СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ЛОКАЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
SCANNING DEVICE FOR LOCAL EXPOSURE

Сканирующее устройство локального воздействия предназначено для исследования и модификации поверхности образцов с помощью источников излучения.
Сканирующее устройство локального воздействия может быть использовано для изучения особенностей локального воздействия различных излучений (альфа-частиц, рентгеновского и гамма-излучения) на биологические объекты, например на различные локальные участки живых клеток. Так же сканирующее устройство локального воздействия может быть использовано для исследования локального воздействия различных излучений на различные участки твердотельных и полупроводниковых устройств и структур, в том числе используемых в микроэлектронике, и тестирования устойчивости микроэлектронных элементов к различным излучениям.
Известно сканирующее устройство локального воздействия, включающее образец с первой поверхностью и второй поверхностью, зонд с острием, закрепленный в модуле зонда, сканер, первый модуль перемещения и блок управления, при этом сканер и первый модуль перемещения установлены на платформе, зонд расположен таким образом, что возможно относительное сканирование острия и первой поверхности образца, а блок управления адаптирован для сканирования поверхности острием [1].
Это устройство может функционировать в режиме измерения и в режиме локального воздействия на образец. Воздействие на образец может происходить посредством механического касания кончиком зонда поверхности образца, а также путем подачи на зонд электрического потенциала.
Механическое воздействие на образец быстро выводит зонд из строя. В результате воздействия электрического потенциала поверхность образца, например, представляющая собой слой золота, может «продавливаться». Глубина этого воздействия ограничивается несколькими нанометрами. Материал образца (золото) после этого частично восстанавливает свою первоначальную форму. Возможны также химические и электрохимические воздействия на образец, но они также происходят на его поверхности. В результате воздействия зонда на образец ограничивается приповерхностным слоем.
Технический результат изобретения заключается в увеличении глубины воздействия зонда на образец и расширении диапазона воздействий зонда на образец.
Указанный технический результат достигается тем, что в сканирующем устройстве локального воздействия, включающем образец с первой поверхностью и второй поверхностью, зонд с острием, закрепленный в модуле зонда, сканер, первый модуль перемещения и блок управления, при том что сканер и первый модуль перемещения установлены на платформе, зонд расположен таким образом, что возможно относительное сканирование острия и первой поверхности образца, а блок управления адаптирован для сканирования поверхности острием, зонд включает модуль излучения.
В первом варианте сканирующее устройство локального воздействия снабжено вторым модулем перемещения и пуансоном, установленным на третьем модуле перемещения, при этом образец установлен на сканере, закрепленном на втором модуле перемещения, расположенном на платформе, модуль зонда с зондом установлен на первом модуле перемещения, расположенном на платформе, а пуансон с третьим модулем перемещения установлен на платформе с возможностью взаимодействия с образцом. Во втором варианте сканирующее устройство локального воздействия снабжено герметичной камерой, при этом модуль зонда с зондом и образец расположены внутри герметичной камеры.
В третьем варианте в сканирующем устройстве локального воздействия модуль излучения выполнен в виде слоя материала, нанесенного на острие или в виде заострения, закрепленного на острие.
В четвертом, пятом и шестом вариантах в сканирующем устройств локального воздействия модуль излучения выполнен в виде источника альфа-частиц, или источника рентгеновского излучения, или источника гамма-излучения.
В седьмом варианте сканирующее устройство локального воздействия снабжено датчиком излучения, установленным со стороны второй поверхности образца с возможностью сопряжения с модулем излучения.
На фиг. 1 изображено сканирующее устройство локального воздействия в общем виде.
На фиг. 2 изображен вариант сканирующего устройства локального воздействия, расположенного в герметичной камере.
На фиг. 3 изображен вариант зонда с тонким слоем излучающего материала.
На фиг. 4 изображен вариант зонда с заострением, выполненным из излучающего материала.
Сканирующее устройство локального воздействия включает образец 1 (фиг. 1) с первой поверхностью 2 и второй поверхностью 3, зонд 4 с острием 5 и модулем излучения 6, закрепленный в модуле зонда 7, включает также сканер 8, первый модуль перемещения 9, обеспечивающий перемещение зонда 4 по координате X, и блок управления 10. При этом сканер 8 и первый модуль перемещения 9 установлены на платформе 11. Зонд 4 расположен таким образом, что возможно относительное сканирование острия 5 и первой поверхности 2 образца 1, а блок управления 10 адаптирован для сканирования первой поверхности 2 острием 5.
В одном из вариантов сканирующее устройство локального воздействия снабжено вторым модулем перемещения 13, обеспечивающим перемещение образца 1 по координате Z и пуансоном 14, установленным на третьем модуле перемещения 15, обеспечивающим перемещение пуансона 14 по координатам X и Y. При этом образец 1 второй поверхностью 3 закреплен на держателе образца 16, установленном на сканере 8, закрепленном на втором модуле перемещения 13, расположенном на платформе 11, а пуансон 14 с третьим модулем перемещения 15 установлен на платформе 11 с возможностью взаимодействия с образцом 1. В качестве сканера 8 может использоваться пьезосканер. В качестве модуля зонда 7 может использоваться кварцевый резонатор [2] или пьезотрубка [3]. Также в качестве модуля зонда 7 можно использовать пьезорезистивный кантилевер сканирующего зондового микроскопа. Возможно также использование обычного кантилевера с оптической системой считывания (не показана). В качестве первого модуля перемещения 9 может использоваться подвижная каретка, установленная на направляющих (не показаны). В качестве второго модуля перемещения 13 может использоваться привод на основе шагового двигателя или привод стандартного микротома, а в качестве пуансона 14 может использоваться алмазный нож. В описанном варианте конструкции образец 1 сканирует относительно зонда 4 в плоскости координат Y, Z. При этом пьезосканер 8 осуществляет отработку перемещения образца 1 по координате X, перпендикулярной плоскости координат Y, Z. Подробно указанные элементы СЗМ и микротома описаны в [4, 5, 6].
В одном исполнении сканирующее устройство локального воздействия снабжено герметичной камерой 18 (показана условно), при этом модуль зонда 7 с зондом 4 и образец 1 расположены внутри герметичной камеры 18. В одном из вариантов герметичная камера 18 может быть заполнена жидкостью. Жидкость может заполнять не всю герметичную камеру 18, а иметь уровень, который находится либо ниже образца 1 и зонда 4, либо - выше. В качестве жидкости может быть использована, например, вода или кремнийорганическая жидкость, что повышает уровень поглощения излучения. В другом варианте камера 18 может быть заполнена газом: воздухом, неоном, криптоном. В третьем варианте герметичная камера 18 может быть вакуумной и сопряжена со средствами откачки (не показаны, их описание см. в [7]).
Существует вариант, в котором сканирующее устройство локального воздействия снабжено датчиком излучения 19, установленным со стороны второй поверхности 3 с возможностью сопряжения с модулем излучения 6. В качестве датчиков излучения 19 можно использовать датчики, описанные в [8, 9, 10].
В одном из вариантов (фиг. 3) модуль излучения 6 выполнен в виде тонкого слоя (0,1-5 мкм) материала 22, излучающего альфа-частицы, рентгеновское излучение, гамма-излучение, нанесенного на острие 5 зонда 4. При этом слой материала 22 содержит острие излучающего материала 23, заключенное в экранирующую оболочку 24 с апертурой 25, формируемой отверстием 26. Для каждого рода излучения материал экранирующей оболочки 24 может быть разным. В качестве материала экранирующей оболочки 24 для альфа-излучения может использоваться полиэтилен. Для рентгеновского излучения можно использовать золото толщиной 1-4 мкм, напыленное на полиимиде. Для гамма-излучения можно также использовать золото или свинец толщиной 10-25 мкм.
В одном из вариантов модуль излучения 6 выполнен в виде заострения (наночастицы) 30 (фиг. 4), закрепленного на острие 5. Технология закрепления наночастиц описана в [11].
В первом варианте в качестве слоя 22 и заострения 30 могут быть использованы материалы, излучающие альфа-частицы: полоний - 210, уран - 234 или 238, плутоний - 239, радий - 226, кюрий - 242, кюрий - 244, калифорний - 252. Подробнее об источниках альфа-частиц см. в [12, 13].
Во втором варианте в качестве слоя 22 и заострения 30 могут быть использованы материалы, излучающие рентгеновское излучение: железо - 55, кобальт - 57, кадмий - 109, олово - 119, гадолиний - 153, туллий - 170, америций - 241. Подробнее об источниках рентгеновского излучения см. в [12, 14].
В третьем варианте в качестве слоя 22 и заострения 30 могут быть использованы материалы, излучающие гамма-излучение: натрий - 24, железо - 59, кобальт - 60, цинк - 65, селен - 75, стронций - 85, олово - 113, сурьма - 124, йод - 131, цезий - 13 7, церий - 141, иридий - 192. Подробнее об источниках гамма-излучения см. в [12, 15, 16].
Устройство работает следующим образом. Закрепляют образец 1 на держателе образца 15 посредством, например, пружинных лапок (не показаны). Используя первый модуль перемещения 9, подводят зонд 4 к образцу 1. После этого осуществляют сканирование зондом 4 (острием 5) первой поверхности 2 образца 1 с одновременным воздействием на него излучением. После получения изображения поверхности зонд 4 может устанавливаться при помощи пьезосканера 8 на интересующие участки образца 1 на определенные промежутки времени с целью изучения воздействия определенных доз излучения на локальные структуры образца 1.
В общем случае (см. фиг. 3) d2=(A+B)d1/A. Когда d1=10 нм, А=100 нм, В=10 нм, предполагаемый размер элемента d2 будет равен 11 нм. Соответственно для угла α будет выполняться соотношение tg α/2=d1/2A.
При сканировании образцом 1 относительно зонда 4 по характеру прошедшего излучения, фиксируемого датчиком 19, можно судить о внутренней структуре образца 1, например о локальном элементном составе и плотности. Так же информация, фиксируемая датчиком 19, позволяет оценить дозу излучения, полученную образцом 1 в течение воздействия. Подробнее технологии работы с датчиками ионизирующих излучений описаны [8, 9, 10].
Срез образца 1 осуществляют пуансоном 14 путем перемещения образца 1 по координате Z вторым модулем перемещения 13 относительно пуансона 14. Толщина среза может составлять от 10 нм до 1 мкм. После среза выполняют сканирование поверхности образца 1 зондом 4. После выполнения последовательных срезов и измерений поверхности образца 1 может быть выполнена реконструкция трехмерной структуры образца за счет интеграции послойных изображений и данных измерений, полученных после каждого среза.
То, что зонд 4 включает модуль излучения 6, приводит к увеличению глубины воздействия зонда на образец и расширению диапазона воздействий зонда на образец. Благодаря направленному излучению это расширяет функциональные возможности зондовой микроскопии за счет одновременного измерения и локального воздействия на образец.
То, что сканирующее устройство локального воздействия снабжено вторым модулем перемещения 13 и пуансоном 14, установленным на третьем модуле перемещения 15, при этом образец 1 установлен на сканере 8, закрепленном на втором модуле перемещения 13, расположенном на платформе 11, модуль зонда 7 с зондом 4 установлен на первом модуле перемещения 9, расположенном на платформе 11, а пуансон 14 с третьим модулем перемещения 15 установлен на платформе 11 с возможностью взаимодействия с образцом 1, приводит к увеличению глубины воздействия зонда на образец и расширению диапазона воздействий зонда на образец, благодаря предварительному срезу образца 1 и созданию максимально гладкой и бездефектной первой поверхности 2 образца 1.
То, что сканирующее устройство локального воздействия снабжено герметичной камерой 18, при этом модуль зонда 7 с зондом 4 и образец 1 расположены внутри герметичной камеры 18, приводит к увеличению глубины воздействия зонда на образец и расширению диапазона воздействий зонда на образец, благодаря возможности создания контролируемой среды воздействия и измерения.
То, что в сканирующем устройстве локального воздействия модуль излучения 6 выполнен в виде источника альфа-частиц, позволяет осуществлять локальное воздействие на исследуемые объекты альфа-частицами, что расширяет функциональные возможности устройства.
То, что в сканирующем устройстве локального воздействия модуль излучения 6 выполнен в виде источника рентгеновского излучения, позволяет осуществлять локальное воздействие на исследуемые объекты рентгеновским излучением, что расширяет функциональные возможности устройства.
То, что в сканирующем устройстве локального воздействия модуль излучения 6 выполнен в виде источника гамма-излучения, позволяет осуществлять локальное воздействие на исследуемые объекты гамма-излучением, что расширяет функциональные возможности устройства.
То, что сканирующее устройство локального воздействия снабжено датчиком 19, установленным со стороны второй поверхности 3 образца 1 с возможностью сопряжения с модулем излучения 6, приводит к увеличению контролируемой глубины воздействия зонда на образец и расширению диапазона воздействий зонда на образец благодаря контролю этого процесса.
Литература
1. Патент US 4343993, 1982.
2. Патент RU 2208763, 2003.
3. Патент RU 2300150, 2007.
4. Патент RU 2233490, 2004.
5. Патент RU 2287129, 2000.
6. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 2009. - 144 с.
7. Пауэр Б.Д. Высоковакуумные откачные устройства. - М.: Энергия, 1969. - 528 с.
8. В. Мурашев и др. Новое поколение детекторов рентгеновского излучения на пиксельных матрицах // Электроника НТБ, №1, 2006.
9. Патент RU 2264635, 2005.
10. http:www.bsi.alpha_detektors_rus.html
11. Патент RU 2481590, 2013.
12. В.П. Сытин, Ф.П. Теплов, Г.А. Череватенко "Радиоактивные источники ионизирующих излучений". - М.: Энергоиздат, 1984.
13. Патент RU 2235378, 2004.
14. Рентгенотехника. Справочник. Книга 1, под ред. Клюева В.В. - М.: Машиностроение, 1980. - 431 с.
15. Патент RU 2223563, 2004.
16. Патент RU 2234155, 2004.