СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АПЕРТУРНЫХ ЗОНДОВ ДЛЯ БЛИЖНЕПОЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ
METHOD FOR MANUFACTURING APERTURE PROBES FOR NEAR-FIELD OPTICAL MICROSCOPY

Заявляемое изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии, а точнее к сканирующей ближнепольной оптической микроскопии высокого разрешения и может быть использован для изготовления зондов кантилеверного типа, предназначенных для исследования рельефа и локальных свойств материалов.
Техническим результатом изобретения является достижение заданных значений геометрических параметров острия апертурного зонда, обеспечивающих пропускание оптического излучения через входную и выходную апертуры с целью реализации возможности детектирования ближнепольного оптического сигнала с максимальной точностью, интенсивностью и разрешающей способностью, и минимальными потерями, в сочетании с возможностью получения изображений рельефа поверхности в режиме атомно-силовой микроскопии.
Задачами предлагаемого изобретения является повышение разрешающей способности получаемых изображений методом сканирующей ближнеполной оптической микроскопии; снижение разброса параметров изготавливаемых зондов; универсальность применения зондов для одновременной реализации методик атомно-силовой и ближнепольной оптической микроскопии.
На данный момент времени известен зонд для ближнепольного оптического микроскопа по патенту на изобретение № RU2731164, который может выступать в качестве аналога предлагаемой разработки. Зонд представляет собой оптически прозрачный заостренный капиллярный элемент со средством оптического согласования на его конце. Общие операции с заявляемым способом:
а) формирование входного отверстия ввода излучения;
б) формирование отверстия вывода излучения;
в) формирование острия конусной формы.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: конструкция данного зонда, реализованная на основе оптического волокна, что требует обязательного покрытия зонда металлической пленкой, и накладывает ограничения, как на возможности сканирования зондом поверхности, так и на достижение минимальных значений радиуса закругления острия и диаметра апертуры, что в свою очередь ограничивает разрешающую способность исследований; необходимость электрохимического травления при изготовлении острия конусной формы не обеспечивает высокого уровня воспроизводимости параметров острия и достаточной чистоты проведения процесса; необходимость использования резонатора камертонного типа для работы зонда, что существенно усложняет процесс измерений.
Известен способ изготовления наноигольчатого зонда для сканирующей зондовой микроскопии критических разрешений по патенту на изобретение № US20090106869, содержащий зонд с наноразмерным острием пирамидальной формы, на котором методом ионно-стимулированного осаждения выращена игла для реализации методики критических разрешений сканирующей зондовой микроскопии.
Общие операции с заявляемым способом:
а) использование чипа стандартного кантилевера для сканирующей зондовой микроскопии в качестве основы;
б) формирование острия методом локального ионного-стимулированного осаждения;
в) выполнение операции осаждения в вакуумной камере.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются то, что аналог не содержит апертуры и не может быть использован в реализации апертурного метода сканирующей ближнепольной оптической микроскопии; несимметричность острия, в результате чего направление сканирования существенно влияет на результаты измерений; хрупкость и недолговечность зондов такой конструкции.
«
Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, является зонд для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии, описанный в диссертации А.В.Шелаева Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия и спектроскопия с использованием зондов кантилеверного типа» на соискание ученой степени кандидата наук [1]. Зонд имеет острие пирамидальной формы с углом при вершине 70°, покрытое тонкой пленкой алюминия толщиной 100 нм.
Общие операции с заявляемым способом:
а) использование чипа стандартного кантилевера для сканирующей зондовой микроскопии в качестве основы;
б) формирование выходной апертуры оптического излучения методом локального травления фокусированным ионным пучком;
в) покрытие острия зонда тонкой пленкой металла.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются невозможность изменять параметры острия зонда, что снижает разрешающую способность исследований в режиме атомно-силовой микроскопии и эффективность работы в режиме сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Высокая технологическая сложность изготовления зондов приводит к снижению повторяемости геометрических параметров формируемого острия.
Следующие иллюстрации раскрывают сущность изобретения:
Фиг. 1. - Схематическое изображение чипа кантилевера, где 1 острие зонда, 2 балка кантилевера, 3 чип зонда;
Фиг. 2. - Структура острия апертурного зонда для ближнепольной оптической микроскопии;
Фиг. 3. - Геометрические параметры острия предлагаемых СБОМ-зондов;
Фиг 4. - Условные обозначения параметров зонда;
Фиг 5. - Острие апертурного СБОМ-зонда (угол 60°);
Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет применения технологий локального ионно-лучевого травления и локального ионно-стимулированного осаждения материалов (углерода, вольфрама, платины) для формирования острия апертурного зонда для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии с заданными геометрическими параметрами (угол острия, высота острия, диаметр входной апертуры, диаметр выходной апертуры) на основе стандартного кантилевера 1 с микромеханической консолью, на которой методом ионно-лучевого травления формируется входная апертура для оптического излучения, что видно в элементе 3 на фиг.2. На входной апертуре методом локального ионно-стимулированного осаждения материалов формируется острие в виде полого конуса, что видно в элементе 1 на фиг. 2, диаметр основания которого больше, чем диаметр входной апертуры.
Технический результат достигается еще и тем, что выходная апертура - элемент 4 на фиг. 2, формируется в процессе ионно-стимулированного осаждения. Последующая операция ионно-лучевого травления не требуется.
Технический результат достигается также тем, что в процессе ионно-стимулированного осаждения формируется острие в виде полого конуса без выходного отверстия, а выходное отверстие формируется на следующем этапе методом ионно-лучевого травления фокусированным ионным пучком.
Технический результат достигается также тем, что по завершении процессов ионно-стимулированного осаждения острие сверху покрывается тонкой пленкой металла.
Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:
а) применение метода ионно-лучевого травления для формирования входной апертуры для оптического излучения;
б) применение метода локального ионно-стимулированного осаждения для формирования полого конического острия;
в) возможность изменения геометрических параметров острия зонда в широких пределах 3.
Осуществление способа происходит следующим способом.
Для формирования полого конического острия зонда 1 в балке кантилевера 2 методом локального ионно-лучевого травления фокусированным ионным пучком формируется сквозное отверстие 3 - диаметром от 1 до 35 микрометров, которое в дальнейшем будет выступает входной апертурой для оптического излучения ближнепольного микроскопа. После этого, методом локального ионно-стимулированного осаждения, фокусированным ионным пучком формируется полый конус 1, диаметр основания которого больше диаметра входной апертуры. Для формирования конуса 1 используется набор шаблонов в виде концентрических окружностей с постоянно уменьшающимся диаметром. Вершина конуса - острие зонда 1 может быть сформировано сразу открытым, то есть со сформированной выходной апертурой заданного диаметра, либо вершина конусного острия может быть закрыта тонким слоем осаждаемого материала. В таком случае требуется дополнительная операция ионно-лучевого травления фокусированным ионным пучком для формирования отверстия выходной апертуры 4 требуемого диаметра. Для снижения светопропускаемости стенок зонда на основе полого конуса, возможно проведение дополнительной операции осаждения тонкой металлической пленкой, что позволит снизить пропускание излучения стенками зонда и повысит его температурную стабильность.
В процессе работы коническое острие зонда 1 подводится к поверхности исследуемого образца в стандартном режиме атомно-силовой микроскопии. После выполнения операции подвода на субволновое расстояние, во входную апертуру 3 в основании конуса 1 вводится излучение, при этом диапазон длин волн 300 - 1600 нм. В результате прохождения в полости конического острия 1, излучение, через отверстие выходной апертуры 4 выводится к поверхности образца. После начала процесса сканирования особенности рельефа поверхности, а также его локальных оптических свойств вызывают изменения выходного сигнала, проходящего или отраженного излучения, который регистрируются специальными детекторами.
Управление геометрией зонда: формой острия, размерами входной и выходной апертур, а также наличием покрытия на балке и стенках полого конуса позволяет повысить качество получаемых изображений методом сканирующей ближнеполной оптической микроскопии. Применяемый способ позволяет снизить разброс параметров изготавливаемых зондов и изготавливать универсальные зонды пригодные для реализации как в атомно-силовой микроскопии, так и ближнепольной оптической микроскопии. Также преимуществом зондов, созданных по предлагаемому способу, является возможность достижения более высокого пространственного оптического разрешения, а следовательно, более высокой точности проведения исследований методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии.
Применение операций ионно-стимулированного осаждения и локального ионного травления методом фокусированных ионных пучков позволяет формировать апертурные СБОМ зонды в широком диапазоне конструктивных решений и тополого-геометрических параметров. Применяя предложенный способ, возможно изготавливать зонды высотой от 500 нм до 30 мкм, диаметром входной апертуры от 1 до 35 мкм, диаметром выходной апертуры от 15 до 600 нм, углом конусности от 10 до 110 градусов, как показано на фиг.3. Применение различных источников высокоселективной газовой химии при ионно-стимулированном осаждении позволяет изготовить острие зонда из углерода, платины, вольфрама, меди, золота и других материалов, осаждаемых из газовой фазы.
Наличие острой вершины зонда конической формы позволяет проводить исследования поверхности одновременно как в режиме стандартной контактной или полуконтактной атомно-силовой микроскопии, так и сканирующей ближнепольной оптической микроскопии одновременно без необходимости смены зонда.
Использование заявленного изобретения позволяет создавать острия апертурных зондов для сканирующей ближнепольной оптической микроскопии в широком диапазоне геометрических параметров, обеспечивающих пропускание оптического излучения через входную и выходную апертуры, позволяющих производить исследования поверхности с максимальной точностью и разрешающей способностью, а также дающих возможность получения изображений рельефа поверхности в режиме атомно-силовой микроскопии.
Используемые источники информации:
«
А.В. Шелаев,Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия и спектроскопия с использованием зондов кантилеверного типа». Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук, Москва, 2017 г., http://www.nrcki.ru/product/press-nrcki/press-nrcki--36054.shtml)