[发明专利]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

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.；