КАНТИЛЕВЕР С КРЕМНЕВОЙ ИГЛОЙ КОМПЛЕКСНОЙ ФОРМЫ
CANTILEVER WITH SILICON NEEDLE OF COMPLEX SHAPE

Изобретение относится к нанотехнологии и сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к кантилеверам, позволяющим в составе с зондовым микроскопом получать информацию о топографии образца и других физических характеристик его поверхности, таких как: например, проводимость, жесткость и химический состав.
Известен кантилевер содержащий консоль из монокристаллического кремния, сформированную диффузией примеси в пластину кремния с последующим селективным травлением, с расположенной на консоли из монокристаллического кремния кремневой иглы, сформированной анизотропным травлением пластины кремния с индексами кристаллографической ориентацией <100> [RU 2121657].
Недостаток этого устройства заключается в том, что кремниевая игла, сформированная анизотропным травлением на пластине кремния с индексами кристаллографической ориентацией <100>, будет представлять собой фигуру  конической формы по всей своей длине, включая ее вершину, причем вершина будет иметь угол 20°-40°. Такая форма устройства не позволяет исследовать поверхности, имеющие профили с вертикальными стенками или профили с высокоаспектными перепадами высот.  Более того, кремневая игла, имеющая форму конуса, при наиболее типовых значениях высоты иглы в пределах 7-18 мкм, будет иметь диаметр основания, соизмеримая со значением высоты, деленной на двое. Данное значение диаметра основания, как правило, превышает типовое значение толщины консоли, которое находится в пределах 1-3 мкм. Так как в указанном патенте консоль формируется с помощью диффузии примеси с последующим селективным травлением, то получаемая консоль будет содержать ямку, расположенную под основанием иглы. Такая ямка приведет к искажениям при оптическом способе формирования сигнала от консоли.
Известен также кантилевер, содержащий  основание, на котором закреплена  консоль из монокристаллического кремния с пьедесталом, на котором расположена игла, подставляющая собой вискер, выращенный эпитаксиально. Важнейшим свойством такого кантилевера является то, что вискер обладает высоким характеристическим отношением длины к диаметру, позволяющем таким кантилевером проводить сканирование поверхности, содержащей топологию с высокоаспетными перепадами высот [RU 2 275 591].
Недостаток этого устройства заключается в том, что изначально в данном устройстве игла является вискером, получение которого предполагается в процессе эпитаксиального роста, на уже имеющейся пьедестал из кремния. Эпитаксиальный рост вискеров является слабо управляемым процессом, в котором получение строго заданной высоты вискера крайне затруднено, что делает определение геометрических характеристик вискера без дополнительных измерений уже готового кантилевера так же затруднительным, что в свою очередь затрудняет массовое производство таких кантилеверов с заранее известными геометрическими характеристиками.
Так же слабоуправляемым при эпитаксиальном росте является получение вискера с заранее известным радиусом закругления его острия, что на практике требует конечного измерения уже сформированного вискера. Данный недостаток приводит так же к тому, что разрешающая способность такого кантилевера не предсказуема и интерпретация результатов сканирования исследуемой поверхности не будет иметь точных значений. Поэтому недостатком так же является то, что массовый выпуск таких кантилеверов, с заранее известным радиусом закругления острия вискера - затруднен, так как требует поштучного измерения уже готовых кантилеверов.
Так же размерный эффект при уменьшении диаметра вискера приводит к практическому исчезновению дислокаций в объеме вискера, что приводит к увеличению прочности в сотни раз по сравнению с массивными (обычными) монокристаллами. Отсутствие дислокаций также понижает тепло- и электропроводность, что в свою очередь ограничивает примирение таких кантилеверов в методиках, требующих высокой электропроводимости вискера и конкретно заданных вольт-амперных характеристик при взаимодействии вискера с исследуемой поверхностью.
Так как вискер является разновидностью невидных кристаллов, то допирование, для задания конкретных значений проводимости вискера, крайне затруднено в силу гетеррирования допирующих добавок, создающих дислокации в объеме нитевидных кристаллов,  на поверхность нитевидного кристалла.
Так же в результате того, что консоль и пьедестал в данном кантилевере изготовлены из монокристаллического кремния, являющегося полупроводником, то при росте вискера эпитаксиальным способом, в силу разнородности свойств материала вискера и консоли возможно не предсказуемое образование барьерных эффектов и p-n переходов в месте эпитаксиального роста вискера на пьедестале с непредсказуемыми характеристиками, что в свою очередь не предсказуемо скажется на результатах сканирования в методиках СЗМ использующие электрические свойства кантилевера.
Так же, так как рост вискера происходит на кремневом пьедестале, имеющем значительно больший диаметр самого вискера, то это означает, что в данном кантилевере на конце консоли фактически локализована значительная масса в виде пьедестала, что в свою очередь означает, что механика колебаний консоли будет иметь зависимость от этой массы. Так как в современных зондовых микроскопах наиболее массовым является оптический способ формирования измеряемого сигнала по отражению лазерного луча от консоли, то в случае оптического способа формирования сигнала, кантилевер с локализованной массой на конце консоли приводит к нелинейному искажению измеряемого сигнала.
Так же, при сканировании поверхности, изгиб консоли оказывает давление через иглу на исследуемую поверхность и при сканировании участков исследуемой поверхности имеющих наклон, происходит определенное соскальзывание иглы, и так как игла в данном случае является механическим рычагом, то это вызывает торсионное закручивание консоли. Это в свою очередь вызывает искажения в формируемом оптическим методом сигнале.  Чем меньше высота иглы, тем соответственно меньше механический рычаг вызывающий торсионное закручивание консоли и тем меньше искажения. Так как вискер растет на пьедестале, имеющем вполне определенную высоту, то фактически вискер поднят на высоту пьедестала относительно консоли, что добавляет длину рычага и усиливает эффект торсионного закручивания консоли.
Так же, в случае применения кантилевера в методиках, использующих высокотемпературные режимы, в силу разнородности материала пьедестала и вискера, и соответственно разных коэффициентов термического расширения,  в месте крепления вискера к пьедесталу будут возникать механические напряжения, что в свою очередь может привести к разрушению места крепления вискера к пьедесталу, что вызывает собственно разрушение кантилевера. Указанный эффект понижает надежность устройства.
Так как в современной зондовой микроскопии, помимо получения непосредственно формы топологии поверхности, важно получение точной количественной оценки размеров элементов топологии поверхности, а так же других характеристик, таких как проводимость, вязкость, силовые кривые взаимодействия иглы с поверхностью, распределение потенциала на поверхности, измерение емкости в точках поверхности, распределение сил трения на поверхности  и т.д., то использование данного кантилевера в метрологических методиках СЗМ затруднительно.
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Технический результат изобретения заключается в том, что кантилевер с кремневой иглой комплексной формы, при высокоаспектном соотношении длины и поперечного размера иглы комплексной формы,  консолью из монокристаллического кремния, пьедестала и заостренной рабочей части,  изготовленных из единого массива монокристаллического кремния, обладающими заведомо известными геометрическими размерами, а так же электрическими, механическими и температурными свойствами, обеспечивает более высокую разрешающую способность при сканировании исследуемой поверхности, а так же более высокую точность измеряемых физических характеристик объектов исследуемой поверхности.
Указанный технический результат достигается и сущность изобретения заключаются в том, что в кантилевере с кремневой иглой комплексной формы, содержащем основание, на котором закреплена  консоль из монокристаллического кремния  с кремниевой иглой комплексной формы, состоящей из заостренной рабочей части  и пьедестала, имеющего соотношение длины и  поперечного размера  не менее двух и не более шестидесяти и расположенного на плоскости консоли из монокристаллического кремния, консоль из монокристаллического кремния, пьедестал  и заостренная рабочая часть изготовлены из единого массива монокристаллического кремния.
Существует вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния, пьедестал  и заостренная рабочая часть  имеют одинаковые уровни допирования.
Существует также вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния  имеет отличный от пьедестала  и заостренной рабочей части   уровень допирования.
Существует также вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния  и пьедестал  имеют отличный от заостренной рабочей части  уровень допирования.
Существует также вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния, пьедестал  и заостренная рабочая часть  имеют разные уровни допирования.
Существует также вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния, пьедестал  и заостренная рабочая часть  в областях с разным  уровнем допирования образуют p-n переход.
Существует также вариант, в котором пьедестал  выполнен с периодичной рифленой боковой поверхностью.
Существует также вариант, в котором периодическая рифленая поверхность  пьедестала  состоит из конусных элементов.
Существует также вариант, в котором угол А между пьедесталом  и  плоскостью консоли из монокристаллического кремния  не равен 90°.
Существует также вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния, в месте ее крепления к основанию  имеет выступ-компенсатор.
Существует также вариант, в котором пьедестал  в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет  форму окружности.
Существует также вариант, в котором пьедестал  в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет многогранную форму.
Существует также вариант, в котором сечение В1-В2 пьедестала, параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью  кремниевой иглы комплексной формы  имеет площадь равную площади сечения В1-В2  основания заостренной рабочей части.
Существует также вариант, в котором сечение С1-С2 пьедестала, параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью  кремниевой иглы комплексной формы  имеет площадь большую площади сечения D1-D2 заостренной рабочей части  в зоне ее соединения с пьедесталом.
Существует также вариант, в котором сечение Е1-Е2 пьедестала, параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью  кремниевой иглы комплексной формы  имеет площадь меньшую площади  сечения F1-F2 заостренной рабочей части  в максимально широкой его части.
Существует также вариант, в котором на кремневую иглу комплексной формы  нанесено плазмонно-активное покрытие.
Существует также вариант, в котором на консоль из монокристаллического кремния  и кремневую иглу комплексной формы  нанесено проводящее покрытие.
Существует также вариант, в котором на консоль из монокристаллического кремния  и кремневую иглу комплексной формы  нанесено магнитно-чувствительное  покрытие.
Существует также вариант, в котором пьедестал  в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет четырехгранную форму и ориентирован гранями под углами К1 и  К2  к противоположным торцам  консоли из монокристаллического кремния.
Существует также вариант, в котором пьедестал  в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет восьмигранную форму и ориентирован гранями под углами К3 и  К4 к противоположным торцам  консоли  из монокристаллического кремния.
Существует также вариант, в котором пьедестал  выполнен, по меньшей мере, из первого элемента  и второго элемента,  имеющих разную площадь сечения, параллельного плоскости консоли из монокристаллического кремния.
На фиг. 1 схематически изображен кантилевер, вид сбоку.
На фиг. 2 схематически изображен кантилевер, в котором консоль из монокристаллического кремния  имеет отличный от пьедестала  и заостренной рабочей части   уровень допирования.
На фиг. 3 схематически изображен кантилевер, в котором консоль из монокристаллического кремния, пьедестал  и заостренная рабочая часть  имеют разные уровни допирования.
На фиг. 4 схематически изображен кантилевер, в котором консоль из монокристаллического кремния, пьедестал  и заостренная рабочая часть  в областях с разным  допированием образуют p-n переход.
На фиг. 5 схематически изображен кантилевер, в котором пьедестал  выполнен с периодичной рифленой боковой поверхностью.
На фиг. 6 схематически изображен кантилевер, в котором  периодическая рифленая поверхность  пьедестала  состоит из конусных элементов.
На фиг. 7 схематически изображен кантилевер, в котором в котором угол А между пьедесталом  и  плоскостью консоли из монокристаллического кремния  не равен 90°.
На фиг. 8 схематически изображен кантилевер, в котором консоль из монокристаллического кремния, в месте ее крепления к основанию  имеет выступ-компенсатор.
На фиг. 9 схематически изображен кантилевер,  в котором пьедестал  в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет  форму окружности.
На фиг. 10 схематически изображен кантилевер, в котором сечение пьедестала, параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью  кремниевой иглы комплексной формы  имеет площадь равную площади сечения основания заостренной рабочей части.
На фиг. 11 схематически изображен кантилевер,  в котором сечение С1-С2 пьедестала, параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью  кремниевой иглы комплексной формы  имеет площадь большую площади сечения D1-D2 заостренной рабочей части  в зоне ее соединения с пьедесталом.
На фиг. 12 схематически изображен кантилевер,  в котором сечение Е1-Е2 пьедестала, параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью  кремниевой иглы комплексной формы  имеет площадь меньшую площади  сечения F1-F2 заостренной рабочей части  в максимально широкой его части.
На фиг. 13 схематически изображен кантилевер,  в котором на кремневую иглу комплексной формы  нанесено плазмонно-активное покрытие.
На фиг. 14 схематически изображен кантилевер,  в котором на консоль из монокристаллического кремния  и кремневую иглу комплексной формы  нанесено проводящее покрытие.
На фиг. 15 схематически изображен кантилевер,  в котором на консоль из монокристаллического кремния  и кремневую иглу комплексной формы  нанесено магнитно-чувствительное  покрытие.
На фиг. 16 схематически изображен кантилевер,  в котором пьедестал  в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет четырехгранную форму и ориентирован гранями под углами К1 и  К2  к противоположным торцам  консоли из монокристаллического кремния.
На фиг. 17 схематически изображен кантилевер,  в котором пьедестал  в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет восьмигранную форму и ориентирован гранями под углами К3 и  К4 к противоположным торцам  консоли  из монокристаллического кремния.
На фиг.  18 схематически изображен кантилевер,  в котором пьедестал  выполнен, по меньшей мере, из первого элемента  и второго элемента,  имеющих разную площадь сечения, параллельного плоскости консоли из монокристаллического кремния.
На фиг. 19 представлена РЭМ фотография кантилевера с кремнивой иглой комплексной формы (основание  не показано).
Кантилевер с кремневой иглой комплексной формы содержит основание 1 (фиг. 1), на котором закреплена  консоль из монокристаллического кремния 2. В качестве основания 1 можно использовать монокристаллический кремний.  Консоль из монокристаллического кремния 2 может иметь следующие размеры, длина не менее 5 мкм и не более 500 мкм, ширина не менее 2 мкм и не более 100 мкм, толщина от 0,2 мкм до 10 мкм.  На консоли  из монокристаллического кремния 2 с противоположной стороны от ее закрепления на основании 1 установлена кремниевая игла комплексной формы 3, состоящая из заостренной рабочей части 4 и пьедестала 5, расположенного на плоскости консоли из монокристаллического кремния 2. При этом пьедестал 5 имеет соотношение длины Н1 и поперечного размера D в плоскости XY не менее двух и не более шестидесяти и расположенного на плоскости консоли из монокристаллического кремния 2. Консоль из монокристаллического кремния 2, пьедестал 5 и заостренная рабочая часть 4 изготовлены из единого массива монокристаллического кремния. Высота Н1 пьедестала 5 может быть в диапазоне от 2 мкм до 60 мкм. Высота Н2 заостренной рабочей части 4  может быть в диапазоне от 300 нм до 5000 нм.
Существует вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния 2, пьедестал 5 и заостренная рабочая часть 4 имеют одинаковые уровни допирования, которые могут находиться в диапазоне 1*10Е13см-3 до предельной растворимости допируемой примести.
Существует вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния 2 (фиг. 2) имеет отличный от пьедестала 5 и заостренной рабочей части  4 уровень допирования. Отличие может быть не менее чем в 10 процентов. При этом уровни допирования могут быть в диапазоне 1*10Е13см-3 до предельной растворимости допируемой примести.
Существует также вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния 2 (фиг. 3) и пьедестал 5 имеют отличный от заостренной рабочей части 4 уровень допирования. Отличие может быть не менее чем в 10 процентов. При этом уровни допирования могут быть в диапазоне 1*10Е13см-3 до предельной растворимости допируемой примести.
Существует также вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния 2 (фиг. 4), пьедестал 5 и заостренная рабочая часть 4 имеют разные уровни допирования. Отличие может быть не менее чем в 10 процентов. При этом уровни доирования могут быть в диапазоне 1*10Е13см-3 до предельной растворимости допируемой примести. Существует также вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния 2, пьедестал 5 и заостренная рабочая часть 4 в областях с разным уровнем допирования образуют p-n переход.
Существует также вариант, в котором пьедестал 5 (фиг. 5) выполнен с периодичной рифленой боковой поверхностью 6.  Период рифленой боковой поверхностью 6 может быть в диапазоне от 0,1 мкм до 3 мкм. Высота периодичной рифленой боковой поверхностью 6 может составлять величину от 50 нм до 500 нм.
Существует также вариант, в котором периодическая рифленая поверхность 6 (фиг. 6) пьедестала 5 состоит из конусных элементов 7. Конусные элементы могут иметь следующие размеры, диаметр конуса в максимальной его части может быть от 0,5 мкм до 8 мкм, диаметр конуса в минимальной его части может быть от 0,1 мкм до 6 мкм.
Существует также вариант, в котором угол А между пьедесталом 5 (фиг. 7) и  плоскостью  консоли из монокристаллического кремния 2 не равен 90°. При этом он может находиться в диапазоне от 45° до 89,9°.
Существует также вариант, в котором консоль из монокристаллического кремния 2 (фиг. 8), в месте ее крепления к основанию 1 имеет выступ-компенсатор 8, который может иметь следующие размеры. Минимальная  длина по координате Y - 10 мкм, максимальная длина может складываться из суммы длины основания 1 и длины тех частей выступа–компенсатора 8, которые выступают за пределы основания 1. Так при типичном значении длины основания 1 в 3600 мкм и максимальном значении выноса выступа-компенсатора за пределы основания 1 на 100 мкм, общая длинна выступа-компенсатора составит 3800 мкм.  Высота по координате Z  выступа-компенсатора 8 может быть от 2 мкм до 60 мкм. Ширина по координате  Х может быть от 2 мкм до 50 мкм. При этом поверхность 9 выступа-компенсатора 8 может быть смещена влево на величину, например, до 150 мкм относительно основания 1 по координате Y, как указано на фиг. 8, либо с ним совпадать (не показано). Торец 10 консоли из монокристаллического кремния 2 может выступать по координате Y влево от пьедестала 5 на величину, например, до 20 мкм как указано на фиг. 8, либо совпадать с его краем (не показано).
Существует также вариант, в котором пьедестал 5 (фиг. 9) в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет  форму окружности, диаметр которой может находиться в диапазоне от 0,1 мкм до 7 мкм.
Существует также вариант, в котором пьедестал 5  в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет многогранную форму (условно не показано). Данная многогранная форма может быть образована кристаллографическим плоскостями монокристаллического кремния, сформированными анизотропным жидкостным травлением и может иметь, например, четырех или восьмигранную форму, так и иметь произвольное количество  граней, не лежащих в кристаллографических плоскостях сформированных при анизотропном жидкостном травлении и образованных плазмохимическим травлением, не имеющем анизотропии по отношению к кристаллографическим плоскостям в монокристаллическом кремнии.
2
2
2
2
Существует также вариант, в котором сечение пьедестала 5 В1-В2 (фиг. 10), параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью 4 кремниевой иглы комплексной формы 3 имеет площадь равную площади сечения В1-В2 основания заостренной рабочей части 4. При этом площадь этого сечения может быть в диапазоне 0,02 мкм до 40 мкм. Наиболее оптимальные значения площади сечения В1-В2 при высоте Н1 пьедестала 5 и высоте Н2 заостренной рабочей части 4  могут быть в следующих диапазонах. При высоте Н1 не менее 5 мкм и не более 18 мкм, высоте Н2 не менее 0,3 мкм и не более 5 мкм значение площади сечения В1-В2 может находиться в интервале от 0,03 мкмдо 7 мкм.
Существует также вариант, в котором сечение С1-С2 пьедестала 5 (фиг. 11), параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью 4 кремниевой иглы комплексной формы 3 имеет площадь большую площади сечения D1-D2 заостренной рабочей части 4 в зоне ее соединения с пьедесталом 5. Под зоной соединения подразумевается зона высотой до 1 мкм по координате  Z и в пределах которой конструкция пьедестала 5 переходит в конструкцию заостренной рабочей части 4.  Указанные сечения  С1-С2 и D1-D2 условно изображены не в масштабе с целью лучшей визуализации.
2
2
2
2
Существует также вариант, в котором сечение Е1-Е2 пьедестала 5 (фиг. 12), параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью 4 кремниевой иглы комплексной формы 3 имеет площадь меньшую площади  сечения F1-F2 заостренной рабочей части 4 в максимально широкой его части.  Площадь  сечения F1-F2 может находиться в диапазоне от 0,2 мкм до 12 мкм. Площадь  сечения Е1-Е2 может находиться в диапазоне от 0.03 мкмдо 10 мкм.
Существует также вариант, в котором на кремневую иглу комплексной формы 3 (фиг. 13) нанесено плазмонно-активное покрытие 11. Это покрытие может быть выполнено из нитридов металлов имеющих плазмонную активность.  Например, покрытие может быть выполнено из нитрида титана, нитрида циркония, нитрида гафния или комбинации этих нитридов, или из металлов, имеющих плазмонную активность, например, золото, серебро или комбинации этих металлов, и иметь толщину от 20 нм до 500 нм.
Существует также вариант, в котором на консоль из монокристаллического кремния 2 (фиг. 14) и кремневую иглу комплексной формы 3 нанесено проводящее покрытие 12. Это покрытие может быть выполнено из металлов обладающих химической инертностью, например, платины, золота, или карбидов металлов, имеющих проводимость. Например, карбид вольфрама, или нитридов металлов имеющих проводимость, например, нитрид титана, или силицидов металлов, например, силицид платины и иметь толщину от 20 нм до 500 нм.
Существует также вариант, в котором на консоль из монокристаллического кремния 2 (фиг. 15) и кремневую иглу комплексной формы 3 нанесено магнитно-чувствительное  покрытие 13. Это покрытие может быть выполнено из комбинации материалов, входящих в состав  магнитно-чувствительных пленок, таких как кобальт, никель, хром, платина, железо и иметь толщину от 20 нм до 500 нм.
Существует также вариант, в котором пьедестал 5 (фиг. 16) в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, имеет четырехгранную форму и ориентирован гранями под углами К1 и  К2  к противоположным торцам 14 консоли  из монокристаллического кремния 2. Углы К1 и К2 могут составлять величины от 0° до 60°.
Существует также вариант, в котором пьедестал 5 (фиг. 17) в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, имеет восьмигранную форму и ориентирован гранями под углами К3 и  К4 к противоположным торцам 14 консоли 2 из монокристаллического кремния 2. Углы К1 и К2 могут составлять величины от 0° до 45°.
Существует также вариант, в котором пьедестал 5 (фиг. 18) выполнен, по меньшей мере, из первого элемента 15 и второго элемента 16, имеющих разную площадь сечения, параллельного плоскости консоли из монокристаллического кремния 2. Величины этих площадей могут отличаться не мене чем на 5%. Количество элементов, имеющих разную площадь сечения, может составлять величину от 2 до 30.
Кантилевер с кремневой иглой комплексной формы может быть изготовлен  на основе стандартных процессов, используемых в микроэлектронной промышленности, согласно следующему маршруту.
15
16
-3
На кремневой пластине (далее подложка), с кристаллографической ориентацией с индексами <100> и  имеющей изначально акцепторный тип примеси, например бор, путем термического окисления создается окисный слой, далее на верхней стороне подложки с помощью методов фотолитографии формируется полимерная маска для начального травления кремневой иглы комплексной формы 3, далее по образованной полимерной маске производиться жидкостное травление окисного слоя, в результате чего образуется окисная маска, повторяющая форму полимерной маски. После этого полимерная маска удаляется. Далее формируется заостренная рабочая часть 4, путем  травления кремния по окисной маске в жидкостном анизотропном травителе, представляющем собой перенасыщенный раствор едкого калия при температуре 90°С. Травление производится на глубину, равную высоте Н2 заостренной рабочей части 4 (Фиг. 1). В силу того, что свойства жидкостного анизотропного травителя таковы, что скорости травления в направлении кристаллографических плоскостей, не равных плоскости с индексом  <111>,  хоть и являются приблизительно одинаковыми, но тем не менее имеют различия. Исходя из этого, и в силу того, что кремний имеет кристаллическую кубическую гранецентрированную решетку типа алмаза, формирование заостренной рабочей части 4 происходит из под окисной маски с образованием плоскостей, которые образуют ограненный конус, количество граней которого и угол их наклона к плоскости, параллельной плоскости подожки в свою очередь определяется температурой и составом травителя, а так же начальной формой окисной маски.  Так, например, из под круглой окисной маски в перенасыщенном растворе едкого натра при температуре 90°С будет формироваться четырехгранная форма конуса с углами наклона этих плоскостей к плоскости, параллельной плоскости подложки от 10°С до 23°С. При понижении концентрации травителя будет формироваться конус с восемью гранями и углами наклона этих плоскостей к плоскости параллельной плоскости подложки от 12° до 30°. В свою очередь из под треугольной окисной маски, ориентированной хотя бы одной стороной треугольника параллельно кристаллографической плоскости с индексом <100>,  будет формироваться конус с тремя гранями с углами наклона этих плоскостей к плоскости, параллельной плоскости подложки от 5° до 23°.  Таким образом, на данном этапе технологического маршрута формируется заостренная рабочая часть 4. Далее формируется пьедестал 5, путем того, что по ранее сформированной окисной маске, по которой ранее была сформирована заостренная рабочая часть 4, производится дальнейшее плазмохимическое травление кремния с вертикальным профилем травления. Это может быть BOSCH процесс или реактивно ионное травление в режимах высокой селективности травления кремния по отношению к маске из оксида кремния.  В случае, если травимая подложка расположена перпендикулярно по отношению к направлению потока химически активных ионов, то формируемые профили травления будут иметь вертикальные стенки, тем самым пьедестал будет сформирован так же перпендикулярно относительно подложки. Если травимую подложку сориентировать под углом А по отношению к направлению потока химически активных ионов, то и формируемые профили травления будут иметь наклон стенок с тем же углом А, тем самым пьедестал будет сформирован под углом А относительно подложки.  Травление производится на глубину равной высоте Н1 пьедестала 5.  Получаемый на данном промежуточном технологическом этапе пьедестал 5, в сечении параллельном плоскости подложки, будет иметь форму, повторяющую форму окисной маски. Далее производится утонение пьедестала 5 и дальнейшее травление заостренной рабочей части 4. Утонение производиться в жидкостном анизотропном травителе, например, в перенасыщенном растворе едкого натра при температуре 90°С. В силу того, что пьедестал 5, предварительно сформированный вертикальным плазмохимическим травлением, не содержит плоскостей с индексом <111>,  травление в жидкостном анизотропном травителе будет проходить с сохранением вертикальности конструкции пьедестала 5. Утонение производится до необходимого значения площади сечения пьедестала 5, параллельного плоскости подложки. Таким образом, формируется кремневая игла комплексной формы 3. Далее происходит формирование консоли, путем термической диффузии фосфора с образованием p-n перехода, залегающего на глубине вдвое большей необходимой толщины консоли из монокристаллического кремния 2. Степень легирования фосфором составляет величину 10-10 см. Затем на верхней стороне подложки методом термического окисления формируется слой оксида кремния. По данному окисному слою методом фотолитографии с лицевой стороны формируется полимерная маска для формирования защитной маски из окисла кремния консоли из монокристаллического кремния 2 и кремневой иглы комплексной формы 3. Одновременно на нижней стороне подложки формируют локальную маску для анизотропного травления кремния, в результате чего образуется основание 1, и далее проводят термическое осаждение алюминия на верхнюю сторону пластины для создания омического контакта к n-кремнию, далее осуществляют электрохимическое стоп-травление кремния с нижней стороны пластины. Травление прекращается автоматически при достижении n-слоя. При этом образуется кремниевая мембрана заданной толщины (двойная толщина консоли). Формирование консоли кантилевера осуществляют анизотропным травлением кремниевой мембраны с двух сторон пластины, затем осуществляют удаление металлов и двухслойной защитной маски с иглы и консолей кантилевера.
На практике наиболее часто используемые размеры основания 1 кантилевера для сканирующего зондового микроскопа по координате X составляет 1600 мкм, по координате Y составляет 3200 мкм, при этом толщина консоли из монокристаллического кремния 2 (значение по координате Z) может варьироваться от 0,3 мкм до 10 мкм, при том, что ширина (значение по координате X) может варьироваться от 2 мкм до 100 мкм и длина  (значение по координате Y) может быть от 5 мкм до 500 мкм.
На фиг. 19 представлена РЭМ фотография консоли из монокристаллического кремния и кремневой иглы комплексной формы. Величина оценочного деления в нижнем правом углу фиг. 19 равна 5 мкм, толщина консоли из монокристаллического кремния равна 3 мкм, высота кремневой иглы комплексной формы равна 14 мкм, толщина 3.3 мкм. Данное изображение на фиг. 19 иллюстрирует практическую реализацию кантилевера с кремневой иглой комплексной формы.
Кантилевер с кремневой иглой комплексной формы функционирует следующим образом. При сканировании исследуемой поверхности образца консоль из монокристаллического кремния 2 возбуждается на собственной резонансной частоте, совершая колебания по координате Z, далее сканирующим зондовом микроскопом (СЗМ) (не показан) производится сканирование кантилевером исследуемой поверхности с заданным подводом иглы комплексной формы 3 к исследуемой поверхности. При взаимодействии иглы комплексной формы 3 с исследуемой поверхностью происходит изменение параметров колебания консоли из монокристаллического кремния 2 (частота, амплитуда, фаза). Изменение этих характеристик измеряется сканирующим зондовым микроскопом. Для этого в измеряемом сигнале выделяется частота колебания консоли из монокристаллического кремния 2 и определяется изменение параметров колебания. Например, при оптическом считывании сигнала в СЗМ выходной сигнал поступает с фотодиода. Он содержит информацию о частоте колебания, ее девиации и изменении фазы. После этого сигнал поступает компьютер, в котором происходит визуализация исследуемой поверхности и моделирование ее физических характеристик. Подробно работа СЗМ и их методики описаны в следующих источниках [1. Миронов В.Л. “Основы сканирующей зондовой микроскопии”, Российская Академия наук, институт физики микроструктур, 2004 год. 2. Патент US 4724318. 3.Nanotechnology 12, 485 (2001). 4. Appl. Phys. Lett. 58, 2921 (1991). 5. P. Grutter, H.J. Mamin, D. Rugar, in Scanning Tunneling Microscopy II, edited by R. Wiesendanger and H.-J. Guntherodt (Springer, Berlin, 1992) pp. 151-207. 6. C. Lee et al., “Tip-Enhanced Raman Scattering Imaging of Two-Dimensional Tungsten Disulfide with Optimized Tip Fabrication Process,” Sci. Rep., vol. 7, no. September 2016, p. 40810, Jan. 2017. doi:10.1038/srep40810].
То, что в кантилевере с кремневой иглой комплексной формы, содержащем основание 1, на котором закреплена  консоль из монокристаллического кремния 2 с кремниевой иглой комплексной формы 3, состоящей из заостренной рабочей части 4 и пьедестала 5, имеющего соотношение длины и поперечного размера не менее двух и не более шестидесяти и расположенного на плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, консоль из монокристаллического кремния 2, пьедестал 5 и заостренная рабочая часть 4 изготовлены из единого массива монокристаллического кремния, обеспечивает более высокую разрешающую способность при сканировании исследуемой поверхности, а так же более высокую точность измеряемых физических характеристик объектов исследуемой поверхности.
При этом в консоль из монокристаллического кремния 2  и/или в иглу комплексной формы  3 возможно введение методами термической диффузии или ионной имплантации допирующих добавок. Эти допирующие добавки  позволяют с высокой точностью задать удельную проводимость этих элементов. Это позволяет иметь однозначное значение электрических характеристик элементов кантилевера, что обеспечивает более высокую точность измеряемых физических характеристик объектов исследуемой поверхности.
Так же в силу однородности конструкции консоли из монокристаллического кремния, пьедестала и заостренной рабочей части, полностью исключено образование барьерных эффектов внутри конструкции кантилевера, которые не заложены технологически. Так как данный кантилевер производится на основе стандартных массовых и хорошо отлаженных высокоточных процессов, применяемых в микроэлектронной промышленности, то точность изготовления элементов кантилевера с кремневой иглой комплексной формы будет определяться точностью технологических процессов. Это позволяет утверждать о высокой однотипности геометрических размеров и электрических характеристиках при массовом производстве. Это обеспечивает более высокую разрешающую способность при сканировании исследуемой поверхности, а так же более высокую точность измеряемых физических характеристик объектов исследуемой поверхности.
Так же в силу того, что игла комплексной формы 3 имеет высокоаспектное соотношение длины и поперечного размера, то такая игла всегда будет иметь меньшую массу, чем  аналогичная по высоте конструкция иглы, имеющая коническую форму по всей своей длине, включая вершину. В предлагаемом   варианте устройства отсутствуют значительные массы, локализованные на конце консоли из монокристаллического кремния 2. Это в свою очередь позволяет говорить о том, что консоль из монокристаллического кремния 2 будет совершать колебания, близкие к гармонической осцилляции. Это в свою очередь обеспечивает большую линейность при оптическом методе формирования сигнала в СЗМ, что позволяет получать более высокую разрешающую способность при сканировании исследуемой поверхности, а так же более высокую точность измеряемых физических характеристик объектов исследуемой поверхности.
Так же в силу того, что конструкции консоли из монокристаллического кремния 2, пьедестала 5 и заостренной рабочей части 4 изготовлены из единого массива монокристаллического кремния, коэффициенты термического расширения консоли из монокристаллического кремния 2, пьедестала 5 и заостренной рабочей части 4 будут так же одинаковые. В случае применения кантилевера с иглой комплексной формы в методиках измерения, требующих высоких температур, указанное делает предлагаемое устройство  механически стабильным. Это обеспечивает более высокую разрешающую способность при сканировании исследуемой поверхности, а так же более высокую точность измеряемых физических характеристик объектов исследуемой поверхности, а так же повышает надежность устройства.
Все перечисленные первичные технические результаты повышают разрешающую способность кантилевера с кремневой иглой комплексной формы при его использовании в сканирующем зондовом микроскопе, а так же позволяют проводить измерения, имеющие метрологическое значение с получением точных численных значений измеряемых величин при сканировании исследуемой поверхности по всем известным современным методикам, применяемым в сканирующих зондовых микроскопах
То, что консоль из монокристаллического кремния 2, пьедестал 5 и заостренная рабочая часть 4 имеют одинаковые уровни допирования, позволяет получить однородность проводимости указанных элементов, что обеспечивает более высокую точность измеряемых электрических характеристик объектов исследуемой поверхности.
То, что консоль из монокристаллического кремния 2 имеет отличный от пьедестала 5 и заостренной рабочей части  4 уровень допирования, позволяет иметь разную подвижность носителей заряда в заостренной рабочей части 4 и пьедестала 5 от подвижности носителей заряда в консоли монокристаллического кремния 2. Действительно, при увеличении значения допирования растет концентрация примесей, при этом подвижность носителей заряда уменьшается, так как увеличивается их рассеяние на ионах примести. При малой концентрации примесей подвижность имеет максимальное значение, однако проводимость падает, так как общее значение количества носителе заряда так же падает. При использовании кантилевера с кремневой иглой комплексной формы в режиме сканирующей емкостной моды необходимо подведение высокачастотного потенциала к консоли из монокристаллического кремния 2.  Данный потенциал необходим для возбуждений механических колебаний консоли из монокристаллического кремния 2. Математическая модель для расчета емкостной силы взаимодействия между кантилевером и поверхностью образца зависит от геометрии кантилевера в целом, а также от  проводимости  его элементов и подвижности носителей заряда в них. Различная подвижность носителей заряда и различные проводимости консоли из монокристаллического кремния 2, пьедестала 5 и заостренной рабочей части 4 позволяет включать их в математическую модель как отдельные элементы.  За счет этого удается упростить математическую модель для расчета емкостной силы взаимодействия. Вторая производная от силы взаимодействия,  которая зависит только от емкости кантилевер - образец, а так же от величины зазора кантилевер - образец, несет информацию, о распределения поверхностной емкости по образцу. Упрощение математической модели расчета в свою очередь приводит к повышению точности измерения и однозначной интерпретации полученных значений.
То, что консоль из монокристаллического кремния 2 и пьедестал 5 имеют отличный от заостренной рабочей части 4 уровень допирования, как и в предыдущем пункте, позволяют упростить модель для расчета силы емкостного взаимодействия между кантиливером и исследуемой поверхностью. В математическую модель для расчета емкостной силы взаимодействия, консоль из монокристаллического кремния 2 и пьедестала 5 могут включаться как отдельные от  заостренной рабочей части 4 элементы.
Упрощение математической модели расчета в свою очередь приводит к повышению точности измерения и однозначной интерпретации полученных значений.
То, что консоль из монокристаллического кремния 2, пьедестал 5 и заостренная рабочая часть 4 имеют разные уровни допирования, как и в предыдущем пункте, позволяют упростить модель для расчета силы емкостного взаимодействия между кантиливером и исследуемой поверхностью, рассчитывая модель взаимодействия консоли из монокристаллического кремния 2,  пьедестала 5 и заостренной рабочей части 4 как отдельных элементов.
Упрощение математической модели расчета в свою очередь приводит к повышению точности измерения и однозначной интерпретации полученных значений.
То, что консоль из монокристаллического кремния 2, пьедестал 5 и заостренная рабочая часть 4 в областях с разным уровнем  допирования образуют p-n переход позволяет при сканировании исследуемой поверхности при подведении потенциала, к исследуемой поверхности через кантилевер, иметь фиксированное значение падения напряжения на p-n переходе, при условии температурной стабильности и при той полярности потенциала, при котором p-n переход открыт. Действительно, известно, что при подведении потенциала на p-n переход, при котором p-n переход открыт, на p-n переходе падает напряжение, которое зависит от физических свойств p-n перехода. Так на диоде Шоттки напряжение падает порядка 0.2 В на p-n переходе в кремниевом диоде падает порядка 0.6 В. Данное явление позволяет иметь разницу потенциалов известной величины, локализованную непосредственно в районе иглы комплексной формы 3, которая не зависит от сопротивления всего кантилевера, включая консоль из монокристаллического кремния 2, которая может иметь различную длину и толщину, и тем самым различное электрическое сопротивление. Постоянная локализованная разница потенциалов в районе иглы комплексной формы 3 позволяет повысить точность измерения исследуемой поверхности при электрических измерениях, требующих опорных источников напряжения.
То, что пьедестал 5 выполнен с периодичной рифленой боковой поверхностью 6 позволяет рассевать свет, падающий на рефренную поверхность, тем самыми уменьшать паразитные засветки системы оптического съема информации СЗМ, что в свою очередь увеличивает соотношение сигнал шум при формировании сигнала при сканировании исследуемой поверхности, что повышает точность измерения.
То, что периодическая рифленая поверхность 6 пьедестала 5 состоит из конусных элементов 7 так же позволяет переотражать свет, падающий на конусные элементы, в ином направлении от системы оптического съема информации СЗМ, тем самыми уменьшать паразитные засветки системы оптического съема информации зондового микроскопа, что в свою очередь увеличивает соотношение сигнал шум при формировании сигнала при сканировании исследуемой поверхности, что повышает точность измерения.
То, что угол А между пьедесталом 5 и  плоскостью консоли из монокристаллического кремния 2 не равен 90° позволяет сориентировать иглу комплексной формы 3 перпендикулярно исследуемой поверхности. Действительно, в конструкции большинства зондовых СЗМ, кантиливер ориентируется под определенным углом наклона консоли из монокристаллического кремния 2 к исследуемой поверхности, что при 90 градусном ориентировании иглы комплексной формы 3 относительно консоли, приводит к том, что игла сканирует исследуемую поверхность так же под углом, что приводит к искажениям геометрии получаемого СЗМ изображения. Если угол наклона иглы А не будет равен 90° и будет ориентирован перпендикулярно исследуемой поверхности, это повысит точность измерения исследуемой поверхности.
То, что консоль из монокристаллического кремния 2, в месте ее крепления к основанию 1 имеет выступ-компенсатор 8 позволяет иметь более фиксированную длину консоли из монокристаллического кремния 2, что в свою очередь позволяет иметь фиксированные резонансные характеристики консоли, что в свою очередь повышает точность измерения.
То, что пьедестал 5 в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет  форму окружности позволяет при сканировании исследуемой поверхности с глубокими профилями, иметь заведомо известные вносимые искажения. Действительно, игла комплексной формы 3 ориентирована в СЗМ так, что имеет наклон к исследуемой поверхности.  Из-за этого при исследовании поверхности с глубокими  профилями,  игла комплексной формы 3 будет взаимодействовать механически с рельефом поверхности, как заостренной рабочей частью 4 так и пьедесталом 5. Вносимые искажения, которые возникают при взаимодействии пьедестала 5 и исследуемого рельефа являются следствием взаимодействия рельефа с цилиндрической поверхностью пьедестала 5.  Данный вид астигматизма может быть легко учтен в математической модели при реконструкции измеренного рельефа в зондовом микроскопе, что повышает точность измерений.
То, что пьедестал 5 в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния, имеет многогранную форму позволяет формировать механические ребра жесткости, образованные гранями пьедестала 5, что в случае высокоаспектного соотношения длины пьедестала к площади его сечения, позволяет  пьедесталу иметь механическую жесткость, что не позволяет игле комплексной формы 3 изгибаться при механическом взаимодействии с поверхностью, что в свою очередь повышает точность измерения.
То, что сечение пьедестала 5, параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью 4 кремниевой иглы комплексной формы 3 имеет площадь равную площади сечения основания заостренной рабочей части 4 позволяет игле комплексной формы 3 при сканировании исследуемой поверхности с глубокими профилями, вносить минимальные искажения в формируемое в СЗМ  изображение, что повышает точность измерения.
То, что сечение С1-С2 пьедестала 5, параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью 4 кремниевой иглы комплексной формы 3 имеет площадь большую площади сечения D1-D2 заостренной рабочей части 4 в зоне ее соединения с пьедесталом 5 позволяет сформировать поверхность в зоне соединения иглы и пьедестала, которая образованна разницей площади пьедестала 5 и площади заостренной рабочей части 4. Даная поверхность позволяет увеличить электрическую емкость, между иглой комплексной формы 3 и измеряемой поверхностью, что в свою очередь увеличивает силу, необходимую для возбуждения колебания консоли из монокристаллического кремния 2 путем приложения соответствующего потенциала к кантилеверу, что необходимо в методе Зонда Кельвина, который используется  для измерения контактной разности потенциалов между зондом и образцом. Данная конструкция повышает чувствительность в методе Зонда Кельвина, что в свою очередь повышает точность измерения.
То, что сечение Е1-Е2 пьедестала 5, параллельное плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, в зоне его соединения с заостренной рабочей частью 4 кремниевой иглы комплексной формы 3 имеет площадь меньшую площади  сечения F1-F2 заостренной рабочей части 4 в максимально широкой его части, позволяет уменьшить возможность касания пьедестала измеряемого рельефа при сканировании поверхности имеющей глубокие профили, что в свою очередь уменьшает искажения, вызванные такими касаниями, что повышает точность измерения.
То, что на кремневую иглу комплексной формы 3 нанесено плазмонно-активное покрытие 11 позволяет получить более высокое усиление рамановского сигнала от измеряемой поверхности благодаря тому, что игла комплексной формы 3, имеющая большое соотношение длинны к сечению пьедесталу, обеспечивает такой геометрией однородный и протяженный участок плазмонно-активного покрытия, что позволяет создать условия, при которых плазмонное усиление рамановского сигнала является максимальным, что повышает точность измерения.
То, что на консоль из монокристаллического кремния 2 и кремневую иглу комплексной формы 3 нанесено проводящее покрытие 12 позволяет проводить электрические измерения с учетом линейного падения потенциала на проводящем покрытии, нанесенным на кремневую иглу комплексной формы 3 и консоль из монокристаллического кремния 2, за счет того, что проводящее покрытие, нанесенное на пьедестал 5, имеет протяженную форму постоянного сечения, повторяющее форму пьедестала 5.  В свою очередь консоль из монокристаллического кремния 2 так же имеет геометрическую форму прямоугольника, что так же обеспечивает линейное падение напряжение на проводящем покрытии, нанесенном на консоль из монокристаллического кремния 2. Сама заостренная рабочая часть 4 имеет крайне малые размеры относительно конструкции консоли из монокристаллического кремния 2 и пьедестала 5, что вносит малые изменения в линейность всех элементов проводящего покрытия. Таким образом, вся конструкция в целом, на которую нанесено проводящее покрытие, позволяет подводить потенциал к измеряемой поверхности через проводящее покрытие, падение потенциала на котором имеет линейную зависимость на всех его участках, что в свою очередь повышает точность измерения.
То, что на консоль из монокристаллического кремния 2 и кремневую иглу комплексной формы 3 нанесено магнитно-чувствительное  покрытие 13 позволяет локализовать взаимодействие измеряемой поверхности с магнитным покрытием, за счет того, что кремневая игла комплексной формы 3 имеет высокоаспектное соотношение длины к поперечному размеру и фактически с исследуемой поверхностью взаимодействует только магнитно-чувствительное покрытие, нанесенное на заостренную рабочую часть 4, что повышает точность измерения.
То, что пьедестал 5 в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, имеет четырехгранную форму и ориентирован гранями под углами В1 и  В2  к противоположным торцам 14 консоли из монокристаллического кремния 2 позволяет при сканировании поверхностей, имеющих периодичные протяженные структуры, ориентируя грани пьедестала 5 относительно направления сканирования так, что бы периодичные структуры на исследуемой поверхности были ориентированы под 45° к граням пьедестала 5, иметь максимальную жесткость конструкции пьедестала 5, что обеспечивает высокую точность измерения.
То, что пьедестал 5 в сечении, параллельном плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, имеет восьмигранную форму и ориентирован гранями под углами В3 и  В4 к противоположным торцам 14 консоли 2 из монокристаллического кремния 2 позволяет, при применении кантилевера в методиках измерений рамановского сигнала от молекул исследуемой поверхности с использованием плазмонно-активных покрытий, нанесенных на кремнивую иглу комплексной формы 3, ориентировать пьедестал 5 относительно падающего на пьедестал 5 возбуждающего лазерного излучения таким образом, что бы возбуждение плазмонно-активного покрытия было максимальным, что повышает точность измерения.
То, что пьедестал 5 выполнен из последовательности, по меньшей мере, первого элемента 15 и второго элемента 16,  имеющих разную площадь сечения, параллельного плоскости консоли из монокристаллического кремния 2, позволяет иметь различную массу элементов 15 и 16. Действительно, при возбуждении консоли из монокристаллического кремния 2 на частотах выше 500 килогерц, при которых смещенные массы элементов 15 и 16 кремневой иглы комплексной формы 3 относительно оси симметрии консоли из монокристаллического кремния 2, начинают оказывать влияние на гармоническую осцилляцию консоли из монокристаллического кремния. Подбирая соотношение площадей сечения, и тем самым распределение масс элементов 15 и 16, можно минимизировать искажение гармонической осцилляции консоли, что повышает точность измерения.