different refractive index. It is between the material of the tip itself 10 and the opaque layer 14 forming the lower aperture 15. The selection of the size of the aperture, the material and the size of the portion of this material with a refractive index different from the refractive index of the radiation propagation medium in the probe through which the radiation wave must pass are crucial elements to obtain the optimal transverse size of the radiation beam 21 as it passes through the lower aperture 15. For the purpose of optimizing the solution of such a problem, the present invention proposes times eschenie sample 4 on a substrate 23 of material (9c) with its refractive index. In particular, the material of the substrate 23 may be the same as the material through which radiation propagates in the probe (on its surface). In other words, if the probe is made of silicon nitride, then the substrate can be made of this material. If propagation occurs in the surface layer of silicon oxide, then the substrate can be made of it. And also the choice of substrate material can be done the other way around. An additional degree of freedom in the selection of the above physical and geometric parameters of materials located near the lower aperture makes it possible to optimize the choice of means in the study of various samples in order to obtain the maximum resolution of the device.

Пример 2.Example 2

Зонд, тело которого выполнено из непрозрачного материала, например, кремния, может быть изготовлен любым из существующих на данный момент способов [8-10]. Чтобы образовать прозрачной для излучения слой, такой зонд покрывают окисным слоем, который легко получить из кремния путем его окисления. То есть уже готовый зонд, или как его еще иначе в литературе называют, кантилевер, окисляют в среде кислорода при характерных в таких случаях температурах в пределах от 600°С до 1200°С. В зависимости от температуры окисления и его времени можно получить необходимую толщину такого слоя. Для свободного прохождения излучения, например, с длиной волны около 500 нм достаточно будет создания окисного слоя около 1 мкм. После создания прозрачного для излучения поверхностного слоя зонд частично (с его лицевой стороны, то есть со стороны острия и части обратной стороны - противоположной от острия) или полностью (с обеих сторон) покрывают непрозрачным для излучения материалом. Наиболее предпочтительным способом покрытия является напыление металла на поверхность зонда, например, алюминия или золота. Причем, если производить напыление на лицевую сторону под углом к оси острия, то можно добиться результата, при котором вершина острия либо не будет иметь покрытия напыляемым материалом, либо слой такого материала окажется достаточно тонким, чтобы пропускать излучение в достаточном объеме. Другой способ обеспечения прозрачности вершины острия после напыления это создание апертуры (нижней) путем направленного сфокусированного пучка частиц. Наиболее подходящим в этом случае является сфокусированный ионный пучок. Наконец, еще один способ обеспечения прозрачности вершины острия заключается в следующем. Необходимо осуществить контакт острия с нанесенным непрозрачным поверхностным слоем с ровной поверхностью, изготовленной из таких материалов, как алмаз, сапфир (корунд) или карбид кремния. Такие материалы интересны тем, что они прочны, их поверхность может быть изготовлена идеально гладкой, и все указанные материалы являются прозрачными, что очень важно при осуществлении контролируемого процесса создания апертуры. В некоторых случаях для образования апертуры достаточно обеспечить лишь контакт вершины острия с указанными выше материалами. В этом случае можно добиться получения самого малого размера апертуры. Если при этом обеспечить движение острия относительно указанной поверхности в контакте с ней, то можно добиться механического удаления поверхностного слоя с вершины острия, с образованием апертуры большего размера. Размер такой апертуры будет составлять величину, не более радиуса кривизны вершины острия.A probe whose body is made of an opaque material, for example, silicon, can be made by any of the currently existing methods [8-10]. In order to form a layer transparent to radiation, such a probe is coated with an oxide layer, which is easily obtained from silicon by its oxidation. That is, a ready-made probe, or, as it is called in another way in the literature, cantilever, is oxidized in an oxygen medium at temperatures typical for such cases ranging from 600 ° C to 1200 ° C. Depending on the oxidation temperature and its time, the necessary thickness of such a layer can be obtained. For the free passage of radiation, for example, with a wavelength of about 500 nm, it will be sufficient to create an oxide layer of about 1 μm. After creating a surface layer transparent to radiation, the probe is partially (on its front side, that is, on the side of the tip and part of the back side opposite from the tip) or completely (on both sides) coated with a material that is opaque to radiation. The most preferred coating method is to spray a metal onto the surface of a probe, such as aluminum or gold. Moreover, if you spray on the front side at an angle to the axis of the tip, you can achieve a result in which the tip of the tip will either not be coated with the sprayed material, or the layer of such material will be thin enough to transmit radiation in a sufficient amount. Another way to ensure transparency of the tip tip after sputtering is to create an aperture (bottom) by means of a directed focused beam of particles. The most suitable in this case is a focused ion beam. Finally, another way to ensure the transparency of the tip tip is as follows. It is necessary to contact the tip with the applied opaque surface layer with a flat surface made of materials such as diamond, sapphire (corundum) or silicon carbide. Such materials are interesting in that they are durable, their surface can be made perfectly smooth, and all of these materials are transparent, which is very important in the implementation of the controlled process of creating the aperture. In some cases, for the formation of the aperture, it is sufficient to provide only the contact of the tip tip with the above materials. In this case, it is possible to obtain the smallest aperture size. If this ensures the movement of the tip relative to the specified surface in contact with it, then you can achieve mechanical removal of the surface layer from the top of the tip, with the formation of a larger aperture. The size of such an aperture will be no more than the radius of curvature of the tip tip.

Причем процесс доведения зонда до рабочего состояния, а именно, создания апертуры путем механического стирания непрозрачного материала с его вершины в зависимости от вопросов удобства изготовления и работы, может происходить либо на территории производителя зонда, либо на рабочем месте пользователя, непосредственно в сканирующем приборе. В последнем случае пользователь, зарядив зонд в прибор при запуске сканирования и использовании зонда, в первый раз указывает программе управления, есть ли необходимость его доведения до искомой конструкции. В случае, если такая необходимость имеет место, прибор опускает такой зонд на специальную плоскую поверхность материала, размещенного рядом с держателем образца, и осуществляет контролируемое стирание части непрозрачного материала, находящегося на поверхности острия. Суть контролируемого стирания - это пропускание излучения и его анализ через вновь образующуюся апертуру в процессе ее образования.Moreover, the process of bringing the probe to a working state, namely, creating an aperture by mechanical abrasion of an opaque material from its top, depending on the convenience of manufacturing and working, can occur either at the site of the probe manufacturer or at the user's workplace, directly in the scanning device. In the latter case, the user, having charged the probe into the device when starting the scan and using the probe, for the first time indicates to the control program whether it is necessary to bring it to the desired design. If such a need arises, the device lowers such a probe onto a special flat surface of the material located next to the sample holder and carries out a controlled erasure of the part of the opaque material located on the tip surface. The essence of controlled erasing is the transmission of radiation and its analysis through the newly formed aperture in the process of its formation.

Обеспечить образование нижней апертуры (на вершине острия) можно и контролируемым испарением части непрозрачного материала с вершины острия. Для этого через указанный непрозрачный слой, которым в большинстве случаев является металл, необходимо пропустить электрический ток в режиме эмиссии с вершины острия. Делать это необходимо в вакууме. Для более качественного (контролируемого) удаления следует ввести в вакуум инертный газ (например, аргон, водород или гелий). Эмиссионный ток, проходя через вершину острия, разогревает его, что приводит к испарению материала, находящегося на вершине. При этом для различных материалов и газов можно применять ток как прямой, так и обратной полярности.The formation of a lower aperture (at the tip of the tip) can also be achieved by controlled evaporation of a part of the opaque material from the tip of the tip. To do this, through the specified opaque layer, which in most cases is a metal, it is necessary to pass an electric current in the emission mode from the top of the tip. This must be done in a vacuum. For better (controlled) removal, an inert gas (such as argon, hydrogen or helium) should be introduced into the vacuum. The emission current passing through the top of the tip heats it, which leads to the evaporation of the material located on the top. Moreover, for various materials and gases, both direct and reverse polarity currents can be used.

Наряду с предложенным вариантом изготовления зонда, прозрачность которого обеспечивается поверхностным слоем, в настоящем изобретении рассматривается и способ изготовления острия из нитрида кремния - материала, который сам является прозрачным для используемого ближнепольной микроскопией излучения. Технология изготовления такого зонда изображена на Фиг.13а-е (в разрезе) и хорошо известна. Основные этапы такой технологии выглядят следующим образом. В кремниевой пластине 13а (А) с ориентацией <100> делается пирамидальное углубление 13b (В), затем осаждается слой нитрида кремния (С) с образованием контура будущих острия 13с и левера. Затем (D) с той же стороны прикрепляется стекло, обеспечивающее образование массивной части будущего зонда - его держателя 13е. После этого кремний 13а полностью удаляют жидкостным травлением. В итоге (Е) получается зонд с полым острием. Покрытие же поверхности такого зонда непрозрачным для излучения материалом лучше осуществить так же, как и в случаях, описанных выше, а именно, посредством напыления. Также можно использовать и другие классические способы нанесения материалов: осаждения из газовой фазы, магнетронным распылением в плазме и др.Along with the proposed manufacturing method of the probe, the transparency of which is ensured by the surface layer, the present invention also considers a method of manufacturing a point from silicon nitride - a material that is itself transparent to radiation used by near-field microscopy. The manufacturing technology of such a probe is shown in Fig.13a-e (in section) and is well known. The main stages of this technology are as follows. In a silicon wafer 13a (A) with an orientation <100>, a pyramidal recess 13b (B) is made, then a layer of silicon nitride (C) is deposited with the formation of the contour of the future tip 13c and lever. Then (D) a glass is attached on the same side, which ensures the formation of a massive part of the future probe - its holder 13e. After that, silicon 13a is completely removed by liquid etching. As a result (E), a hollow tip probe is obtained. It is better to cover the surface of such a probe with an opaque material for radiation in the same way as in the cases described above, namely, by spraying. You can also use other classical methods of applying materials: deposition from the gas phase, magnetron sputtering in plasma, etc.

При реализации настоящего изобретения на поверхности прозрачного острия может потребоваться наличие материала, показатель преломления которого отличен от показателя преломления материала, из которого изготовлено острие и по которому распространяется излучение в зонде. В качестве такого материала может быть предложен окисел кремния. Для обеспечения наличия окисла кремния на лицевой поверхности острия из нитрида кремния в технологии, показанной на Фиг.13b (А-Е), добавляется одна промежуточная ступень (В'). А именно, после образования углубления в кремниевой пластине 13а и перед нанесением нитрида кремния (С) пластина кремния окисляется с образованием окисного слоя 13f (Фиг.13b). В итоге, после полного травления (удаления) кремния 13а, на лицевой поверхности острия из нитрида кремния остается окисный слой 13f.When implementing the present invention on the surface of the transparent tip may require the presence of a material whose refractive index is different from the refractive index of the material from which the tip is made and through which radiation propagates in the probe. Silicon oxide may be proposed as such a material. To ensure the presence of silicon oxide on the front surface of the point of silicon nitride in the technology shown in Fig.13b (AE), one intermediate stage (B ') is added. Namely, after the formation of a recess in the silicon wafer 13a and before the deposition of silicon nitride (C), the silicon wafer is oxidized to form an oxide layer 13f (Fig. 13b). As a result, after complete etching (removal) of silicon 13a, an oxide layer 13f remains on the front surface of the point from silicon nitride.

Настоящее изобретение предлагает также изготовление зонда, содержащего средство для генерации излучения или усиления внешнего излучения. Для этого перед нанесением непрозрачного слоя на поверхность зонда или на какую-либо его часть наносится слой материала, который при попадании в него потока частиц или излучения генерирует излучение или усиливает падающее излучение.The present invention also provides the manufacture of a probe comprising means for generating radiation or amplifying external radiation. For this, before applying an opaque layer to the surface of the probe or to any part of it, a layer of material is applied, which, when a stream of particles or radiation enters it, generates radiation or amplifies the incident radiation.

Пример 3.Example 3

Одними из наиболее ярких применений настоящего изобретения считаются приборы: МБОП и оптический накопитель информации.One of the most striking applications of the present invention are considered devices: MBOP and optical information storage.

Простейшим случаем реализации сканирующих приборов согласно настоящему изобретению является следующий. Зонд, который может быть выполнен из непрозрачного для излучения материала (например, кремния), с поверхностью, прозрачной для излучения (окисел кремния), или из прозрачного материала (например, нитрида кремния), полностью покрывается тонким слоем непрозрачного материала (например, золота). С вершины острия зонда одним из описанных выше методов удаляется часть непрозрачного материала с образованием выходной апертуры. Также покрытие из непрозрачного материала или его часть удаляется с некоторого участка держателя зонда со стороны, противоположной от острия. На обратную сторону зонда подается излучение 24 (Фиг.14а, b) и 26 (Фиг.14с, d). Это излучение, распределяясь по всей поверхности обратной стороны зонда или проникая через образовавшуюся входную апертуру 16 в прозрачный для излучения поверхностный слой 13 или в прозрачное тело, распространяется по зонду или его поверхности и достигает выходной апертуры 15. Вышедшее через нее излучение и используется для производства работ с образцом 4. В одном случае это излучение, проникая в материал образца, вызывает его преобразование. Так может осуществляться запись информации оптическим способом. В другом случае это излучение, проникая через толщу образца, выходит из него 21а с характерной интенсивностью и попадает в объектив 12а детектора излучения МБОП, после чего происходит запись параметров. То есть точке плоского образца с данными координатами (x; у) соответствует определенная интенсивность прошедшего излучения и определенная координата (z) по вертикальной шкале. После сканирования по всей поверхности формируется полная картина прошедшего излучения. Применительно к устройствам, являющимся носителями информации, описанная процедура будет являться считыванием информации, размещенной на его носителе - подложке с образцом. В качестве подложки может быть применен пластиковый плоский материал, а в качестве образца - материал, при воздействии излучения на который он меняет свои свойства. Применительно к материалам, свойства которых изучаются после записи интенсивности излучения, по всей поверхности формируется изображение, соответствующее данному образцу, а также морфология этой же поверхности, то есть ее рельеф.The simplest implementation of scanning devices according to the present invention is as follows. The probe, which can be made of a material that is opaque to radiation (e.g. silicon), with a surface that is transparent to radiation (silicon oxide), or a transparent material (such as silicon nitride), is completely coated with a thin layer of opaque material (e.g. gold) . One of the methods described above removes part of the opaque material from the top of the tip of the probe with the formation of an output aperture. Also, a coating of opaque material or part thereof is removed from a portion of the probe holder from the side opposite to the tip. Radiation 24 (Fig. 14a, b) and 26 (Fig. 14c, d) are supplied to the back of the probe. This radiation, distributed over the entire surface of the reverse side of the probe or penetrating through the formed input aperture 16 into a surface transparent for radiation 13 or into a transparent body, propagates along the probe or its surface and reaches the output aperture 15. The radiation that emanated through it is used for work with sample 4. In one case, this radiation, penetrating into the material of the sample, causes its transformation. Thus, information can be recorded optically. In another case, this radiation, penetrating through the thickness of the sample, leaves it 21a with a characteristic intensity and enters the objective 12a of the MBOP radiation detector, after which the parameters are recorded. That is, a point of a flat sample with given coordinates (x; y) corresponds to a certain intensity of transmitted radiation and a certain coordinate (z) on a vertical scale. After scanning, a complete picture of the transmitted radiation is formed over the entire surface. In relation to devices that are carriers of information, the described procedure will be the reading of information placed on its carrier - a substrate with a sample. A plastic flat material can be used as a substrate, and as a sample, a material, when exposed to radiation on which it changes its properties. In relation to materials whose properties are studied after recording the radiation intensity, an image corresponding to a given sample is formed over the entire surface, as well as the morphology of the same surface, that is, its relief.

Один из вариантов сканирующих приборов, который согласно настоящему изобретению можно реализовать, заключается в совмещении средства контроля положения зонда относительно образца со средством, собственно производящим его исследование. Если на обратную сторону зонда направить излучение от лазерного источника, то, как изображено на Фиг.15а-с, часть такого излучения 27 будет отражено (сигнал для системы контроля положения зонда), а часть 20 пройдет через зонд (или по его прозрачной поверхности) и выйдет 21 через нижнюю апертуру 15 на вершине острия (излучение, которое будет направлено на образец).One of the options for scanning devices, which according to the present invention can be implemented, is to combine means for monitoring the position of the probe relative to the sample with the means actually conducting its research. If radiation from a laser source is directed to the back of the probe, then, as shown in Fig. 15a-c, part of such radiation 27 will be reflected (signal for the probe position monitoring system), and part 20 will pass through the probe (or along its transparent surface) and comes out 21 through the lower aperture 15 on top of the tip (the radiation that will be directed to the sample).

Другой вариант исполнения сканирующих приборов состоит в том, чтобы излучение 24 (Фиг.16а, b) от одного источника направить на левер с обратной стороны зонда, а излучение от другого источника 26 на держатель 8 с обратной стороны зонда, где имеется верхняя апертура 16. Через эту апертуру излучение распространится 20 в зонде (или на его поверхности) и выйдет 21 из зонда через нижнюю апертуру 15 непосредственно к образцу. Отраженное излучение 27 от первого источника будет использовано для системы контроля положения зонда. При этом возможен вариант, при котором оба источника излучения представлены одним лазером. В таком случае возможно использование системы линз для разведения лучей. Для удобства работы пользователя при настройке сканирующих приборов к работе настоящим изобретением предусмотрено исполнение кантилеверного зонда таким образом, чтобы держатель его имел достаточную протяженность. Это необходимо для того, чтобы, прижав его прижимом 28 за держатель 8 к держателю сканирующих приборов 29, можно было бы удобно работать по фокусированию излучения 26 от второго источника на верхнюю апертуру 16. Если размер кантилеверного зонда для АСМ составляет величину, обычно варьируемую в пределах от 3 мм до 4 мм, то в случае зонда для сканирующих приборов, рассматриваемого в настоящем изобретении, эта величина может составлять величину в пределах от 5 мм до 6 мм.Another embodiment of the scanning devices consists in directing the radiation 24 (Fig. 16a, b) from one source to the lever on the back of the probe, and the radiation from another source 26 to the holder 8 on the back of the probe, where there is an upper aperture 16. Through this aperture, radiation will propagate 20 in the probe (or on its surface) and exit 21 from the probe through the lower aperture 15 directly to the sample. The reflected radiation 27 from the first source will be used for the probe position monitoring system. In this case, a variant is possible in which both radiation sources are represented by a single laser. In this case, it is possible to use a lens system for breeding rays. For the convenience of the user when setting up scanning devices for work, the present invention provides for the execution of a cantilever probe so that its holder has a sufficient length. This is necessary so that by pressing it with the clamp 28 on the holder 8 to the holder of the scanning devices 29, it would be convenient to focus the radiation 26 from the second source onto the upper aperture 16. If the size of the cantilever probe for the AFM is a value that usually varies within from 3 mm to 4 mm, then in the case of the probe for scanning devices considered in the present invention, this value can be a value in the range from 5 mm to 6 mm.

В настоящем изобретении также предусмотрена возможность, используя зонд, провести анализ излучения, прошедшего через образец. В этом случае на образец 4 (Фиг.17) подается излучение 30, которое, пройдя через него, приобретает характерную структуру интенсивности 31 и через нижнюю апертуру зонда 15 попадает в зонд. Распространяясь 20 по зонду (или его поверхности, если используется кремниевый зонд), благодаря непрозрачному покрытию 14, оно затем выходит через верхнюю апертуру 16 зонда, размещенную на обратной стороне держателя 8. При этом система контроля положения зонда относительно образца через излучение 24 и его отражение 27 позволяет осуществить сканирование по всей поверхности образца. Для устройств носителей информации описанный способ позволяет считывать данные, записанные на материале образца.The present invention also provides the possibility, using a probe, to analyze the radiation transmitted through the sample. In this case, radiation 30 is supplied to sample 4 (Fig. 17), which, passing through it, acquires a characteristic intensity structure 31 and enters the probe through the lower aperture of the probe 15. Spreading 20 along the probe (or its surface, if a silicon probe is used), due to the opaque coating 14, it then exits through the upper aperture 16 of the probe located on the back of the holder 8. In this case, the system for monitoring the position of the probe relative to the sample through radiation 24 and its reflection 27 allows scanning over the entire surface of the sample. For media devices, the described method allows to read data recorded on the sample material.

В предложенном настоящим изобретением приборе с учетом уже описанных выше вариантов его реализации предлагаются конструкции прибора, позволяющие достичь еще более совершенных результатов: его разрешающая способность и производительность могут быть дополнительно увеличены.In the device proposed by the present invention, taking into account the already described variants of its implementation, device designs are proposed that allow achieving even more perfect results: its resolution and performance can be further increased.

Одним из таких улучшений является предложенная в настоящем изобретении конструкция, использующая два источника некогерентного излучения 24а, b (Фиг.18). После распространения в зонде излучения от них, проходя через нижнюю апертуру 15, выходят, образуя на поверхности образца два “пятна” с некоторым радиусом (“пятно” - это круг с примерно равной интенсивностью излучения, получаемый на плоскости, перпендикулярной направлению распространения пучка излучения). При определенном расположении источников можно добиться такого положение этих “пятен”, что их пересечение будет иметь сколь угодно малую величину. Причем интенсивность излучения на этом участке образца будет суммарной. Если при этом настроить детектор МБОП с объективом 12а (Фиг.10а) на “пороговую интенсивность” излучения (равную суммарной величине двух источников), ниже которой регистрация такого излучения не происходит, то в результате можно достичь увеличения разрешающей способности прибора. В случаях использования такого прибора для осуществления литографических работ (или записи информации), выбор уровня “пороговой интенсивности” определяется величиной энергии, необходимой для протекания химической реакции в фоторезисте при его засветке (или способности материала образца-носителя информации изменить свои свойства). Если применить несколько источников излучения, размещенных по периметру кольца с центром, совпадающим с осью острия, то можно добиться оптимальной формы пересечения “пятен” с повышенной интенсивностью. Логичным является применение источника излучения, имеющего кольцевую апертуру, через которую такое излучение выходит из источника. Причем центр такой апертуры также следует размещать на оси острия. Изменяя расстояние от кольцевой апертуры до зонда (приближая или удаляя ее вдоль оси острия), можно добиться самого оптимального результирующего “пятна”, найдя, таким образом, “его фокусное” положение.One of these improvements is the design proposed in the present invention, using two sources of incoherent radiation 24a, b (Fig. 18). After the radiation propagates in the probe from them, passing through the lower aperture 15, they exit, forming two “spots” with a certain radius on the sample surface (a “spot” is a circle with approximately equal radiation intensity, obtained on a plane perpendicular to the direction of propagation of the radiation beam) . With a certain arrangement of sources, one can achieve the position of these “spots” such that their intersection will have an arbitrarily small value. Moreover, the radiation intensity in this section of the sample will be total. If at the same time, the MBOP detector with the lens 12a (Fig. 10a) is tuned to the “threshold intensity” of radiation (equal to the total value of two sources), below which such radiation is not detected, then as a result, an increase in the resolution of the device can be achieved. In cases where such a device is used for lithographic work (or recording information), the choice of the “threshold intensity” level is determined by the amount of energy required for the chemical reaction to occur in the photoresist when it is exposed (or the ability of the material of the information carrier to change its properties). If we apply several radiation sources placed around the perimeter of the ring with a center coinciding with the axis of the tip, then we can achieve the optimal form of intersection of “spots” with increased intensity. It is logical to use a radiation source having an annular aperture through which such radiation leaves the source. Moreover, the center of such an aperture should also be placed on the axis of the tip. By changing the distance from the annular aperture to the probe (approximating or removing it along the axis of the tip), we can achieve the most optimal resulting “spot”, thus finding “its focal” position.

Для целей увеличения разрешающей способности сканирующих приборов важным элементом должно стать использование интерференции. Если обеспечить условия интерференции излучения, которое направляется на образец, то, таким образом, можно добиться уменьшения размера активного пятна, падающего на образец. Это может быть достигнуто, соответственно, в максимуме интерференционной картины. Идеальным в этом случае будет круглое пятно, в центре центрально-симметричной картины интерференционных колец. Для реализации этого варианта настоящим изобретением предлагается конструкция, использующая два источника когерентного луча излучения (Фиг.15а, b). Конструкция таких источников реализована следующим образом. От лазерного источника 11 распространяется когерентное излучение. Оно раскладывается на два луча когерентного излучения 24 при помощи зеркала 31. Далее эти два луча проходят через зонд, выходя из нижней апертуры 15 зонда. Выходящее излучение формирует центрально-симметричную интерференционную картину: концентрические круги с центральным круглым “пятном”. Правильный подбор зеркала 31 и его относительного положения с лазерным источником 11 и зондом обеспечивает максимум “пятна” в плоскости образца в виде круга с малым радиусом, что и обеспечивает увеличение разрешающей способности прибора. Далее, объектив 12а (Фиг.10а), как описано выше, настраивают на “пороговую” интенсивность излучения и активное “пятно” начинает работать как самостоятельный элемент прибора (выводя все остальные элементы интерференционной картины за пределы полезного сигнала). Этого можно добиться, еще и используя второй зонд, расположенный по другую сторону от образца по отношению к формирующему интерференционную картину (см. ниже описание такой конструкции). Тогда необходимо будет добиться попадания центрального круглого “пятна” непосредственно в нижнюю апертуру острия зонда, принимающего излучения. Как показано на Фиг.19b, разложение на два луча когерентного излучения для дальнейшего формирования интерференционной картины может происходить при помощи тонкого слоя 22 на поверхности острия непосредственно перед выходом излучения 20 из апертуры 15. В частности, этим слоем может служить окисный слой на поверхности острия, выполненного из нитрида кремния, технология изготовления которого изображена на Фиг.13b.For the purpose of increasing the resolution of scanning devices, the use of interference should be an important element. If the conditions for interference of radiation that is directed to the sample are ensured, then, in this way, it is possible to reduce the size of the active spot incident on the sample. This can be achieved, respectively, at the maximum of the interference pattern. An ideal in this case would be a round spot in the center of a centrally symmetric pattern of interference rings. To implement this option, the present invention proposes a design using two sources of a coherent radiation beam (Figa, b). The design of such sources is implemented as follows. Coherent radiation propagates from the laser source 11. It is decomposed into two beams of coherent radiation 24 using a mirror 31. Further, these two beams pass through the probe, leaving the lower aperture 15 of the probe. The output radiation forms a centrally symmetric interference pattern: concentric circles with a central round “spot”. The correct selection of the mirror 31 and its relative position with the laser source 11 and the probe provides a maximum of a “spot” in the plane of the sample in the form of a circle with a small radius, which ensures an increase in the resolution of the device. Further, the lens 12a (Fig. 10a), as described above, is set to a “threshold” radiation intensity and the active “spot” begins to work as an independent element of the device (taking all other elements of the interference pattern beyond the useful signal). This can be achieved by using a second probe located on the other side of the sample with respect to forming an interference pattern (see the description of such a design below). Then it will be necessary to get the central round “spot” directly into the lower aperture of the tip of the probe receiving the radiation. As shown in FIG. 19b, the decomposition into two beams of coherent radiation for further formation of the interference pattern can occur using a thin layer 22 on the surface of the tip immediately before the radiation 20 leaves the aperture 15. In particular, this layer can be an oxide layer on the surface of the tip, made of silicon nitride, the manufacturing technology of which is shown in Fig.13b.

Интересным следствием применения такого варианта прибора может явиться получение динамической картины при использовании динамической интерференции, когда максимум излучения, попадающего на исследуемый объект, имеет смещение во времени в виде расходящихся концентрических кругов. Это особенно интересно для изучения процессов “ин сито”. При постоянной времени смещения полос интерференции можно получить “покадровый” анализ происходящего в объекте процесса.An interesting consequence of the use of such a variant of the device may be to obtain a dynamic picture when using dynamic interference, when the maximum of the radiation incident on the object under study has a time shift in the form of diverging concentric circles. This is especially interesting for studying the processes of “insito”. With a constant shift time of interference fringes, one can obtain a “frame-by-frame” analysis of the process occurring in the object.

Эффекты “пересечения двойных пятен” и “интерференционного пятна”, описанные выше, можно использовать и в случае работы с классическими зондами МБОП, а именно, со световодами. Однако более эффективно это будет для зонда, предлагаемого настоящим изобретением.The effects of “intersection of double spots” and “interference spot” described above can also be used in the case of work with classical MBOP probes, namely, with optical fibers. However, this will be more effective for the probe of the present invention.

Настоящее изобретение предлагает также вариант прибора (изображенный на Фиг.20), который содержит средство для генерации излучения, расположенное в зонде. Если на обратную сторону зонда направить поток частиц (например, электронов при работе в вакууме) или излучения 35, то при их попадании в функциональный слой 17, минуя прозрачное для них покрытие 14а, они возбуждают кванты излучения 20, используемые в дальнейшем 21 для облучения образца при выходе из апертуры 15. При этом покрытие 14а является непрозрачным для излучения 24, используемого для реализации системы контроля положения зонда относительно образца. Такая конструкция позволяет увеличить производительность зонда.The present invention also provides a variant of the device (shown in FIG. 20), which comprises means for generating radiation located in the probe. If we direct the flow of particles (for example, electrons when working in a vacuum) or radiation 35 to the back of the probe, then when they get into the functional layer 17, bypassing the transparent coating 14a for them, they excite radiation quanta 20, which are used in the future 21 to irradiate the sample when leaving the aperture 15. In this case, the coating 14a is opaque to the radiation 24 used to implement a system for monitoring the position of the probe relative to the sample. This design allows you to increase the performance of the probe.

Известно, что при просвечивании образца потоком излучения и дальнейшем анализе прошедшей через него световой энергии при помощи зонда для МБОП, принимаемая зондом интенсивность прошедшего излучения велика и достаточна для регистрации. Однако соотношение “сигнал/шум” весьма невелико. В случае генерации собственного характерного излучения образца интенсивность свечения невелика, но соотношение “сигнал/шум” значительно по величине, поскольку сигнал от образца хоть и мал, но представлен на темном фоне. То есть имеет место хорошая контрастность. Предлагаемый в настоящем изобретении прибор имеет средство для усиления такого сигнала. Причем как один из наиболее удачных вариантов реализации следует рассматривать такой, в котором указанное средство усиления размещено в зонде. На Фиг.21а образец 4 облучается излучением 38. В результате такого облучения образец испускает характерное излучение 31, попадающее в нижнюю апертуру 15 зонда. В свою очередь функциональный слой 18, расположенный на поверхности острия, облучается излучением 36, которое попадает в зонд через верхнюю апертуру 16, расположенную в держателе 8 с обратной стороны зонда, и распространяется 37 по всему зонду, достигая функционального слоя 18. В результате такого облучения электроны функционального слоя 18 возбуждаются и переходят в квазистационарное состояние (“попадают в ловушку” с более высокой энергией). При попадании кванта характерного излучения 31 образца в материал функционального слоя он “сбрасывает” электрон с квазистационарного уровня возбуждения. В результате такого “сброса” электрон испускает несколько квантов излучения, переходя на свой стационарный уровень энергии (стационарную орбиту). Испущенные кванты излучения, распространяясь 39 по зонду, достигают верхней апертуры 16 и далее фиксируются приемным объективом сканирующих приборов для последующего анализа. То есть один квант характерного излучения образца порождает, таким образом, несколько квантов характерного излучения функционального слоя, которое затем фиксируется фотоприемником.It is known that when a sample is illuminated by a radiation flux and then the light energy transmitted through it is analyzed using a probe for MBOF, the transmitted radiation intensity received by the probe is high and sufficient for recording. However, the signal-to-noise ratio is very small. In the case of generation of the intrinsic characteristic radiation of the sample, the luminous intensity is small, but the signal-to-noise ratio is significant in magnitude, since the signal from the sample is small, but is presented against a dark background. That is, there is a good contrast. The device of the present invention has means for amplifying such a signal. Moreover, as one of the most successful options for implementation should be considered one in which the specified means of amplification is located in the probe. 21 a, sample 4 is irradiated with radiation 38. As a result of such irradiation, the sample emits characteristic radiation 31 falling into the lower aperture 15 of the probe. In turn, the functional layer 18, located on the surface of the tip, is irradiated with radiation 36, which enters the probe through the upper aperture 16, located in the holder 8 on the back of the probe, and propagates 37 throughout the probe, reaching the functional layer 18. As a result of such irradiation the electrons of the functional layer 18 are excited and go into a quasistationary state (“fall into a trap” with a higher energy). When a quantum of characteristic radiation of 31 samples enters the material of the functional layer, it “dumps” the electron from the quasistationary level of excitation. As a result of such a “reset,” an electron emits several radiation quanta, passing to its stationary energy level (stationary orbit). The emitted radiation quanta, propagating through the probe 39, reach the upper aperture 16 and are then fixed by the receiving lens of the scanning devices for subsequent analysis. That is, one quantum of the characteristic radiation of the sample thus generates several quanta of the characteristic radiation of the functional layer, which is then detected by the photodetector.

Наиболее удачным решением вышеописанного варианта прибора является конструкция, изображенная на Фиг.21b. Здесь образец находится с противоположной стороны тонкой прозрачной подложки относительно зонда, которая может быть выполнена из окисла кремния или нитрида кремния (а также из сапфира, алмаза или алмазоподобного материала). Причем толщина такой подложки может составлять всего 50-100 нм. Подвод (опускание на обратную поверхность подложки) зонда до контакта с нею осуществляется системой контроля положения зонда относительно образца, к примеру так, как это показано на Фиг.21а, а именно через подачу излучения 24 и его отражения 27. После этого источник излучения 24 отключается и мы имеем контакт между вершиной острия 10 зонда и обратной стороной подложки 23. На образец подается излучение 30, которое, проникая через него, проходит материал подложки и попадает в нижнюю апертуру острия 10. Распространяясь 20 в материале зонда, излучение достигает функционального слоя 17, который облучается излучением 36 (в качестве такого излучения можно применить, например, кванты ультрафиолетового диапазона). При попадании в слой 18 квант излучения 20, прошедшего через образец 4 излучения 31, возбуждает несколько квантов излучения 39, которые затем регистрируются приемным объективом сканирующего прибора. Преимуществом такой конструкции прибора является то, что сканирование (скольжение) острия зонда по ровной плоскости обратной стороны подложки осуществляется в полном контакте. С одной стороны, это происходит в одной плоскости, что дает корректную трактовку изображения. С другой стороны, осуществляется без вероятной деформации (повреждения) образца и, наконец, с третьей стороны, позволяет собирать максимальный поток излучения 31, несущего полезную информацию с данной плоскостной координаты (x; у), и не собирать постороннюю, то есть тем самым, увеличивая соотношение “сигнал/шум”. При этом гарантией наличия постоянного контакта может служить тот факт, что система контроля положения зонда относительно образца может намеренно и с “запасом надавить” зондом на подложку. Это обеспечит отсутствие зазора между вершиной острия и поверхностью подложки при горизонтальном сканировании, который мог бы появиться из-за вероятного наличия угла между плоскостью подложки и плоскостью перемещения держателя прибора.The most successful solution to the above-described variant of the device is the design shown in Fig.21b. Here, the sample is located on the opposite side of a thin transparent substrate relative to the probe, which can be made of silicon oxide or silicon nitride (as well as sapphire, diamond or diamond-like material). Moreover, the thickness of such a substrate can be as little as 50-100 nm. The supply (lowering to the back surface of the substrate) of the probe before contact with it is carried out by a system for monitoring the position of the probe relative to the sample, for example, as shown in Fig. 21a, namely through the supply of radiation 24 and its reflection 27. After that, the radiation source 24 is turned off and we have contact between the tip tip of the probe 10 and the back of the substrate 23. Radiation 30 is supplied to the sample, which penetrates through it, passes the substrate material and enters the lower aperture of the tip 10. Propagating 20 in the probe material, the radiation reaches it shields the functional layer 17, which is irradiated with radiation 36 (for example, ultraviolet quanta can be used as such radiation). When a quantum of radiation 20 that passes through a sample 4 of radiation 31 enters the layer 18, it excites several radiation quanta 39, which are then detected by the receiving lens of the scanning device. The advantage of this device design is that scanning (sliding) the tip of the probe along a flat plane of the reverse side of the substrate is carried out in full contact. On the one hand, this happens in one plane, which gives the correct interpretation of the image. On the other hand, it is carried out without probable deformation (damage) of the sample and, finally, on the third side, it allows you to collect the maximum radiation flux 31 that carries useful information from a given plane coordinate (x; y), and not to collect extraneous, that is, increasing the signal-to-noise ratio. In this case, the guarantee of constant contact can be the fact that the system for monitoring the position of the probe relative to the sample can intentionally and with a “margin” push the probe onto the substrate. This will ensure that there is no gap between the tip of the tip and the surface of the substrate during horizontal scanning, which could appear due to the likely presence of an angle between the plane of the substrate and the plane of movement of the device holder.

Лучшим вариантом сканирующего прибора согласно настоящему изобретению, в котором могут быть реализованы все его новшества, является конструкция, использующая два зонда, направленных друг к другу с помещенной между ними подложкой с образцом. В общем виде, в качестве зонда, испускающего излучение, которое затем проходит через образец и фиксируется другим зондом, может быть применен обычный зонд для МБОП, а именно, на основе световода. Также и второй зонд, принимающий излучение, может быть изготовлен классическим способом из световода. Однако размер “пятна”, выходящего из заостренного конца такого зонда, может в несколько раз превосходить апертуру на вершине зонда. Поэтому, наиболее эффективный вариант решения, которое предлагает настоящее изобретение, заключается в применении с обеих сторон кантилеверных зондов, как показано на Фиг.22. Здесь излучение 24а, падающее на левер с обратной стороны нижнего зонда и отражаясь 27а от него, обеспечивает обратную связь для системы контроля положения зонда (его острия) относительно образца 4. Излучение 26 через верхнюю апертуру 16а проникает в нижний зонд, распространяясь 20 в нем до апертуры 15а, через которую оно затем выходит. Выходящее излучение 21, проникая через образец 4 и частично поглощаясь в нем, выходит из него 31, неся необходимую информацию. Это излучение 31 затем попадает в апертуру 15b и, распространясь 25 по поверхностному слою 13, достигает апертуры 16b. Выходящее из апертуры 16b излучение 32 попадает в приемный объектив сканирующих приборов для последующего анализа. Очевидно, что описанный здесь согласно Фиг.18 сканирующий прибор содержит средства, позволяющие достичь от нижнего зонда тех же свойств, что и от верхнего зонда. То есть фактически сканирующий прибор имеет два зонда, направленных друг на друга вершинами острий, при котором один будет подавать в нужную точку (x; у) образца излучение, а другой осуществлять прием излучения, прошедшего через данную точку (x; у) образца. Такой прибор позволит снизить “шум”, то есть увеличить соотношение “сигнал/шум”, что значительно повысит разрешающую способность прибора. Одним из наиболее удачных вариантов такой конструкции прибора является тот, в котором в качестве “верхнего” зонда, движущегося по развитому рельефу поверхности образца, используется кремниевый зонд с острием, имеющим малый угол при вершине и малый радиус закругления такой вершины, с прозрачным поверхностным слоем из окисла кремния. Такой зонд, как указывалось выше, имеет лучшую возможность “залезть” во все щели, тем самым снизить вероятность приема излучения рассеянного на элементах образца, не совпадающих с координатами вершины “нижнего” острия зонда. А в качестве “нижнего” - зонд, выполненный из нитрида кремния, который будет сканировать по плоской поверхности подложки с образцом, с обратной стороны от него, находясь в постоянном контакте с подложкой. Причем, если материалом подложки будет являться также нитрид кремния, то снижается эффект преломления (рассеяния) излучения, который может иметь место при переходе излучением границы двух разнородных материалов. При этом возможны, соответственно, два варианта подачи облучающего излучения на образец: как через “нижний” зонд с приемом такого излучения “верхним” зондом, так и наоборот. Для еще более удачной реализации такого варианта прибора, предлагаемого настоящим изобретением, возможно применение так называемых монокристаллических вискерных зондов, получаемых методом эпитаксиального роста [10]. Благодаря такому методу изготовления зонда можно получить острие высотой 50 мкм и более. В таком случае, держатель зонда можно расположить параллельно образу, при этом его не задевая. Тогда ось острия будет строго перпендикулярна поверхности образца, что облегчает задачу направления входящего в нижнюю апертуру (или исходящего из нее) излучения строго перпендикулярно, что также увеличивает разрешающую способность прибора в целом. “Нижний” зонд (из нитрида кремния) также можно расположить параллельно поверхности подложки образца (то есть, ось самого острия - перпендикулярно), так как, несмотря на малую величину высоты такого острия, плоская поверхность подложки позволит работать такому зонду, “не цепляясь” за его держатель. В общем виде порядок подготовки такого прибора к сканированию, как и само сканирование может выглядеть следующим образом. Средством позиционирования два зонда (“верхний” и “нижний”) направляются друг на друга. Системой юстировки относительного положения (средством позиционирования) вершин зондов путем подачи излучения через вершину одного зонда и прием вершиной другого добиваются максимального соотношения “шум/сигнал”. Координаты зондов фиксируются компьютером, входящим в систему контроля относительного их положения. При этом возможно использование специальной подложки без образца, которая может вводиться между вершинами зондов. После этого зонды разводятся. В пространство между ними вводится подложка с образцом. Затем осуществляется подвод зондов к поверхности подложки и образца. После этих процедур начинается сканирование и производство работ над образцом. Оптимальным при этом является подача перемещения сканирования через держатель прибора, на котором закреплена подложка с образцом, таким образом, что держатели зондов относительно прибора не перемещаются. То есть они остаются неподвижными. Подвижной во время сканирования является подложка. Вершина “нижнего” зонда все время прилегает к поверхности, а вершина верхнего - перемещается вверх-вниз, повторяя рельеф поверхности образца. В некоторых случаях более оптимальным может явиться фиксация и вершины “верхнего” зонда на определенном расстоянии от исследуемого образца. То есть вершины обоих зондов в таком случае остаются неподвижными в течение всего сканирования: “нижний” - в контакте с поверхностью подложки образца, “верхний” - на дистанции от поверхности образца.The best version of the scanning device according to the present invention, in which all its innovations can be implemented, is a design using two probes directed towards each other with a substrate with a sample placed between them. In general, as a probe that emits radiation, which then passes through the sample and is fixed by another probe, a conventional probe for MBOF can be used, namely, based on a fiber. Also, the second probe receiving the radiation can be made in a classical way from a fiber. However, the size of the “spot” emerging from the pointed end of such a probe can be several times larger than the aperture at the top of the probe. Therefore, the most effective solution that the present invention proposes is to use cantilever probes on both sides, as shown in FIG. Here, radiation 24a incident on the lever from the back of the lower probe and reflected 27a from it provides feedback for the control system of the position of the probe (its tip) relative to the sample 4. Radiation 26 penetrates the lower probe through the upper aperture 16a, propagating 20 aperture 15a through which it then exits. The output radiation 21, penetrating through the sample 4 and partially absorbed in it, comes out of it 31, carrying the necessary information. This radiation 31 then enters the aperture 15b and, propagating 25 along the surface layer 13, reaches the aperture 16b. The radiation 32 emerging from the aperture 16b enters the receiving lens of the scanning devices for subsequent analysis. It is obvious that the scanning device described here according to FIG. 18 contains means for achieving the same properties from the lower probe as from the upper probe. That is, in fact, the scanning device has two probes directed at each other by the tips of the tips, at which one will supply radiation to the desired point (x; y) of the sample, and the other will receive radiation passing through this point (x; y) of the sample. Such a device will reduce the “noise”, that is, increase the signal-to-noise ratio, which will significantly increase the resolution of the device. One of the most successful variants of such a device design is one in which a silicon probe with a tip having a small angle at the apex and a small radius of curvature of such a peak with a transparent surface layer of silicon oxide. Such a probe, as mentioned above, has the best opportunity to "climb" into all slots, thereby reducing the probability of receiving radiation scattered by the sample elements that do not coincide with the coordinates of the tip of the "lower" tip of the probe. And as the “lower” one is a probe made of silicon nitride, which will scan along the flat surface of the substrate with the sample, on the back side of it, being in constant contact with the substrate. Moreover, if the substrate material will also be silicon nitride, then the effect of refraction (scattering) of radiation, which can occur when radiation passes the boundary of two dissimilar materials, is reduced. In this case, there are, accordingly, two options for supplying irradiating radiation to the sample: both through the “lower” probe with the reception of such radiation by the “upper” probe, and vice versa. For an even more successful implementation of such a variant of the device proposed by the present invention, it is possible to use the so-called single-crystal whisker probes obtained by epitaxial growth [10]. Thanks to this method of manufacturing the probe, a tip with a height of 50 μm or more can be obtained. In this case, the probe holder can be positioned parallel to the image, without touching it. Then the axis of the tip will be strictly perpendicular to the surface of the sample, which facilitates the task of directing the radiation entering the lower aperture (or outgoing from it) strictly perpendicularly, which also increases the resolution of the device as a whole. The “lower” probe (made of silicon nitride) can also be placed parallel to the surface of the sample substrate (that is, the axis of the tip itself is perpendicular), since, despite the small height of such a tip, the flat surface of the substrate will allow such a probe to work without “clinging” for its holder. In general terms, the procedure for preparing such a device for scanning, as well as the scanning itself, may look as follows. By means of positioning, two probes (“upper” and “lower”) are directed at each other. By adjusting the relative position (positioning means) of the probe vertices by applying radiation through the top of one probe and receiving the vertex of another, the maximum noise / signal ratio is achieved. The coordinates of the probes are recorded by a computer that is part of the control system for their relative position. In this case, it is possible to use a special substrate without a sample, which can be introduced between the tips of the probes. After this, the probes are diluted. A substrate with a sample is introduced into the space between them. Then the probes are supplied to the surface of the substrate and the sample. After these procedures, scanning and production work on the sample begins. In this case, it is optimal to feed the scanning movement through the device holder on which the substrate with the sample is fixed, so that the probe holders do not move relative to the device. That is, they remain motionless. Movable during scanning is the substrate. The top of the “lower” probe is always adjacent to the surface, and the top of the upper probe moves up and down, repeating the relief of the surface of the sample. In some cases, fixing the tops of the “upper” probe at a certain distance from the test sample may be more optimal. That is, the vertices of both probes in this case remain stationary during the entire scan: the “lower” one is in contact with the surface of the sample substrate, the “upper” one is at a distance from the surface of the sample.

Для задач записи информации на оптический носитель и считывания ее с него возможен следующий вариант реализации настоящего изобретения. Так же, как и в предыдущем абзаце применяются два зонда, вершины которых расположены друг напротив друга. Между ними помещается образец (активное вещество), зажатый двумя плоскими тонкими подложками. Получившийся “сэндвич” “обжимается” вершинами обоих зондов, подобно пластине, попавшей между двумя зубьями верхней и нижней челюстей какого-либо животного (Фиг.23). Иными словами, оба зонда своими вершинами касаются подложек 23а, b образца 4, расположенных по обе его стороны. При этом излучение 26, падая через первый зонд и проходя через его нижнюю апертуру, попадает в образец 4, а затем и в нижнюю апертуру другого зонда. Выходящее из второго зонда излучение фиксируется приемным объективом сканирующего прибора. Если подавать излучение 26 большой интенсивности, а приемный объектив отключить (или отвести), можно вызвать изменение свойств образца. Таким образом, например, произвести запись информации на носитель. Если же подать неинтенсивное излучение и включить приемный объектив, то, в таком случае, процесс следует рассматривать как считывание информации с носителя.For the tasks of recording information on an optical medium and reading it from it, the following embodiment of the present invention is possible. Just as in the previous paragraph, two probes are used, the vertices of which are located opposite each other. A sample (active substance) is placed between them, sandwiched by two flat thin substrates. The resulting “sandwich” is “crimped” by the vertices of both probes, like a plate caught between two teeth of the upper and lower jaws of an animal (Fig. 23). In other words, both probes with their vertices touch the substrates 23a, b of sample 4 located on both sides of it. In this case, radiation 26, incident through the first probe and passing through its lower aperture, enters sample 4, and then into the lower aperture of another probe. The radiation emerging from the second probe is fixed by the receiving lens of the scanning device. If radiation of high intensity 26 is supplied and the receiving lens is turned off (or diverted), a change in the properties of the sample can be caused. Thus, for example, to record information on the medium. If you apply non-intense radiation and turn on the receiving lens, then, in this case, the process should be considered as reading information from the carrier.

В данном варианте прибора также может быть реализован случай, когда зонд, вместо подачи на образец облучающего излучения (которое, проходя через образец, фиксируется принимающим зондом), подает в данную его точку с плоскостными координатами (x; у) излучение, возбуждающее собственное характерное излучение образца. Это излучение дальше может быть зарегистрировано (принято) и усилено принимающим зондом, расположенным, соответственно, по другую сторону от образца.In this variant of the device, the case can also be realized when, instead of supplying irradiating radiation to the sample (which, passing through the sample, is fixed by the receiving probe), it emits radiation at its point with plane coordinates (x; y) that excites its own characteristic radiation sample. This radiation can be further detected (received) and amplified by a receiving probe located, respectively, on the other side of the sample.

Пример 4.Example 4

Наряду с вышеперечисленными примерами применения настоящего изобретения, настоящее изобретение также позволяет решать задачи по литографии с нанометрическим разрешением, причем для увеличения производительности может быть использована такая конструкция прибора, которая включает по крайней мере два параллельно самостоятельно работающих зонда (или по крайней мере две пары зондов для случая, когда вершины острий двух зондов в каждой паре смотрят друг на друга). На Фиг.24 изображен вариант реализации такой конструкции. По периметру подложки размещены левера с остриями для реализации плоскопараллельного размещения подложки со множеством острий относительно подложки с образцом (фоторезистом). Благодаря такой конструкции возможно производство однотипных воздействий на образец. Причем задавая расстояние между остриями на такой подложке (не расположенных на гибких частях подложки - леверах), можно варьировать масштаб мультипликации (масштабирования) одинаковых воздействий на все поверхности образца. При этом расстояния между остриями могут варьироваться от 1 мкм до 1000 мкм и более.Along with the above examples of application of the present invention, the present invention also allows to solve the tasks of lithography with nanometric resolution, and to increase productivity, such a device design that includes at least two independently working probes (or at least two pairs of probes for cases when the tops of the tips of two probes in each pair look at each other). On Fig shows an embodiment of such a design. Along the perimeter of the substrate there are levers with points for the implementation of plane-parallel placement of the substrate with many points relative to the substrate with the sample (photoresist). Thanks to this design, it is possible to produce the same effects on the sample. Moreover, by setting the distance between the points on such a substrate (not located on the flexible parts of the substrate — levers), one can vary the scale of multiplication (scaling) of the same effects on all surfaces of the sample. At the same time, the distances between the points can vary from 1 μm to 1000 μm or more.

ЛитератураLiterature

1. К.Itsumi, M.Kourogi and M.Ohtsu, Appl.Phys.Lett., 80, 2257 (2002).1. K. Itzumi, M. Kourogi and M. Ohtsu, Appl. Phys. Lett., 80, 2257 (2002).

2. W.Noell, M.Abraham, W.Ehrfeld, M.Lacher and K.Mayr, J.Micromech. Microeng., 8, 111 (1998).2. W. Noell, M. Abraham, W. Ehrfeld, M. Lacher and K. Mayr, J. Micromech. Microeng., 8, 111 (1998).

3. R.Eckert, J.Moritz Freyland, H.Gersen, H.Heinzelmann, G.Schwmann, W.Noell, U.Stauber and Nico F.De Rooij, Appl. Phys. Lett., 77, 3695 (2000).3. R. Eckert, J. Moritz Freyland, H. Gersen, H. Heinzelmann, G. Schwmann, W. Noell, U. Stauber and Nico F. De Rooij, Appl. Phys. Lett., 77, 3695 (2000).

4. Shimada, et al., US Patent 6,201,226, Mar.13, 2001.4. Shimada, et al., US Patent 6,201,226, Mar.13, 2001.

5. Shimada, et al., US Patent 6,333,497, Dec.25, 2001.5. Shimada, et al., US Patent 6,333,497, Dec.25, 2001.

6. Sasaki et al., US Patent 6,469.288, Oct.22, 2002.6. Sasaki et al., US Patent 6,469,288, Oct.22, 2002.

7. Sasaki et al., US Patent 6,545,276, Apr.8, 2003.7. Sasaki et al., US Patent 6,545,276, Apr. 8, 2003.

8. Bayer et al., US Patent 5,051,379, Sep.24, 1991.8. Bayer et al., US Patent 5,051,379, Sep.24, 1991.

9. Bayer et al., US Patent 5,242,541, Sep.7, 1993.9. Bayer et al., US Patent 5,242,541, Sep. 7, 1993.

10. Givargizov et al., US Patent 6,458,206 B1, Oct.1, 2002.10. Givargizov et al., US Patent 6,458,206 B1, Oct. 1, 2002.

Claims

1. The tip structure for scanning devices, comprising at least one probe, including at least one holder and at least one lever, at the end of which there is a tip, characterized in that the probe is made of a material opaque to radiation and contains a surface layer transparent to radiation, a coating that is opaque to radiation from the tip is applied to the probe surface, the specified coating is absent at the tip of the tip, forming a lower aperture.

2. The tip structure for scanning devices according to claim 1, characterized in that a coating that is opaque to radiation is deposited on the surface of the probe from the back of the tip, and there is no said coating that is opaque to radiation on a part of such a surface of the probe, forming an upper aperture.

3. The tip structure for scanning devices according to claim 1, characterized in that the probe on the side opposite to the tip has a coating that is at least partially transparent to one radiation and opaque to another.

4. The tip structure for scanning devices according to claim 3, characterized in that under the opaque coating or outside it on the surface of the tip structure and / or inside it there is a means for generating radiation and / or amplification of radiation incident on its surface.

5. The tip structure for scanning devices according to claim 4, characterized in that on the surface of the probe or its part there is a luminescent layer emitting radiation when any particles and / or radiation pass through it.

6. The tip structure for scanning devices according to claim 1, characterized in that, near the lower aperture, the radiation passes through at least one section of the material with a refractive index different from the refractive index of the material of the surface layer along which the radiation propagates in the probe.

7. The tip structure for scanning devices according to claim 6, characterized in that said at least one section of material with a different refractive index is in the body and / or on the surface of the tip.

8. The tip structure for scanning devices according to claim 7, characterized in that said at least one section of material with a different refractive index is the material of the sample and / or substrate on which it is located.

9. A method of manufacturing a tip structure for scanning devices, including creating a probe comprising at least one holder, at least one lever, at the end of which a tip is created, characterized in that the probe is made of a material opaque to radiation and transparent to radiation of the surface layer, an opaque coating for the radiation is applied to the probe from the tip, while at the top of the tip the radiation can be transmitted.

10. A method of manufacturing a tip structure for scanning devices according to claim 9, characterized in that the possibility of radiation passing through the tip of the tip is provided by removing an opaque coating from its surface using a focused particle beam, with the formation of a lower aperture.

11. A method of manufacturing a tip structure for scanning devices according to claim 9, characterized in that the possibility of radiation passing through the tip of the tip is provided by removing an opaque coating from its surface by mechanical abrasion, with the formation of a lower aperture.

12. A method of manufacturing a tip structure for scanning devices according to claim 9, characterized in that the possibility of radiation passing through the tip of the tip is ensured by removing an opaque coating from its surface by evaporation while passing through such a layer located at the tip of the tip by field emission electric current of direct or reverse polarity in vacuum in the presence of inert gas or without it, with the formation of a lower aperture.

13. A method of manufacturing a tip structure for scanning devices according to claim 9, characterized in that a coating of opaque material is applied to a portion of the surface of the probe from the opposite side of the tip.

14. A method of manufacturing a tip structure for scanning devices according to claim 9, characterized in that before applying a coating of material opaque to radiation or after it, a means is created in the probe or on its surface for generating radiation and / or amplifying radiation incident on it surface.

15. A scanning device containing a tip structure comprising a probe and a substrate with a sample made according to any one of claims 1 to 8,
means for monitoring the position of the probe relative to the substrate with the sample,
means for carrying out relative scanning of the sample and probe in contact mode or modulation of vibrations,
means for irradiating the sample with radiation or generating its own characteristic radiation of the sample,
means for enhancing the intrinsic characteristic radiation of the sample,
means for analyzing the amount of radiation scattered on the sample, or intrinsic characteristic radiation of the sample.

16. The scanning device according to clause 15, characterized in that it has a means for the controlled removal of part of the material from the top of the tip of the probe.

17. The scanning device according to clause 15, characterized in that it has a means for amplifying the intrinsic characteristic radiation of the sample, at least in the probe.

18. The scanning device according to item 15, wherein the means for monitoring the position of the probe relative to the sample is combined
with a tool that allows the study of the sample and / or exposure to it.

19. A scanning device containing
a probe including a holder, a lever, a tip and an aperture formed on top of the tip by a layer of opaque material,
a substrate with a sample
means for monitoring the position of the probe relative to the substrate with the sample,
means for carrying out relative scanning of the sample and probe in contact mode or modulation of vibrations,
means for irradiating the sample with radiation or generating its own characteristic radiation of the sample,
means for enhancing the intrinsic characteristic radiation of the sample,
means for analyzing the amount of radiation scattered on the sample or the intrinsic characteristic radiation of the sample,
during scanning, the tip tip of the probe is in constant contact with the substrate from its opposite side to the sample.

20. The scanning device according to claim 19, characterized in that it has means for the controlled removal of part of the material from the top of the tip of the probe.

21. The scanning device according to claim 19, characterized in that it has means for amplifying the detected radiation, at least in the probe.

22. The scanning device according to claim 19, characterized in that the substrate is made of the same material as the material of the probe through which the radiation propagates in the probe.

23. The scanning device according to claim 19, characterized in that the substrate is made of a material softer than the material from which the tip of the probe tip is made.

24. The scanning device according to claim 19, characterized in that the tip of the tip has a coating that increases its strength characteristics.

25. The scanning device according to claim 19, characterized in that it contains means for cleaning the surface of the substrate from the back of the sample.

26. The scanning device according A.25, characterized in that the means for cleaning the surface of the substrate contains a probe, and the tip of such a probe may have a chemically active coating on its surface or part thereof.

27. The scanning device containing
a probe including a holder, a lever, a tip and an aperture formed on top of the tip by a layer of opaque material,
a substrate with a sample
means for monitoring the position of the probe relative to the substrate with the sample,
means for carrying out relative scanning of the sample and probe in the contact or modulation mode, means for irradiating the sample with radiation or generating its own characteristic radiation of the sample,
means for enhancing the intrinsic characteristic radiation of the sample,
means for analyzing the amount of radiation scattered on the sample or the intrinsic characteristic radiation of the sample,
it additionally contains one probe, the tip of which points to the tip of the tip of the probe,
the sample is located between them,
the radiation supplied to the sample passes through the top of one probe, the radiation transmitted through the sample is received by the top of the other probe, during scanning, the top of one of the probes is in constant contact with the substrate on its opposite side from the sample.

28. The scanning device according to item 27, characterized in that it has a means for the controlled removal of part of the material from the top of the tip of the probe.

29. The scanning device according to item 27, wherein the means for irradiating the sample with radiation or generating its own characteristic radiation of the sample is in the probe.

30. The scanning device according to claim 27, characterized in that it comprises means for adjusting the position of the tip of the tip of one probe relative to the position of the tip of the tip of another probe.

31. The scanning device according to claim 27, characterized in that through the aperture at the top of the tip of one probe, the device emits radiation that is scattered on the sample and which is then received through the aperture at the top of the tip of another probe.

32. The scanning device according to claim 27, characterized in that it has a means for amplifying the detected radiation, at least in the probe.

33. The scanning device according to item 27, wherein the means for irradiating the sample contains at least two radiation sources.

34. The scanning device according to item 27, characterized in that it is configured to ensure constant scanning of the tip of one of the probes with the substrate from its opposite side from the sample during scanning, and the vertices of the other probe in constant contact with another substrate with its opposite from sample side so that the sample is between two substrates.

35. The scanning device according to p. 27, characterized in that it contains means for cleaning the surface of the substrate from the back of the sample.

36. The scanning device according to clause 35, wherein the means for cleaning the surface of the substrate is equipped with a probe with a chemically active coating on the surface of the probe or part thereof.