Зонд для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки, способ изготовления зонда и устройство зондового микроскопа

Зонд для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки, способ изготовления зонда и устройство зондового микроскопа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к зонду для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки, в котором кантилевер может быть оптически возбужден и измерен, к способу изготовления зонда и к зондовому устройству микроскопа.

Уровень техники

Атомно-силовой микроскоп, сканирующий туннельный микроскоп и аналогичные собирательно называют зондовым микроскопом. Хотя имеется такой зондовый микроскоп, как сканирующий туннельный микроскоп, в котором туннельный ток обнаруживается непосредственно, без использования кантилевера, устройство зондового микроскопа согласно настоящему изобретению относится к зондовому микроскопу, в котором использован зонд, имеющий кантилевер.

На фиг.1 содержатся перспективные виды, на каждом из которых показан традиционный зонд зондового микроскопа. На фиг.1(А) показан зонд, имеющий треугольный кантилевер, а на фиг.1(В) показан зонд, имеющий прямоугольный кантилевер.

На фиг.1(А) треугольный кантилевер 2302 выступает от основания 2301 зонда, а на свободном конце кантилевера предусмотрен наконечник 2303 зонда. На фиг.1(В) прямоугольный кантилевер 2305 выступает от основания 2304 зонда, а на свободном конце кантилевера предусмотрен наконечник 2306 зонда.

Основание зонда используют для манипулирования с зондом или для прикрепления зонда к устройству зондового микроскопа, и длина основания составляет приблизительно несколько миллиметров. Длина кантилевера составляет приблизительно от 100 до нескольких сотен микрометров, а толщина его составляет приблизительно несколько микрометров.

Ниже в качестве примера будет кратко описана работа атомно-силового микроскопа.

В атомно-силовом микроскопе величина атомной силы может быть получена путем обнаружения изгиба кантилевера, которая вызывается механическим взаимодействием (атомной силой) между наконечником зонда и образцом, или изменения резонансной частоты кантилевера. Атомно-силовой микроскоп представляет собой устройство, посредством которого отображается увеличенное изображение поверхности образца, исследуемой с использованием атомной силы, которая регистрируется при сканировании поверхности образца.

Кроме того, когда, например, наконечник зонда вышеупомянутого атомно-силового микроскопа заменяют на наконечник зонда, выполненный из ферромагнитного материала, может быть измерено состояние намагниченности образца. Поэтому путем замены наконечника зонда или аналогичного элемента может быть получен зондовый микроскоп, которым измеряют различные физические величины.

Для обнаружения силы путем использования кантилевера наиболее часто используют оптический рычаг.

На фиг.2 показано применение зонда при использовании оптического рычага, изображенного выше.

На этой фиг. основание 2401 зонда прикреплено к устройству зондового микроскопа. Наконечник 2403 зонда предусмотрен на свободном конце кантилевера 2402, который выдается от основания 2401 зонда, а образец 2404 размещен в устройстве зондового микроскопа. Когда кантилевер 2402 изгибается под действием силы, действующей между наконечником 2403 зонда и образцом 2404, оптический рычаг используют для обнаружения изменения угла кантилевера, вызванного этим изгибом. Лазерное излучение 2405 падает на заднюю поверхность кантилевера 2402, а направление лазерного излучения 2406, отраженного от указанной поверхности, обнаруживается фотодиодом 2407. В фотодиоде 2407 предусмотрены два чипа, прилегающих друг к другу, и поскольку отношение выходных токов двух чипов изменяется в соответствии с положением лазерного пятна, положение лазерного пятна может быть обнаружено. В тех случаях, когда расстояние от кантилевера 2402 до фотодиода 2407 увеличивают до приблизительно нескольких сантиметров, небольшое изменение угла кантилевера 2402 может быть увеличено и обнаружено.

На фиг.3 представлен вид в поперечном сечении, который иллюстрирует взаимное расположение образца и зонда.

На указанной фиг. позицией 2501 обозначено основание зонда, а позицией 2502 обозначен кантилевер зонда. Когда образец 2503 имеет волнистую форму или расположен наклонным образом, зонд 2501 и образец 2503 могут, что является недостатком, приходить в соприкосновение друг с другом даже при ином положении, чем положение наконечника 2505 зонда. Для исключения этого неблагоприятного соприкосновения установочный угол 2504 зонда 2501 часто задают с отклонением приблизительно на 10° относительно образца 2503.

Когда сила, действующая между наконечником зонда и образцом, имеет нелинейный характер, происходит изменение резонансной частоты кантилевера. Для обнаружения этого изменения необходимо обнаружить изменение резонансной частоты с помощью вибрации кантилевера. В случае, описанном выше, помимо способа с использованием оптического рычага также может быть применен способ, которым скорость отраженного света обнаруживают путем использования доплеровского сдвига.

На фиг.4 показано применение традиционного зонда при использовании лазерного доплеровского измерителя скорости.

На этой фиг. лазерный свет 2603, проходящий через оптическую систему 2602, отражается от задней поверхности кантилевера 2601 и возвращается в лазерный доплеровский измеритель скорости (непоказанный) снова через оптическую систему 2602.

Патентный документ 1: публикация №6-267408 заявки на патент Японии (стр.3 и 4 и фиг.1).

Непатентный документ 1: Andres M.V., Foulds K.W.H. and Tudor J., "Optical activation of a silicon vibrating sensor", Electronics Letters 9th October, 1986, vol. 22, №21.

Непатентный документ 2: Hane K., Suzuki K., "Self-excited vibration of self-supporting thin film caused by laser irradiation", Sensors and Actuators, A51 (1996), 176-182.

Сущность изобретения

Однако в соответствии со структурой известного зонда, описанного выше, когда образец помещают в вакуум, жидкость или в среду токсичного газа или в среду с высокой температурой или со сверхнизкой температурой (в дальнейшем эти упомянутые выше среды собирательно называются специфической средой), то необходимо, чтобы оптическая система была помещена в ту же самую специфическую среду, что и образец, или чтобы оптическая система была размещена в воздухе, тогда как зонд помещен в ту же самую специфическую среду, что и образец, и чтобы оптические измерения выполнялись через смотровое окно.

На фиг.5 показан схематический разрез устройства, используемого в случае, когда оптический рычаг помещен в вакуумную среду.

На этой фиг. позицией 2705 обозначены вакуумный контейнер и уплотнительные прокладки, а во внутренней части 2704 контейнера создано разрежение. Образец 2702 и зонд 2701 помещены в вакуумную среду, и образец 2702 расположен на механизме 2703 трехмерного сканирования. Источник 2707 лазерного света и фотодиод 2708, которые образуют оптический рычаг, помещены в вакуумную среду. Регулирование оптического рычага осуществляют путем регулирования положения источника 2707 лазерного света. В этом случае источник 2707 лазерного света установлен так, что его можно плавно и точно перемещать посредством точного механизма 2709 трехмерного привода. Поскольку источник 2707 лазерного света и точный механизм 2709 трехмерного привода помещены в вакуумную среду, для регулирования отраженного света лазерного пятна так, чтобы он падал на центр фотодиода 2708, то направление источника 2707 лазерного света регулируют путем приведения в действие точного механизма 2709 трехмерного привода, используя механическое или электрическое средство 2710, при контроле выходного тока фотодиода 2708 с помощью измерительного устройства (устройства отображения) 2711. На этом этапе положение лазерного пятна в некоторых случаях можно наблюдать визуально незащищенными глазами через смотровое окно 2706; однако по сравнению со случаем, когда вся оптическая система размещена в воздухе, регулировка является трудной. В частности, когда лазерное пятно не падает на зонд 2701 или фотодиод 2708 и когда эта ситуация не может контролироваться незащищенными глазами, измерительное устройство (устройство отображения) 2711 не может быть использовано, и в результате затрачивается значительно большее время на регулировку.

Как описано выше, хотя вся оптическая система может быть помещена в вакуумную или газовую среду, но предпочтительно не помещать оптические компоненты в жидкую среду, в высокотемпературную среду и т.п. Далее со ссылками на фиг.6 и 7 будут описаны два примера, в которых оптические компоненты размещены в воздухе.

На фиг.6 представлен схематический вид в поперечном разрезе устройства, в котором оптический рычаг образован через смотровое окно.

На этой фиг. позицией 2805 обозначены контейнер и уплотнительные прокладки, а внутренняя сторона 2804 контейнера находится в специфической среде, такой как вакуум, токсичный газ, жидкость, среда при сверхнизкой температуре или при высокой температуре.

Образец 2802 и зонд 2801 помещены в вышеупомянутую специфическую среду, а образец 2802 расположен на механизме 2803 трехмерного сканирования. С другой стороны, источник 2807 лазерного света и фотодиод 2808 расположены в воздухе и образуют оптический рычаг через смотровое окно 2806. Поскольку в описанной выше структуре свет преломляется смотровым окном 2806, то, когда смотровое окно 2806 деформируется вследствие разности давлений или температур между внутренней стороной и наружной стороной устройства, оптическим рычагом также неблагоприятно обнаруживается эта деформация. Вышеупомянутая проблема может быть устранена при уменьшении площади смотрового окна 2806 и увеличении его толщины; однако становится трудно осуществлять наблюдение за внутренней стороной 2804 устройства и в дополнение к этому также становится трудно заменять зонд 2801 через открытый участок, образующийся, когда стеклянную пластину смотрового окна 2806 удаляют.

На фиг.7 представлен схематический разрез устройства, в котором оптический элемент доплеровского измерителя скорости предусмотрен в воздухе.

На этой фиг. позицией 2905 обозначены контейнер и уплотнительные прокладки, а внутренняя сторона 2904 контейнера находится в специфической окружающей среде, такой как вакуум, токсичный газ, жидкость, среда при сверхнизкой температуре или при высокой температуре. Образец 2902 и зонд 2901 помещены в специфическую среду, а зонд 2902 расположен на механизме 2903 трехмерного сканирования. Через смотровое окно 2906 фокус объектива 2907 оптического микроскопа наводят на заднюю поверхность кантилевера зонда 2901 и с помощью этого объектива 2907 определяют скорость кантилевера, используя доплеровский измеритель скорости (непоказанный). Поскольку фокусное расстояние уменьшается при использовании объектива 2907, имеющего большее увеличение, то для повышения увеличения необходимо, чтобы расстояние 2908 между задней поверхностью кантилевера и объективом 2907 было как можно меньшим. Однако если принять во внимание механизм установки зонда 2901, то окажется, что нелегко уменьшить расстояние 2908 до 5 мм или меньше. В частности, когда внутренняя сторона находится в вакуумной среде, к смотровому окну 2906 прикладывается давление, и поэтому требуется, чтобы толщина окна была увеличена или чтобы площадь его была уменьшена. Однако при уменьшении площади становится трудно осуществлять наблюдение за внутренней стороной 2904 устройства и в дополнение к этому также становится трудно заменять зонд 2901 через образующееся отверстие, когда стеклянную пластину смотрового окна 2906 удаляют. Кроме того, при использовании толстого материала нельзя уменьшить расстояние 2908.

Если суммировать проблемы, описанные выше, то с зондовым микроскопом, предназначенным для наблюдения в соответствии с традиционной технологией образца, помещаемого в специфическую среду, связаны следующие проблемы:

(1) При помещении оптической системы в специфическую среду вместе с образцом устройство неизбежно становится сложным, а его размеры также неизбежно возрастают; следовательно, юстировка оптической системы становится трудной.

(2) В устройстве, в котором оптическая система размещена в воздухе и в котором образец и зонд помещены в специфическую среду, смотровое окно, предусмотренное между зондом и оптической системой, может уменьшать степень свободы при проектировании оптической системы или в некоторых случаях может обуславливать оптическую деформацию.

(3) Зонд, помещенный в специфическую среду, нелегко заменять.

(4) Нелегко осуществлять оптическое наблюдение или измерение большого числа кантилеверов.

С учетом ситуаций, описанных выше, задача настоящего изобретения заключается в создании зонда для зондового микроскопа, способа изготовления зонда и устройства зондового микроскопа, при этом в зондовом микроскопе используется зонд, имеющий кантилевер, сформированный на поверхности оптически прозрачной подложки, которая является небольшой по размеру и которая характеризуется повышенной точностью в добавление к функции смотрового окна.

Для решения задач, описанных выше, в настоящем изобретении предусматривается следующее.

[1] Зонд для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки содержит по меньшей мере один кантилевер, который выполнен из тонкой пленки и который поддерживается на одной поверхности (передней поверхности) прозрачной подложки с предварительно определенным зазором от нее, при этом прозрачная подложка образована из материала, прозрачного для видимого света или света ближнего инфракрасного диапазона, и несет функцию смотрового окна, которое обеспечивает возможность оптического наблюдения и измерения и в то же время разобщение сред внутренней стороны и наружной стороны контейнера. Поэтому через заднюю поверхность прозрачной подложки кантилевер может оптически наблюдаться или измеряться или может быть оптически возбужден.

[2] В зонде для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки, описанной выше [1], микролинза может быть образована как часть прозрачной подложки, так что свету, используемому для оптического наблюдения или измерения кантилевера или для оптического возбуждения его, обеспечивается возможность конвергирования на задней поверхности кантилевера посредством микролинзы.

[3] В зонде для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки, описанной выше [1], передняя поверхность прозрачной подложки может быть слегка наклонена по отношению к ее задней поверхности, чтобы предотвратить интерференцию между светом, отражаемым от передней поверхности прозрачной подложки, и светом, отражаемым от ее задней поверхности.

[4] В зонде для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки, описанной выше [1], прозрачная подложка может быть также использована в качестве четвертьволновой пластинки.

[5] В зонде для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки, описанной выше [1], кантилеверу может быть предоставлена возможность иметь внутреннее напряжение, так что зазор между кантилевером и прозрачной подложкой постепенно увеличивается от неподвижного участка кантилевера к свободному его концу.

[6] Способ изготовления зонда для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки содержит этапы, при выполнении которых формируют кантилевер из тонкой пленки монокристаллического кремния КНД-подложки (со структурой типа «кремний на диэлектрике»), соединяют заднюю поверхность КНД-подложки со стеклянной подложкой и удаляют технологическую пластину и скрытую оксидную пленку КНД-подложки.

[7] В способе изготовления зонда для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки, описанном выше [6], может дополнительно содержаться этап, на котором формируют наконечник зонда на свободном конце кантилевера путем жидкостного травления.

[8] Устройство зондового микроскопа содержит зонд для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки согласно одному из пунктов с [1] по [5] выше, а в устройстве зондового микроскопа деформация или вибрационная характеристика кантилевера, которая обусловлена взаимодействием с образцом, измеряется оптически через заднюю поверхность прозрачной подложки.

[9] В устройстве зондового микроскопа согласно пункту [8] выше деформация или вибрационная характеристика кантилевера может быть определена по изменению интенсивности отраженного света, вызванному оптической интерференцией, которая возникает между кантилевером и прозрачной подложкой.

[10] В устройстве зондового микроскопа согласно пункту [8] выше для создания вибрации кантилевер может облучаться через заднюю поверхность прозрачной подложки светом, имеющим интенсивность, изменяющуюся на частоте, которая совпадает с резонансной частотой кантилевера.

[11] В устройстве зондового микроскопа согласно пункту [8] выше кантилевер может облучаться светом, имеющим постоянную интенсивность, через заднюю поверхность прозрачной подложки с тем, чтобы создать самовозбуждающуюся вибрацию в кантилевере.

Чтобы реализовать по обычной технологии устройство зондового микроскопа, используемое для наблюдения и измерения образца, помещенного в специфическую среду, для выполнения оптического наблюдения или измерения во внутренней части контейнера, которая находится в специфической среде, обязательно предусматривают смотровое окно, выполненное из прозрачного материала, и в то же время разобщают среды внутренней стороны и наружной стороны контейнера. Наблюдение или измерение зонда или образца должно выполняться через смотровое окно, описанное выше. Кроме того, когда оптические свойства являются первоочередными, необходимо, чтобы оптический компонент, источник лазерного света, фотодиод или аналогичные элементы были помещены в специфическую среду.

В отличие от этого,

(1) согласно изобретению, охарактеризованному в пункте 1 формулы изобретения, поскольку зонд несет функцию смотрового окна, в котором кантилевер может оптически наблюдаться или измеряться через заднюю поверхность оптической подложки, могут быть выполнены оптическое наблюдение и измерение, тогда как среды внутренней стороны и наружной стороны контейнера разобщены самим зондом. В результате структура устройства упрощается и достигается его миниатюризация.

Кроме того, поскольку кантилевер непосредственно установлен на передней поверхности прозрачной подложки, расстояние от задней поверхности прозрачной подложки до кантилевера и образца может быть минимизировано, так что для оптического микроскопа может быть использован объектив с большим увеличением по сравнению с объективом устройства зондового микроскопа согласно известной технологии.

В дополнение к этому, поскольку положение кантилевера на прозрачной подложке четко определено, юстировка оптической системы может быть легко выполнена. Кроме того, в результате этого площадь прозрачной подложки может быть уменьшена до минимально необходимой. Даже в случае, когда смотровое окно устройства согласно известной технологии уменьшают насколько возможно, диаметр его все же составляет приблизительно 2 см; однако при прозрачной подложке зонда согласно настоящему изобретению диаметр может быть уменьшен до нескольких миллиметров. Поэтому, когда давление внутри контейнера такое же, как давление с наружной стороны, толщину прозрачной подложки можно уменьшить по сравнению с толщиной прозрачной подложки известного смотрового окна и, следовательно, для микроскопа может быть использован объектив, имеющий большее увеличение.

Поскольку площадь прозрачной подложки уменьшается, деформация ее, вызванная разностью давлений и/или разностью температур между наружной стороной и внутренней стороной контейнера, снижается, а поскольку толщина прозрачной подложки уменьшается, то влияние деформации на свет, проходящий через прозрачную подложку, может быть снижено.

Кроме того, зонд может быть заменен вместе с прозрачной подложкой, следовательно, по сравнению с известной технологией замена может быть выполнена легко. В дополнение к этому может быть использован зонд, имеющий большое число кантилеверов, поскольку дополнительные кантилеверы получены с минимизированном допуском, и в этом случае, поскольку углы всех кантилеверов выставлены определенным образом, повторная юстировка оптической системы может быть легко выполнена.

В дополнение к этому, поскольку положения и углы всех кантилеверов выставлены определенным образом, то даже в случае зонда, имеющего очень большое число кантилеверов, легко создать устройство зондового микроскопа, в котором измерения выполняются одновременно при использовании всех кантилеверов или в котором измерения выполняются при использовании выбранного кантилевера. К тому же устройство зондового микроскопа настоящего изобретения, в котором измерение выполняется при выборе кантилевера путем использования оптического сканера, не может быть легко образовано с помощью известной технологии.

(2) В соответствии с изобретением, охарактеризованным в пункте 2 формулы изобретения, такая деталь оптической системы, как объектив, может быть опущена, поскольку используется зонд, имеющий микролинзу.

(3) Когда прозрачная подложка имеет две поверхности, параллельные друг другу, в некоторых случаях может происходить интерференция. То есть поскольку падающий свет, отраженный на передней поверхности прозрачной подложки, и падающий свет, отраженный на ее задней поверхности, проходят в одном и том направлении, то может происходить интерференция. Интерференция может вызывать погрешности результатов оптических измерений.

С другой стороны, согласно пункту 3 формулы изобретения, поскольку передняя поверхность прозрачной подложки слегка наклонена по отношению к ее задней поверхности, падающий свет, отраженный от передней поверхности прозрачной подложки, и падающий свет, отраженный от ее задней поверхности, проходят в различных направлениях, и, следовательно, интерференция не происходит.

(4) В соответствии с пунктом 4 формулы изобретения в оптическом способе, в котором падающий свет и выходящий свет направляются по различным световым путям посредством расщепителя луча, нет необходимости включать в оптическую систему четвертьволновую пластинку. В частности, когда используют зонд, выполняющий функции микролинзы, охарактеризованной в пункте 4 формулы изобретения, и четвертьволновой пластинки, охарактеризованной в пункте 4 формулы изобретения, оптическая система может быть существенно упрощена по сравнению с оптической системой устройства зондового микроскопа согласно известной технологии, а размеры устройства зондового микроскопа могут быть значительно уменьшены.

(5) Когда кантилевер, который параллелен подложке, используют для измерения наклонного образца или образца с шероховатой поверхностью, угловой участок образца в некоторых случаях может приходить в соприкосновение с подложкой. С другой стороны, согласно пункту 5 формулы изобретения, поскольку кантилевер искривляется вниз относительно подложки, то невероятно, что иная часть, чем наконечник зонда, будет приходить в соприкосновение с подложкой при измерении наклонного образца или образца с шероховатой поверхностью.

(6) В соответствии с пунктом 6 формулы изобретения процесс можно упростить, используя соединение. Кроме того, чтобы после соединения образовался зазор между кантилевером и прозрачной подложкой, монокристаллический кремний КНД-подложки заранее обрабатывают с тем, чтобы она имела различные толщины, или заранее образуют выемку в подложке, так что вышеупомянутый процесс может быть облегчен. Когда соединение не используют, необходимо тем же самым способом обработать нижнюю сторону кантилевера или сформировать временный слой, и, следовательно, процесс становится сложным. Когда прозрачную подложку под кантилевером протравливают фтористоводородной или аналогичной кислотой, протравленная поверхность не может быть изготовлена плоской, и это вызывает затруднения, когда кантилевер оптически наблюдается или измеряется через заднюю поверхность прозрачной подложки.

Кроме того, кантилевер, выполненный из монокристаллического кремния, имеет преимущества в том, что число дефектов небольшое, а значение добротности высокое; однако способ предварительного образования временного слоя под кантилевером нелегко осуществлять, когда монокристаллический кремний используют в качестве материала для кантилевера. Причина этого заключается в том, что кремний должен быть выращен эпитаксией на временном слое.

(7) Согласно пункту 7 формулы изобретения вследствие анизотропии кристаллической структуры тонкой пленки монокристаллического кремния наконечника зонда может быть без повреждения сформирована на свободном конце кантилевера, а острота свободного конца наконечника мало зависит от точности литографии.

(8) Поскольку в способе измерения деформации кантилевера используется интерференция света, то он включает в себя традиционную технологию, при которой может происходить интерференция между кантилевером и торцевой поверхностью оптического волокна. Однако в соответствии со способом должны осуществляться позиционирование оптического волокна и кантилевера и регулировка зазора между ними. С другой стороны, согласно изобретению, охарактеризованному в пункте 9 формулы изобретения, регулировка не требуется, поскольку зазор между кантилевером и прозрачной подложкой задается при формировании зонда.

(9) Согласно изобретению, охарактеризованному в пункте 10 формулы изобретения, когда атомная или аналогичная сила, действующая на кантилевер, измеряется по изменению резонансной частоты, кантилевер может быть оптически возбужден путем модуляции интенсивности облучающего света, и пьезоэлектрический элемент для возбуждения не требуется.

Кроме того, когда пьезоэлектрический элемент помещается в очень низкотемпературную или высокотемпературную среду, свойства его могут изменяться, или в некоторых случаях пьезоэлектрический элемент не может быть использован. Однако в соответствии с изобретением, охарактеризованным в пункте 10 формулы изобретения, вышеупомянутая проблема вообще не возникает, поскольку может быть выполнено оптическое возбуждение. Следовательно, для возбуждения, создаваемого светом, не нужны провода, а размер устройства может быть значительно снижен. Кроме того, когда используется зонд, имеющий большое число кантилеверов, то при использовании их трудно избирательно возбудить пьезоэлектрическим элементом только один кантилевер, а весь зонд будет возбужден неэффективно. И наоборот, при использовании возбуждения светом в сочетании с оптическим сканером, может быть возбужден только кантилевер, используемый на данный момент.

(10) В соответствии с изобретением, охарактеризованным в пункте 11 формулы изобретения, в случае, когда возбуждение осуществляют облучением светом, имеющим постоянную интенсивность, могут быть достигнуты следующие преимущества в дополнение к эффекту, эквивалентному эффекту, относящемуся к устройству зондового микроскопа по пункту 10 формулы изобретения.

Даже если резонансная частота каждого кантилевера неизвестна, вибрационные характеристики могут быть получены просто путем анализа оптически обнаруженной вибрации, которая создается путем самовозбуждения. Кроме того, в случае, когда используется зонд, имеющий очень большое число кантилеверов, все кантилеверы могут быть возбуждены на соответствующих резонансных частотах путем облучения всего зонда светом для возбуждения. Далее свет, возвращающийся от всего зонда, принимается фотодетектором и преобразуется в электрические сигналы, за которым следует простой анализ с использованием анализатора спектра, в результате которого могут быть получены вибрационные характеристики всех кантилеверов.

Краткое описание чертежей

На чертежах:

фиг.1 - перспективные виды, каждый из которых иллюстрирует известный из уровня техники зонд зондового микроскопа;

фиг.2 - вид, иллюстрирующий применение зонда при использовании известного из уровня техники оптического рычага;

фиг.3 - вид в поперечном сечении, иллюстрирующий известное из уровня техники взаимное расположение образца и зонда;

фиг.4 - вид, иллюстрирующий применение зонда при использовании известного из уровня техники лазерного доплеровского измерителя скорости;

фиг.5 - вид, иллюстрирующий один пример структуры зондового микроскопа согласно известной из уровня техники технологии;

фиг.6 - вид, иллюстрирующий один пример структуры зондового микроскопа согласно известной из уровня техники технологии;

фиг.7 - вид, иллюстрирующий один пример структуры зондового микроскопа согласно известной из уровня техники технологии;

фиг.8 - перспективный вид, иллюстрирующий зонд из первого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.9 - перспективный вид зонда из первого варианта осуществления настоящего изобретения, при этом зонд имеет очень большое число кантилеверов;

фиг.10 - перспективный вид с местным разрезом, иллюстрирующий зонд из второго варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.11 - перспективный вид с местным разрезом, иллюстрирующий другой пример зонда из второго варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.12 - виды в поперечном сечении, иллюстрирующие структуру зонда из третьего варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.13 - виды в поперечном сечении, каждый из которых иллюстрирует структуру зонда из четвертого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.14 - виды в поперечном сечении, иллюстрирующие структуру зонда из пятого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.15 - виды в поперечном сечении, каждый из которых иллюстрирует состояние, в котором образец исследуется кантилевером, показанным на фиг.14;

фиг.16 - иллюстрация этапов (часть 1) изготовления зонда из шестого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.17 - иллюстрация этапов (часть 2) изготовления зонда из шестого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.18 - перспективные виды, каждый из которых иллюстрирует этап формирования наконечника зонда, принадлежащий зонду из седьмого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.19 - виды структур, каждый из которых иллюстрирует зонд из восьмого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.20 - схематический вид (часть 1), иллюстрирующий устройство зондового микроскопа из девятого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.21 - схематический вид (часть 2), иллюстрирующий устройство зондового микроскопа из девятого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.22 - виды, каждый из которых иллюстрирует принцип работы зондового микроскопа из девятого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.23 - схематический вид (часть 3), иллюстрирующий устройство зондового микроскопа из девятого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.24 - перспективные виды, каждый из которых иллюстрирует зонд, имеющий очень большое число кантилеверов, согласно примеру осуществления;

фиг.25 - схематический вид (часть 4), иллюстрирующий устройство зондового микроскопа из девятого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.26 - схематический вид (часть 5), иллюстрирующий устройство зондового микроскопа из девятого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.27 - виды для иллюстрации принципа возбуждения вибрации кантилевера устройства зондового микроскопа из десятого варианта осуществления согласно настоящему изобретению;

фиг.28 - схематический вид, иллюстрирующий устройство зондового микроскопа из десятого варианта осуществления согласно настоящему изобретению; и

фиг.29 - вид для иллюстрации способа возбуждения кантилевера устройства зондового микроскопа из одиннадцатого варианта осуществления согласно настоящему изобретению.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Зонд для зондового микроскопа с использованием прозрачной подложки имеет по меньшей мере один кантилевер, который выполнен из тонкой пленки и который поддерживается на одной поверхности (передней поверхности) прозрачной подложки с предварительно определенным зазором относительно нее, при этом прозрачная подложка выполнена из материала, прозрачного для видимого света или света ближнего инфракрасного диапазона, зонд выполняет функцию смотрового окна, обеспечивающего возможность выполнения оптического наблюдения и измерения и в то же время разобщение сред внутренней стороны и наружной стороны контейнера, в результате чего кантилевер может быть оптически наблюдаемым или измеряемым или может быть оптически возбуждаемым через заднюю поверхность прозрачной подложки.

Первый вариант осуществления изобретения

Ниже будет подробно описан вариант осуществления настоящего изобретения.

На фиг.8 представлен перспективный вид, иллюстрирующий зонд из первого варианта осуществления согласно настоящему изобретению (соответствующий пункту 1 формулы изобретения). Для удобства при последующем описании вариантов осуществления поверхность подложки, на которой предусматривается кантилевер, называется передней поверхностью, а поверхность подложки, на которой кантилевер не предусматривается, называется задней поверхностью.

Как показано на этой фиг., на передней поверхности подложки, выполненной из материала, прозрачного для видимого света или света ближнего инфракрасного диапазона, то есть оптически прозрачной подложки (в дальнейшем называемой просто «прозрачной подложкой») 101, на предварительно определенном расстоянии 102 от передней поверхности прозрачной подложки 101 поддерживаются кантилеверы 103, выполненные из тонкой пленки. При необходимости на свободном конце кантилевера 103 расположен наконечник 104 зонда, выполненный из соответствующего материала. Например, в случае атомно-силового микроскопа материал для этого наконечника 104 зонда включает в себя такой материал, как кремний, оксид кремния или нитрид кремния, а в случае магнитно-силового микроскопа такой материал, как железо, никель, кобальт или сплав. Как показано на фиг., кантилевер 103 может иметь различные формы, например прямоугольную или треугольную.

В некоторых случаях число кантилеверов 103 на одну подложку может быть равно одному, а в других случаях может быть равно более чем одному.

На фиг.9 представлен перспективный вид зонда из первого варианта осуществления согласно настоящему изобретению, имеющего очень большое число кантилеверов. На передней поверхности подложки 201, выполненной из материала, прозрачного для видимого света или света ближнего инфракрасного диапазона, очень большое число кантилеверов 202 поддерживается на предварительно определенном расстоянии от передней поверхности подложки 201.

В соответствии с зондами, показанными на фиг.8 и 9, через заднюю поверхность прозрачной подложки 101 или 201 можно осуществлять оптическое наблюдение кантилеверов, можно определять степень деформации или резонансную частоту кантилеверов или можно возбуждать кантилеверы, используя оптическое возбуждение.

Второй вариант осуществления изобретения

На фиг.10 представлен перспективный вид с местным разрезом, иллюстрирующий зонд из второго варианта осуществления согласно настоящему изобретению (соответствующий пункту 2 формулы изобретения).

Как показано на этой фиг., на задней поверхности прозрачной подложки 301 предусмотрены микролинзы 302, и каждая оптическая ось 303 совпадает с задней поверхностью (поверхностью, которая не снабжена наконечником зонда) кантилевера 304. С помощью этих микролинз 302 световые лучи, используемые для оптического наблюдения, измерения и возбуждения кантилевера 304, могут быть конвергированы на его заднюю поверхность. Микролинзы 302 могут быть образованы путем обработки того же самого материала, что и материал для прозрачной подложки 301, или могут быть образованы путем использования фоторезиста или прозрачного полимера.

На фиг.11 представлен перспективный вид с местным разрезом, иллюстрирующий другой пример зонда из второго варианта осуществления согласно настоящему изобретению.

На этой фиг. на передней поверхн