Кантилевер с наноразмерным алмазоподобным углеродным покрытием для токовой нанолитографии

Полезная модель относится к кантилеверам - микрозондам, применяемым в сканирующей зондовой микроскопии, которые могут быть использованы для токовой нанолитографии по методикам, использующим протекание тока между кантилевером и поверхностью образца. Кантилевер представляет собой основание, к которому прикреплена прямоугольная или V-образная балка. На дальнем от основания конце балки расположена игла. На всю поверхность кантилевера нанесено алмазоподобное углеродное покрытие (DLC), а на противоположную поверхность, обращенную к приемнику излучения - отражающее покрытие. При этом алмазоподобное углеродное покрытие состоит, по крайней мере, из одного нелегированного и одного легированного азотом слоя. Толщина каждого легированного и нелегированного слоя составляет от 15 до 50 нм. Общая толщина наноразмерного алмазоподобного углеродного покрытия составляет 30-100 нм. Покрытие выполнено с возможностью регулирования электропроводности в пределах от 0,15 до 10(1/Омсм) за счет изменения толщины отдельных слоев.

Настоящая полезная модель относится к кантилеверам - микрозондам, применяемым в сканирующей зондовой микроскопии, а более точно к кантилеверам с наноразмерным алмазоподобным углеродным покрытием для сканирующего зондового микроскопа, которые могут быть использованы по методикам, использующим протекание тока между кантилевером и поверхностью образца как в режиме атомно-силовой микроскопии так и для токовой нанолитографии.

В настоящее время сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одной из основных методик, применяемых в нанотехнологии. При этом она используется как для исследования рельефа поверхности с разрешением до единиц нанометров, так и для различного рода воздействия на поверхность с целью изменения ее свойств. В идеале эти операции могут быть совмещены.

Из существующего уровня техники известен кантилевер для сканирования зондового микроскопа, представляющий собой основание, к которому крепится прямоугольная балка, на дальнем от основания конце которой расположена игла (см. Anja Boisen, Ole Hansen and Siebe Bouwstra. AFM probes with directly fabricated tips. J. Micromec. Microeng. N 6, 1996, p. 61).

Известен также кремниевый кантилевер для сканирующего зондового микроскопа, представляющий собой основание, к которому крепится балка V-образной формы, на дальнем основании которого расположена игла. V-образная форма балки позволяет снизить паразитную поперечную чувствительность в режимах контактной моды (см. US патент 4943719).

Недостатками вышеназванных технических решений является недостаточная износоустойчивость иглы кантилевера, а также высокое удельное сопротивление кремния, что затрудняет использование этих кантилеверов в проводящих методиках СЗМ.

Наиболее близким техническим решением являются кантилеверы типа TAP300DLC, TAP150DLC и TAP190DLC компании TED PELLA, INC (http://www.tedpella.com/probes_html/budgetsensors-1.htm#Tap300DLC) изготовленные из кремния, у которых на рабочую поверхность балки с иглой, расположенной на дальнем от основания конце, нанесено алмазоподобное износостойкое наноразмерное покрытие (DLC) толщиной 15 нм, а на противоположную поверхность, обращенную к приемнику излучения - отражающее алюминиевое покрытие толщиной 30 нм. По сравнению с вышеуказанными аналогами эти кантилеверы обладают более высокой прочностью благодаря нанесенному на них DLC покрытию, однако

их применение в проводящих методиках, в том числе использование в токовой нанолитографии затруднено из-за низкой электропроводности износостойкого наноразмерного алмазоподобного покрытия.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение недостатка прототипа.

Технический результат - повышение электропроводности покрытия в широких пределах от 0,15 до 10 (1/Ом см) за счет того, что алмазоподобное углеродное износостойкое наноразмерное покрытие состоит из нелегированных и легированных азотом слоев, обладающих при этом уникальными эмиссионными свойствами.

Данная задача решается за счет того, что в заявленное устройство - кантилевер для токовой нанолитографии, представляющий собой основание, к которому крепится балка, на дальнем от основания конце которой расположена игла, причем на поверхность балки с иглой нанесено алмазоподобное угеродное покрытие (DLC), а на противоположную поверхность, обращенную к приемнику излучения - отражающее покрытие, внесены следующие новые признаки:

- алмазоподобное углеродное покрытие нанесенное на рабочую и противоположную поверхности состоит, по крайней мере, из одного нелегированного и одного легированного слоя, что позволяет сохранить высокую твердость покрытия за счет нелегированного углеродного слоя, а также обеспечить повышение электропроводности за счет введения дополнительно легированного азотом слоя;

- толщина каждого легированного и нелегированного слоя составляет 15-50 нм, что позволяет получать многослойное покрытие с повышенной электропроводностью в широких пределах от 0,15 до 10 (1/Омсм) за счет изменения толщины отдельных слоев, т.е. обеспечивает возможность регулирования электропроводности в указанных пределах;

- общая толщина наноразмерного алмазоподобного углеродного покрытия составляет 30-100 нм, что также позволяет повысить электропроводность покрытия без изменения геометрических размеров иглы;

- форма балки может быть выполнена как в прямоугольном так и в V-образном виде, что в любом случае обеспечивает получение технического результата.

Повышение электропроводности покрытия, обеспечиваемое за счет того, что алмазоподобное углеродное износостойкое наноразмерное покрытие состоит из легированных и нелегированных слоев позволяет расширить его использование в методиках, использующих протекание тока между кантилевером и поверхностью образца. Это обеспечивается благодаря тому, что в дополнение к характерным для наноразмерного алмазоподобного углеродного покрытия высокой твердости, низкому коэффициенту трения, возможности достижения сплошности покрытия при малых толщинах порядка десятка нм, высоким адгезионным свойствам на кремнии, отсутствии изменений рельефа поверхности основы кантилевера и отражающей способности после нанесения покрытия, добавлены такие свойства, как повышенная электропроводность в пределах от 0,15 до 10 (1/Омсм). Легированный азотом слой повышает не только электропроводность алмазоподобного углеродного покрытия в целом, но также и его эмиссионные характеристики, что в сумме существенно уменьшает износ иглы в методиках предполагающих протекание тока между кантилевером и поверхностью образца.

Новые свойства DLC покрытия позволяют уменьшить электрическую эрозию иглы, дольше сохранить ее форму и радиус закругления, что в конечном итоге обеспечивает высокое качество рисунка полученного по методикам токовой нанолитографии, а также более длительный срок службы кантилевера не только в токовой нанолитографии но и в режиме атомно-силовой микроскопии.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен поперечный разрез предлагаемого кантилевера.

Устройство представляет собой основание 1, к которому крепится прямоугольная или V-образная балка 2, на дальнем от основания конце которой расположена игла 3, на поверхность балки с иглой нанесено алмазоподобное угеродное покрытие (DLC) 4, состоящее по крайней мере из одного легированного алмазоподобного углеродного слоя и одного нелегированного алмазоподобного углеродного слоя, а на противоположную поверхность, обращенную к приемнику излучения дополнительно нанесено отражающее покрытие 5.

Работает устройство следующим образом.

В режиме токовой окислительной нанолитографии между кантилевером, на который нанесено наноразмерное покрытие, состоящее из слоя на основе алмазоподобного углерода толщиной порядка 15-30 нм и слоя алмазоподобного углерода, легированного азотом, толщиной порядка 15-40 нм и титановым покрытием нанесенным на кремниевую подложку, прикладывают напряжение порядка 3 В. При протекании тока между иглой кантилевера и титановым покрытием на кремниевой подложке на титане формируется рисунок, задаваемый программой перемещения кантилевера. Формирование рисунка связано с окислительным процессом на поверхности титана при протекании электрического тока и локальным разогревом поверхности. Область воздействия проявляется в виде локального увеличения сопротивления и образования рельефа в местах взаимодействия иглы кантилевера с титаном. Наличие в углеродном наноразмерном покрытии легированного слоя с уникальными эмиссионными свойствами и повышенной электропроводностью покрытия от 0,15 до 10 (1/Омсм), позволяет уменьшить электрическую эрозию иглы, дольше сохранить ее форму и радиус закругления. В конечном итоге повышается качество рисунка нанолитографии, а также срок службы кантилевера.

Необходимо отметить, что возможность выбора электропроводности наноразмерного покрытия на основе алмазоподобного углерода в пределах от 0,15 до 10 (1/Омсм) позволяет также исследовать, т.е. считывать полученный рисунок путем перехода СЗМ в режим отображения сопротивления растекания: при этом анализируется изменение сопротивления поверхности титанового покрытия. В данном режиме эта возможность имеет значение для обеспечения высокого качества сканирования с минимальным износом иглы. Кроме того, предложенный кантилевер с алмазоподобным углеродным износостойким наноразмерным покрытием, содержащим нелегированные и легированные азотом слои, может быть использован для получения рельефа поверхности в режиме атомно-силовой микроскопии. В этом режиме основное значение имеют низкий коэффициент трения наноразмерного покрытия на основе алмазоподобного углерода и его высокая твердость, что снижает износ иглы. Таким образом, реализуются две основные задачи нанотехнологии: исследование свойств поверхности и ее модифицирование.

Пример использования предложенного кантилевера

Импульсным вакуумно-дуговым методом наносили на кантилевер наноразмерное покрытие состоящее из слоя алмазоподобного углерода толщиной 20 нм и алмазоподобного углерода, легированного азотом, толщиной 40 нм. Кантилевер с общей толщиной слоя алмазоподобного наноразмерного покрытия 60 нм и отражающим покрытием, нанесенным на противоположную поверхность, обращенную к приемнику излучения, устанавливали в сканирующий зондовый микроскоп, работающий в режиме окислительной токовой нанолитографии. Для этого между кантилевером и модифицируемой поверхностью титановой пленки толщиной 100 нм, нанесенной на кремниевую подложку, подавали напряжение ЗВ. Возможность регулирования электропроводности в широких пределах, обусловленная нанесением дополнительного легированного слоя, обеспечила повышение качества нанолитографии и меньший износ иглы, что привело и к повышению срока службы кантилевера.

Сравнивали количество нанолитографий, выполненных предлагаемым кантилевером с наноразмерным углеродным покрытием, содержащим нелегированные и легированные азотом слои по примеру и кантилевером содержащим только нелегированное наноразмерное алмазоподобное углеродное покрытие. Срок службы предлагаемого кантилевера с углеродным покрытием в 10 раз выше. Изменение количества слоев наноразмерного покрытия на основе алмазоподобного углерода, позволяет регулировать электропроводность от 0,15 до 10 (1/Омсм) и таким образом добиваться нужного качества нанолитографий.

Учитывая высокую стоимость кантилевера, а также существенное увеличение качества и количества нанолитографий, выполненных одним кантилевером, можно сделать вывод об эффективности применения кантилеверов с многослойным наноразмерным алмазоподобным углеродным покрытем в сканирующей зондовой микроскопии.

Выполнение операции нанесения алмазоподобного наноразмерного углеродного покрытия возможно на установках УВНИПА-1-001 и УВНИПА-1-002, оснащенных импульсными источниками углеродной плазмы.

1. Кантилевер для токовой нанолитографии, представляющий собой основание, к которому прикреплена балка, на дальнем от основания конце которой расположена игла, с нанесенным на поверхность кантилевера алмазоподобным углеродным покрытием (DLC), а со стороны, обращенной к приемнику излучения, отражающим покрытием, отличающийся тем, что алмазоподобное углеродное покрытие нанесено на всю поверхность кантилевера и состоит, по крайней мере, из одного нелегированного и одного легированного азотом слоя, толщина каждого легированного и нелегированного слоя составляет от 15 до 50 нм, общая толщина наноразмерного алмазоподобного углеродного покрытия составляет 30-100 нм, при этом покрытие выполнено с возможностью регулирования электропроводности в пределах от 0,15 до 10 (1/Ом·см) за счет изменения толщины отдельных слоев.

2. Кантилевер для токовой нанолитографии по п. 1, отличающийся тем, что форма балки может быть выполнена как в прямоугольном, так и в V-образном виде.