×
09.06.2019
219.017.7a12

Результат интеллектуальной деятельности: ЗОНДОВОЕ УСТРОЙСТВО

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к технике контроля материалов и изделий и может быть использовано при наноиндентировании, или в сканирующем зондовом микроскопе, для измерения электрических свойств поверхности материала с нанометровым разрешением. Зондовое устройство для измерения электрических параметров материалов содержит основание и электропроводящий зонд с заостренной контактирующей зоной, выполненный из легированного бором алмаза с содержанием примеси бора концентрацией 1×10 см. Кроме того, в качестве легирующей примеси используют дополнительно азот, мышьяк, фосфор, галлий, индий. Алмазный зонд находится в контакте с исследуемой поверхностью с возможностью прикладывания между зондом и образцом напряжения и измерения тока. Использование полупроводникового алмаза позволяет изготовить зонд с намного превосходящими аналоги механической прочностью, химической устойчивостью, износостойкостью. Особенностью устройства является широта спектра исследуемых материалов, включая сверхтвердые. Зонд позволяет работать с токами высокой плотности и обеспечивает хороший теплоотвод из рабочей зоны. 2 ил.

Изобретение относится к технике контроля материалов и изделий и может быть использовано при наноиндентировании, или в сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ), для измерения электрических свойств поверхности сверхтвердых материалов с нанометровым разрешением, а также тонких многослойных покрытий находящихся на электропроводящих и диэлектрических подложках.

На сегодняшний день известны зонды для определения электрических и механических свойств материала, изготовленные из различных твердых металлов и сплавов. Выбор материала зонда обуславливается тем, что его твердость должна превышать твердость исследуемого материала и в процессе измерения зонд должен пластически модифицировать исследуемый материал. Существующие на сегодняшний день зонды не удовлетворяют этим требованиям при измерении электрических и механических характеристик алмаза и других сверхтвердых проводящих и полупроводниковых материалов.

Широко известны варианты изготовления проводящих зондов для СЗМ на основе кремниевых технологий. В большинстве способов выращивают кремниевое острие и покрывают его различными пленками (покрытиями) из износостойких, например алмаз, или проводящих материалов, например золота. Однако кремниевые зонды не удовлетворяют требованиям износостойкости и относительно быстро изнашиваются при измерении электрических характеристик кристаллических веществ в следствие относительно низкой твердости проводящего покрытия и адгезии покрытия к кремниевому основанию острия. В результате для контроля качества полупроводниковых микроэлектронных и наноструктур отсутствует возможность проводить длительные серии измерений одним зондом без дополнительных перекалибровок и т.п.

Методы изготовления электропроводящих зондов описаны в патентах (US №6787769, 5516404, 5178742), но в этих случаях зонд выращивают методами осаждения проводящего вещества на кремниевое основание и он не может быть использован для наноиндентирования твердых веществ.

Известна зондовая головка для измерения параметров кристаллов (пат. РФ №2076392, МПК H01L 21/66, приоритет 22.05.81), содержащая основание, на одной стороне которого размещены контакты, механизм прижима, и упоры, расположенные над контактами с возможностью взаимодействия с механизмом прижима. Обратная сторона основания полностью металлизирована и заземлена, а к ней присоединены заземляющие контакты головки. В основании выполнено отверстие, размеры которого больше размеров измеряемого кристалла. Упоры выполнены из сапфира. Устройство позволяет измерять СВЧ параметры. Однако такая зондовая головка имеет ограничение по твердости измеряемых образцов.

Известен наконечник для измерения механических свойств материалов (пат. РФ №2126536 с приоритетом от 31.10.96, МПК G01N 3/40), который изготовлен из углеродного материала - ультратвердого фуллерита, полученного на основе молекул углерода С60. Твердость наконечника превышает твердость алмаза, что позволяет измерять механические параметры, например модуль юнга, коэффициент вязкости сверхтвердых материалов, в том числе без разрушения поверхности. Такой наконечник использован в качестве зонда атомно-силового микроскопа, позволяющего индентировать и царапать поверхность с возможностью последующего изображения области индентирования. Преимуществом при использовании зонда с таким наконечником является возможность измерения механических свойств сверхтвердых материалов. Недостатком является невозможность измерять электрические свойства поверхностей.

Известен сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) и способ измерения свойств поверхностей этим микроскопом (пат. РФ №2109369 с приоритетом от 18.11.96, МПК H01J 37/28), содержащий зонд с тонкой иглой из проводящего материала, например вольфрама. Микроскоп снабжен схемой возбуждения колебаний зонда и устройством для измерения частоты и амплитуды колебаний зонда, соединенным со схемой управления. Зонд выполнен в виде резонатора. Между иглой зонда и исследуемым образцом прикладывают постоянное напряжение и перемещают образец относительно иглы. При этом возбуждают колебания зонда с иглой, а перемещение исследуемого образца производят при поддержании постоянного значения амплитуды и частоты колебаний зонда, или тока между иглой и образцом путем измерения и фиксации текущих значений указанных параметров и сигналов, поступающих на механизм перемещения зонда, для поддержания постоянным выбранного параметра. Недостатком зонда с вольфрамовой иглой является слишком низкая твердость вольфрама, а следовательно, быстрый износ зонда и невозможность измерения кристаллических полупроводников.

Наиболее близким техническим решением является зондовое устройство для измерения электрических параметров полупроводниковых материалов (патент РФ №1812579, МПК H01L 21/66, публ. 30.04.93), содержащее диэлектрический корпус, электропроводящие зонды с рабочей заостренной контактирующей зоной, причем рабочая заостренная контактирующая зона выполнена по контуру поверхности зонда из композитов основного металла зонда, состоящего из стали с диффузионным переходом стали в слой твердого сплава (например ВК-6), а затем от твердого сплава к слою благородного металла (например, серебра), выходящему на внешнюю поверхность зондового контакта.

Достоинством такого зондового устройства является то, что оно позволяет повысить износостойкость изделия при снижении переходного сопротивления.

Недостатком такого зондового устройства является малая твердость используемых материалов, уступающая твердости алмаза в три раза. Такое устройство не позволяет измерять сверхтвердые и высокотемпературные полупроводниковые материалы (например, карбиды, нитриды и бориды кремния, вольфрама, молибдена).

Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков и создание нового электропроводящего зонда с высокой механической прочностью, износостойкостью и химической устойчивостью для измерения электрических свойств поверхности полупроводниковых и сверхтвердых материалов с нанометровым разрешением.

Выбор материала зонда обуславливается тем, что его твердость должна не уступать или превышать твердость исследуемого материала и в процессе измерений зонд не должен разрушаться исследуемым материалом, при этом материал зонда должен обеспечивать высокую электро- и теплопроводность.

Поставленная задача достигается тем, что зондовое устройство содержит основание и электропроводящий зонд с рабочей заостренной контактирующей зоной, причем электропроводящий зонд с рабочей заостренной зоной выполнен из полупроводникового алмаза, легированного, например, бором, азотом, мышьяком, фосфором, галлием, индием. Такое зондовое устройство позволяет работать с токами высокой плотности и обеспечивает хороший теплоотвод из рабочей зоны благодаря высокой теплопроводности алмаза.

На фиг.1 приведена схема зондового устройства.

На фиг.2 приведены вольтамперные характеристики (ВАХ) исследуемых материалов, измеренные зондовым устройством.

Предлагаемое зондовое устройство представляет собой заостренный зонд 2, выполненный из полупроводникового алмаза, закрепленный на электропроводящем основании 1. Между зондом и основанием обеспечен электрический контакт, например, пайкой, приклеиванием с использованием электропроводящего клея, механически и т.д., 3 - исследуемый материал, 4 - прибор для измерения тока (амперметр).

На фиг.2 приведены вольтамперные характеристики, измеренные зондовым устройством, использующим зонд, изготовленный из полупроводникового алмаза с концентрацией примеси бора 1×1016 см-3. Кривая (1) измерена на проводящем алмазе с концентрацией примеси бора 5.5×1017 см-3 и имеет диодный характер. Кривая (2) измерена на поверхности кремневой микросхемы. Кривая (3) измерена на золоте и имеет металлический характер проводимости.

Устройство работает следующим образом. Электропроводящий зонд с рабочей заостренной зоной, выполненный из полупроводникового алмаза с концентрацией примеси бора 1×1016 см-3 вводят в контакт с поверхностью исследуемого сверхтвердого материала, например, алмаза с концентрацией примеси бора 5.5×1017 см-3. Путем перемещения основания устанавливают глубину внедрения заостренной зоны в поверхность образца на 10 нм. Между зондом и образцом прикладывают электрическое напряжение U и измеряют ток прибором измерения тока 4. Кривая 1 на фиг.2 показывает измеренную таким образом вольтамперную характеристику.

Описанное зондовое устройство успешно использовано для измерения электрических свойств и вольтамперных характеристик сверхтвердых и полупроводниковых материалов (легированный алмаз, борид магния, кремний, оксид олова). Отсутствие наблюдаемых повреждений при многократном приложении нагрузки на зонд при снятии ВАХ показало высокую износостойкость и механическую прочность алмазного зонда. При позиционировании зондового устройства на поверхности образца достигнуто разрешение порядка десятков нанометров при измерении электрических свойств образца.

Зондовоеустройстводляизмеренияэлектрическихпараметровматериалов,содержащееоснованиеиэлектропроводящийзондсзаостреннойконтактирующейзоной,отличающеесятем,чтозондвыполненизлегированногоборомалмазассодержаниемпримесибораконцентрацией1×10см,крометого,вкачествелегирующейпримесииспользуютдополнительноазот,мышьяк,фосфор,галлий,индий,приэтомалмазныйзонднаходитсявконтактесисследуемойповерхностьюсвозможностьюприкладываниямеждузондомиобразцомнапряженияиизмерениятока.
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 21-30 of 33 items.
20.01.2018
№218.016.1e24

Способ получения легированного монокристалла алмаза

Изобретение относится к получению монокристаллов алмазов, в частности, легированных азотом и фосфором, при высоких давлениях и температурах, которые могут быть использованы в устройствах электроники. Способ выращивания легированных азотом и фосфором монокристаллов алмаза в области высоких...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002640788
Дата охранного документа: 11.01.2018
03.10.2018
№218.016.8cd6

Способ изготовления полупроводникового преобразователя энергии ионизирующего излучения в электроэнергию

Изобретение относится к способу изготовления сверхтонких полупроводниковых структур с потенциальным барьером, способных генерировать полезную электрическую энергию под действием ионизирующего излучения. Из алмаза типа IIb изготавливают подложку толщиной от 100 до 1000 мкм, на одной из сторон...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002668229
Дата охранного документа: 27.09.2018
19.12.2018
№218.016.a82e

Способ получения графена, пленок и покрытий из графена

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении композитов, электрохимических и электрофизических устройств. В электролите, содержащем источник углерода, размещают электроды. В качестве анода используют электропроводные материалы, такие как железо, алюминий,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002675146
Дата охранного документа: 17.12.2018
16.02.2019
№219.016.bb5c

Устройство для идентификации алмаза

Изобретение относится к области исследования природных и синтетических алмазов и может быть использовано для выявления и отделения природных алмазов от алмазных симуляций, для отделения природных алмазов от синтетических и для выявления спорных алмазов типа IIа, которые, возможно, были...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002679928
Дата охранного документа: 14.02.2019
01.03.2019
№219.016.cbcd

Пирометрический датчик координат очага возгорания

Изобретение относится к области систем предупреждения об опасности, в частности к устройствам пожарной сигнализации, и предназначено для обнаружения очага возгорания в газодисперсных средах. Техническим результатом изобретения является возможность определения двумерных координат очага...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002318242
Дата охранного документа: 27.02.2008
02.03.2019
№219.016.d198

Индентор-объектив

Изобретение относится к области устройств, осуществляющих измерения механических свойств материалов, и предназначено для определения площади контакта и наблюдения поверхности образца в процессе его деформации. Индентор-объектив выполнен из оптически прозрачного материала, индентирующий торец...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002680853
Дата охранного документа: 28.02.2019
20.03.2019
№219.016.e84c

Пирометрический датчик координат очага возгорания с цилиндрическими линзами

Изобретение относится к области систем предупреждения об опасности, в частности к устройствам пожарной сигнализации, и предназначено для обнаружения очага возгорания в газодисперсных средах. Техническим результатом изобретения является увеличение быстродействия, что позволяет повысить...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002459269
Дата охранного документа: 20.08.2012
12.10.2019
№219.017.d4c5

Плазмотрон

Изобретение относится к области плазменной обработки металлов, а именно к плазмотрону для наплавки, сварки, черных и цветных металлов. Корпус состоит из двух частей, соединенных с помощью винтов. Одна из частей выполнена из изолирующего материала, а другая из токопроводящего. Часть корпуса...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002702512
Дата охранного документа: 08.10.2019
24.12.2019
№219.017.f199

Способ получения композиционного материала бор-углерод

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способу получения композиционного материала бор-углерод. Способ включает механическую обработку в планетарной мельнице смеси порошков аморфного бора с размерами частиц менее 2 мкм и фуллерита С с размерами частиц менее 200...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002709885
Дата охранного документа: 23.12.2019
16.05.2020
№220.018.1d4f

Динамический наноиндентор

Использование: для измерения механических свойств материалов. Сущность изобретения заключается в том, что динамический наноиндентор включает корпус прибора с закрепленным на нем актюатором с подвижной катушкой, связанной со штоком, емкостный датчик и индентор, смонтированный на свободном конце...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002721020
Дата охранного документа: 15.05.2020
+ добавить свой РИД