基于原子力显微镜声学显微系统的微纳米铁电畴结构的蚀刻装置

摘要

本发明涉及基于原子力显微镜声学显微系统的微纳米铁电畴结构的蚀刻装置，属于仪器研制领域。本发明包括微加工程序控制部件，脉冲高压激发部件，多探针构件，原子力显微镜声学显微系统四个部分。本发明具有纳米级微加工、高脉冲加工电压、高速响应特性、大面积微加工、微结构的高分辨率声学成像等独特优点，不同于目前商用原子力显微镜的微加工。

说明书

技术领域

本发明涉及基于原子力显微镜声学显微系统的微纳米铁电畴结构的蚀刻装置，属于仪器研制领域。

背景技术

铁电随机存储器(FRAM，ferroelectrics random access memories)因具有非挥发性、低功耗、抗辐射、高集成度等优点而为美、日、欧等国主要半导体公司纷所青睐。FRAM作为一种非易失性存储器，由于种种性能优势，被业界寄望成为继闪存(Flash)之后的新一代存储器产品。FRAM的存储原理是基于铁电材料物理特性-铁电畴的极化反转原理。铁电畴结构是FRAM的数据存储单元(bit)的物理基础，其极化状态将随外加电场的变化而变化。因此，如将铁电畴在电场变化前后的极化状态分别视为数据存储二进制的“0”和“1”，则可实现基于铁电材料铁电畴极化状态的FRAM数据存储。显然铁电畴结构的尺寸大小直接决定了FRAM数据存储密度。纳米级电畴的微加工是实现FRAM高密度数据存储的重要手段。近年来，基于商用原子力显微镜(AFM)的纳米铁电畴的微加工技术具有明显的局限性，其最大加工电压仅为10V，因而只仅限应用于低矫顽场的铁电薄膜材料，而无法实现对高矫顽场块体铁电晶体材料的加工；同时该技术无法实现铁电材料亚表面铁电畴结构的成像，从而限制了对微加工结构的完整性的观察。而如能在AFM平台上建立起兼具高电压、高速响应特性并实现亚表面结构观察的新加工技术，则不仅将拓展AFM新功能，而且亦将极大地推动FRAM技术的发展。为此，本发明在能实现亚表面结构成像的原子力显微镜声学显微系统基础上建立了一种铁电材料微纳米结构的微加工技术，用于以微纳米铁电畴为数据存储单元的高密度数据存储。据文献查阅，至今尚无此类商用仪器。

发明内容

本发明目的在于提供基于原子力显微镜声学显微系统的微纳米铁电畴结构的蚀刻装置，用于以微纳米铁电畴为数据存储单元的高密度数据存储。

本发明采用程序可控式高脉冲电压施加装置作用于纳米尺度曲率半径的导电探针，解决了以往一般AFM平台所无法实现的微结构加工的高电压施加的关键技术问题；同时探针结构采用多探针结构，实现了大面积纳米结构的高效高速微加工；此外利用原子力显微镜的声学模式可原位实现亚表面纳米铁电畴结构的高分辨率成像，以评价微加工的结构完整性。

为了实现上述目的，本发明研制的蚀刻装置的结构如图1所示，由四部分组成：微加工程序控制部件1，脉冲高压激发部件2，多探针构件3，原子力显微镜声学显微系统4，此四部分依次连接。微加工程序控制部件1发送微加工控制信号经脉冲高压激发部件2作用于多探针构件3，多探针构件3对样品进行程序控制的微结构加工，所加工获得的微结构由原子力显微镜声学显微系统4进行声学显微成像，显示其结构图案。

比较好的是，所述微加工程序控制部件用于控制多探针的扫描走向、加工电压的脉冲幅度、宽度及微结构加工图案，微加工程序控制部件是基于LabVIEW应用程序。

比较好的是，所述多探针构件中，多探针其弹性常数在3-15N/m范围内。

比较好的是，所述脉冲高压激发部件中，高压放大部分采用光电耦合将高压实施和高压控制隔离，并采用阻抗复合匹配解决高压上升延迟。

比较好的是，所述脉冲高压激发部件，用于输出高加工电压，激发的脉冲电压脉宽可达到纳秒级，幅度为0-500V。

比较好的是，所述多探针构件中的弹簧压片由导电材料构成，呈L型结构，其下底面有多个尺寸均一的凹口，用于放置多探针；其上面一端引线至连接器。

比较好的是，所述原子力显微镜声学显微系统是微结构加工及其声学成像的平台，声学成像工作频率为300Hz-30kHz，工作电压为1-3V。

本发明提供的基于原子力显微镜声学显微系统的微纳米铁电畴结构的蚀刻装置，不仅利用了铁电材料铁电畴的极化反转效应，还利用了相关的计算机技术和电器特性，提升了图案化结构微加工的精度量。同时，采用多探针配置，提高了加工速度；并且采用原子力显微镜的声学模式，可实现微加工结构的高分辨率成像和评价；此外，该蚀刻装置的结构易与AFM仪器组合。上述的这项发明为微纳米铁电结构微加工系统的实用化与普及化提供了重要的技术保证。

附图说明

下面，参照附图，对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明的详细描述中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1为微纳米铁电结构的蚀刻装置结构示意图；

图2(a)为BMF铁电单晶的形貌像；

图2(b)为BMF铁电单晶对应的铁电畴结构微加工的声学像；其中加工电压为190V/10μs，声学成像电压为1.2V，成像频率为5.6kHz.；

图2(c)为BMF铁电单晶另一区域的铁电畴结构微加工的声学像；

图2(d)为图(c)中标注区域中A-B线扫描信号，反映微加工的电畴结构的尺寸；

图3(a)为BaTiO₃单晶的形貌像；

图3(b)为BaTiO₃单晶对应的铁电畴结构微加工的声学像；其中加工电压为230V/5μs，声学成像电压为1.5V，成像频率为3.6kHz.。

具体实施方式

本发明的微纳米铁电畴结构的蚀刻装置如图1所示，由四部分组成：微加工程序控制部件1，脉冲高压激发部件2，多探针构件3，原子力显微镜声学显微系统4，此四部分依次连接。微加工程序控制部件1发送微加工控制信号经脉冲高压激发部件2作用于多探针构件3，多探针构件3对样品进行程序控制的微结构加工，所加工获得的微结构由原子力显微镜声学显微系统4进行声学显微成像，显示其结构图案。

微加工程序控制部件1是脉冲信号施加和探针加工程序的控制部分，包括主控计算机11、控制卡12、程序编译系统13。主控计算机提供微加工程序操作界面，并向安装在主控计算机的PCI插槽内的控制卡发送控制信号驱动程序。控制卡负责控制信号的通信和传输，控制探针微结构加工动作。程序编译系统是微结构加工控制程序，它包括前面板、流程图以及图标三部分。其中前面板是微加工程序图形用户界面，包含有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象；流程图提供图形化加工源程序，实现不同脉冲信号的程控激发。

脉冲高压激发部件2提供探针进行微结构加工所需要的电脉冲，它包括脉冲信号发生器21和高压放大部分22。其中脉冲信号发生器21提供电脉冲信号并由高压放大部分22实现对该电脉冲信号的放大，并施加于多探针构件3的多探针32上。在高压放大部分采用光电耦合将高压实施和高压控制隔离开来，避免因高压的洩漏而损坏系统，同时也避免了将噪声引入系统。另外，针对铁电材料作为容性材料所特有的高压上升延迟这一特点，在高压放大部分采用阻抗复合匹配解决了该特点所导致的工作响应慢这一问题。

多探针构件3是提供多探针机械固定的机械结构部件，它包括弹簧压片31、多探针32、测试支架33和连接器34，将所述多探针32固定于测试支架33上；连接器连接高压放大部分22并将输入脉冲电压作用于所述的多探针32上。

原子力显微镜声学显微系统4是实现微加工结构的高分辨率声学成像。该显微系统的成像原理是利用探针探测微结构与声波之间的相互作用，该相互作用反映了微区弹性信息。对于铁电畴而言，不同极化取向的铁电畴与声波之间的相互作用将会有不同的弹性响应，因而利用原子力显微镜声学显微系统可原位实现微加工的铁电畴结构的声学成像，同时由于声学成像特有的亚表面成像特点，因此它可反映出微加工结构在空间上的结构完整性，这是其他任何微加工显微术所无法揭示的。

比较好的是，所述微加工程序控制部件用于控制多探针的扫描走向、加工电压的脉冲幅度、宽度及微结构加工图案，微加工程序控制部件是基于LabVIEW应用程序。

比较好的是，所述多探针构件中，多探针其弹性常数在3-15N/m范围内。

比较好的是，所述脉冲高压激发部件中，高压放大部分采用光电耦合将高压实施和高压控制隔离，并采用阻抗复合匹配解决高压上升延迟。

比较好的是，所述脉冲高压激发部件，用于输出高加工电压，激发的脉冲电压脉宽可达到纳秒级，幅度为0-500V。

比较好的是，所述多探针构件中的弹簧压片由导电材料构成，呈L型结构，其下底面有多个尺寸均一的凹口，用于放置多探针；其上面一端引线至连接器。

比较好的是，所述原子力显微镜声学显微系统是微结构加工及其声学成像的平台，声学成像工作频率为300Hz-30kHz，工作电压为1-3V。

以下实施例均是在自行建立的AFM声学显微系统上应用本发明的仪器组建的微加工系统对BMF铁电单晶和BaTiO₃铁电单晶等块体材料进行微结构加工的形貌像及声学成像，以进一步说明本发明的效果，但并非仅限于下述实施例。

实施例1：应用本发明组建的纳米声学蚀刻系统对BMF铁电单晶进行微结构加工，图2显示了测试结果。其中图2(a)是BMF单晶样品表面形貌的AFM像，图2(b)是样品对应区域原位获得的微加工铁电畴结构的声成像。显然，图2(a)与图2(b)的差异很大。形貌像图2(a)仅显示了样品表面抛光划痕的信息，而声学像图2(b)清晰地显示出微加工电压为190V/10μs时的点状铁电畴阵列结构。图2(c)是该样品另一区域微加工的列状铁电畴阵列的声学像结果，图2(d)是图2(c)中线A-B的声学信号，显示出该列状微结构的周期为2.7μm.上述声学像结果反映了该微加工技术在该块体单晶样品上成功地实现了微纳米结构的微加工。

实施例2：应用本发明组建的纳米声学蚀刻系统对另一BaTiO₃铁电单晶进行微结构加工，图3显示了测试结果。与上述实例1相似，图3(a)是样品表面形貌的AFM像，图3(b)是样品对应区域原位获得的微加工铁电畴结构的声成像。声学像图3(b)清晰地显示出微加工电压为230V/5μs时的铁电畴阵列结构，该结果不仅对于FRAM数据存储有参考价值，同时对在铁电体表面进行以极化调控为机制的纳米金属粒子的组装也具有重要参考价值。

上述实例表明了在原子力显微镜声学显微系统上应用本发明组建的微纳米铁电结构的蚀刻装置，解决了铁电材料微纳米结构的微加工、高脉冲加工电压、大面积微加工及高分辨率亚表面成像等重要技术难题，实现了在原子力显微镜声学显微系统上微纳米铁电微结构的加工及声学成像，扩展了现有商用原子力显微镜所不具有的铁电结构微加工及声学显微成像的功能，成为当前开展纳米科技的一个重要工具，推动了以铁电材料为基的铁电随机存储器的深入研究。

前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，可把这里所述的总的原理应用到其他实施例而不使用创造性。因而，本发明将不限于这里所示的实施例，而应依据符合这里所揭示的原理和新特征的最宽范围。