СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП
SCANNING PROBE MICROSCOPE

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к сканирующим зондовым микроскопам атомарного разрешения, предназначенным для обучения неподготовленных пользователей.
Известен сканирующий зондовый микроскоп, включающий держатель зонда с зондом, закрепленный на пьезосканере, установленный на блоке предварительного сближения и расположенный на основании, держатель образца с образцом, также расположенный на основании, и блок управления с модулем обратной связи, подключенный к пьезосканеру, зонду, блоку предварительного сближения и образцу [1].
Недостаток этого устройства заключается в том, что пьезосканер и устройство предварительного сближения разнесены в пространстве, а это увеличивает габариты и сложность устройства, что приводит к снижению собственных частот, а это, соответственно, приводит к снижению разрешения прибора.
Известен также сканирующий зондовый микроскоп, включающий держатель зонда с зондом, установленный на пьезосканере, выполненном в виде пьезотрубки с X, Y и Z-электродами и закрепленном на основании, держатель образца с образцом, установленный на блоке предварительного сближения образца с зондом, закрепленном на основании, и блок управления с модулем обратной связи, подключенный к пьезосканеру, зонду, блоку предварительного сближения образца с зондом и образцу [2].
Первый недостаток этого устройства заключается в том, что пьезосканер и устройство предварительного сближения разнесены в пространстве, а это увеличивает габариты и сложность устройства, что приводит к снижению собственных частот, а это, соответственно, приводит к снижению разрешения прибора.
Второй недостаток этого устройства заключается в несимметричности конструкции, что приводит к термодрейфам и снижению разрешения устройства.
Кроме этого в указанном устройстве невозможно исследовать объекты с перепадами высот более 1 мкм. Это связано с ограниченным диапазоном Z перемещения трубочных пьезосканеров.
Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.
Задача изобретения заключается в создании малогабаритного сканирующего зондового микроскопа, простого в обслуживании и ремонте, с сохранением высокого разрешения.
Технический результат изобретения заключается в повышении разрешения прибора и расширении его функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что в сканирующий зондовый микроскоп, включающий держатель зонда с зондом, установленный на пьезосканере, выполненном в виде пьезотрубки с X, Y и Z-электродами и закрепленном на основании, держатель образца с образцом, установленный на блоке предварительного сближения образца с зондом, закрепленном на основании, и блок управления с модулем обратной связи, подключенный к пьезосканеру, зонду, блоку предварительного сближения образца с зондом и образцу, введен носитель зонда, выполненный с возможностью установки на держателе зонда, блок предварительного сближения образца с зондом выполнен в виде пьезопакета с направляющей, на которой установлена каретка с держателем образца, пьезопакет закреплен на основании и расположен вместе с направляющей, кареткой и держателем образца внутри пьезосканера.
Существует вариант, где в устройство введен первый промежуточный фланец, закрепленный на пьезопакете и установленный на основании с возможностью съема и подвижки относительно него.
Существует также вариант, где в устройство введен второй промежуточный фланец, закрепленный на пьезопакете и соединенный с направляющей с возможностью съема.
Возможен вариант, в котором образец установлен на держателе образца с возможностью подвижки относительно него.
Возможен также вариант, где в устройство введен третий промежуточный фланец, закрепленный на пьезотрубке и установленный на основании с возможностью съема и подвижки относительно него.
Существует вариант, в котором пьезосканер закреплен на третьем промежуточном фланце внутренней поверхностью.
Кроме этого возможен вариант, где в устройство введены ограничители, закрепленные на основании посредством электропроводящей трубки и установленные с возможностью взаимодействия с боковыми поверхностями каретки и (или) с торцевой ее поверхностью со стороны держателя образца.
Существует также вариант, в котором внутренний сплошной электрод пьезосканера заземлен.
Возможен вариант, в котором в носителе зонда выполнены три симметричные выборки.
Возможен также вариант, в котором зонд может быть туннельным, атомно-силовым.
Также существует вариант, в котором пьезосканер выполнен из двух пьезотрубок, соединенных четвертым промежуточным фланцем с отверстием.
Кроме этого существует вариант, в котором фрагменты пьезотрубки имеют различную толщину.
Существует вариант, где модуль обратной связи выполнен с возможностью поочередного подключения к пьезопакету и Z-электроду пьезосканера.
На фиг.1 изображен СЗМ в разрезе.
На фиг.2 изображено сечение А-А по фиг.1.
На фиг.3 - вариант СЗМ с повышенным разрешением и надежностью.
Сканирующий зондовый микроскоп содержит основание 1, на котором посредством первого промежуточного фланца 2 установлен пьезопакет 3.
Неразъемное соединение фланца 2 и пьезопакета 3 может быть осуществлено посредством клея (не показан). (Подробно выполнение пьезопакетов см. в [3].)
Фланец 2 может быть установлен на основании 1 с использованием винтов 4 и набора прокладок 5 для осуществления его юстировочной подвижки и, в частности, качания относительно оси Z. Юстировочная подвижка фланца 2 может быть выполнена за счет подшлифовки прокладок 5.
На пьезопакете 3 закреплен также, например, посредством клея (не показан) второй промежуточный фланец 6, соединенный с направляющей 7, например, посредством резьбового соединения 8. Следует заметить, что направляющая 7 должна быть съемной (для возможной профилактики: чистки, подшлифовки и т.п.), но вместе с тем достаточно надежно закрепленной на фланце 6. Для этого направляющая 7 может быть дополнительно закреплена на фланце 6 клеевыми островками 9. При этом клей 9 должен быть пластичный (например, UHUplus), для того чтобы в момент его срыва уменьшить вероятность разрушения пьезопакета 3.
На направляющей 7 установлена каретка 10 с пружиной 11, имеющей возможность регулировки посредством винта 12. Пружина 11 может быть закреплена на каретке 10 ниже ее зоны взаимодействия с винтом 12, например, посредством сварки, клея, винтов и т.п. (не показано). Трущиеся поверхности 13 каретки 10 и 14 направляющей 7 подробно не показаны. Они могут быть V-образными, V-образными в сочетании с плоскими вставками и т.п. (подробно такие направляющие и качество их обработки см. в [4, 5]). Поверхность 15 может иметь иное качество обработки (на несколько классов выше), чем поверхности 13 и 14.
При высоте микроповерхностей поверхностей 13 и 14 порядка 40 мкм этот же параметр на поверхности 15 может составлять величину 5-10 мкм.
Один из предпочтительных вариантов V-образной направляющей 7 и подпружинивания трущихся поверхностей изображен на фиг.2. Каретка 10 при этом с целью упрощения ее изготовления может быть выполнена в виде сборки из двух деталей.
Каретка 10 с направляющей 7 и пьезопакетом 3 является блоком предварительного сближения образца с зондом. На каретке 10 установлен держатель образца 16 с образцом 17. Держатель 16 может быть магнитным, а каретка 10 может содержать магнит 18 либо пружинные лапки (не показаны). Магнит 18 в каретке 10 может быть установлен неподвижно посредством клея либо подвижно с использованием стопорных винтов (не показаны).
На основании 1 посредством третьего промежуточного фланца 19 установлена пьезотрубка 20 с внутренним электродом 21, внешним электродом 22 (Z) и внешними электродами 23, 24 (например, X, Y). Пьезотрубка 20 с электродами 21, 22, 23 и 24 в данной конструкции выполняет функцию пьезосканера. На фиг.1, фиг.2 с целью упрощения чертежей электроды показаны условно. На самом деле Х и Y-электроды развернуты друг относительно друга на 90° вокруг оси пьезосканера. Подробнее выполнение пьезосканеров см. в [6, 7]. Расположение электродов Z и X, Y может быть иным: вверху Z, внизу X, Y.
Пьезотрубка 20 может быть закреплена на фланце 19 внутренней поверхностью 25 посредством клея (не показан). Фланец 19 может быть закреплен на основании 1 винтами 26 с возможностью подвижки пьезотрубки 20 в зазорах крепежа.
На противоположном от фланца 19 торце пьезотрубки 20 закреплен держатель 27, содержащий, например, захват 28 со стопорными винтами 29. В захвате 28 может быть закреплен носитель зонда 30 с зондом 31. В качестве зонда 31 может быть использована игла туннельного микроскопа, силовой зонд на основе пьезотрубки или кварцевого резонатора [8, 9, 10].
При использовании силового зонда на основе кварцевого резонатора он несколькими контактными площадками при закреплении должен быть соединен с ответными контактными площадками носителя 30 (не показаны, см. подробно в [8]).
Пьезопакет 3, пьезотрубка 20, носитель 30 и образец 17, например, через держатель 16 подключены к блоку управления 32.
При подключении держателя 17 к блоку 32 может использоваться кольцевой изолятор 33, закрепленный, например, клеем на каретке 10, либо три отдельных изолятора, расположенных на каретке 10 с угловым смещением друг относительно друга в 120°. Следует заметить, что изолятор 33 обязательно использовать в режиме туннельного микроскопа при подаче потенциала на образец 17. В остальных случаях это делать не обязательно.
Существует модификация СЗМ (фиг.3), в которой в него введены ограничители 34 и 35, установленные с возможностью взаимодействия с боковыми поверхностями 36 каретки 10 и ее торцевой поверхностью 37.
Ограничители 34 и 35 могут быть установлены на электропроводящей трубке 38. Для демонтажа блока предварительного сближения ограничители 34 и 35 могут быть подвижными и выполнены в виде винтов.
В этой же модификации пьезосканер может быть выполнен в виде двух пьезотрубок 39 и 40 с электродами 41, 42, 43 и системой электродов 44. Пьезотрубки 39 и 40 соединены четвертым промежуточным фланцем 45 с отверстием 46, которое сопряжено с винтом 12 через отверстие 47 в трубке 38. Как уже отмечалось выше, электроды X, Y (система электродов 44) развернуты друг относительно друга на 90°.
Толщина пьезотрубки 39 может превышать толщину пьезотрубки 40.
Пьезотрубка 39 может быть Z-приводом, а 40 - X, Y-приводом, или наоборот. Во втором случае электрод 42 будет представлять систему X, Y-электродов.
Внутренние электроды 41 и 43, а также электрод 21 (фиг.1) могут быть заземлены.
Следует заметить, что диапазон перемещения пьезопакета 3 по координате Z на порядок больше, чем у пьезотрубок при тех же размерах, поэтому модуль обратной связи 48 (фиг.3) в блоке управления 32 может посредством ключа 49 иметь поочередное подключение к пьезопакету 3 или Z-электроду 42 пьезотрубки 39. Пьезопакет 3 в этом случае поочередно выполняет роль инерционного двигателя или сканера по координате Z с большим (10 мкм) диапазоном перемещения. Для управления пьезопакетом 3 блок 32 вырабатывает несимметричные треугольные импульсы. Нагрузкой в этом случае является пьезопакет, имеющий емкость 700 нф, поэтому блок должен вырабатывать ток 50 мА в течении 20 мс. Подробнее блок управления 32 и модуль 48 описаны в [1, 2, 6, 7].
Возможен также вариант, в котором носитель 50 имеет симметричные относительно оси выборки 51, обеспечивающие доступ к образцу 17.
Сканирующий зондовый микроскоп работает следующим образом.
Образец 17 (фиг.1, фиг.3) закрепляют на держателе 16 проводящим клеем либо двухсторонним скотчем, после чего держатель 16 устанавливают на каретку 10, используя, например, магнитное взаимодействие между ним и магнитом 18.
Зонд 31 закрепляют в носителе 30 или 50, используя принципы, описанные также в [11]. После этого устанавливают носитель в держатель 27 и закрепляют его винтами 29. На пьезопакете 3 формируют несимметричные треугольные импульсы напряжения и осуществляют инерционное перемещение образца 17 к зонду 31. При этом через выборки 50 контролируют процесс сближения образца 17 и зонда 31. Этот контроль может осуществляться, например, с использованием оптического микроскопа (не показан).
После осуществления этого сближения производят сканирование поверхности образца 17 зондом 31.
При развитом более чем 1 мкм рельефе поверхности образца 17 отработку координаты Z осуществляют пьезопакетом 3.
Гладкие поверхности можно сканировать (по координате Z) пьезотрубкой 39, переключив ключом 49 модуль обратной связи 48 с пьезопакета 3 на электрод 42. Следует заметить, что в этом случае пьезотрубка 39 отрабатывает координату Z, а пьезотрубка 40 - координаты X, Y.
Регулировку движения каретки 10 осуществляют винтом 12, увеличивая усилие взаимодействия трущихся поверхностей 13 и 14 благодаря изгибу пружины 11.
Для выбора зоны сканирования перемещение держателя 16 по каретке 10 в плоскости XY можно осуществлять вручную через выборки 50, а перемещение носителей 30, 50 по держателю 27 - винтами 29.
Следует заметить, что пьезопакет 3 изготовлен из хрупкой пьезокерамики, а установку, съем и перемещение держателя 16 по каретке 10 осуществляют, прикладывая к ней усилия. Эти усилия передаются на пьезопакет 3. Для уменьшения силового воздействия на него зазоры А между ограничителями 34 и поверхностями 36 могут быть в пределах 0,2-0,4 мм. Это, с одной стороны, позволит свободно перемещаться каретке 10 по координате Z, с другой, предохранит пьезопакет 3 от разрушения при боковых силовых воздействиях, например, по координате X.
Профилактику блока предварительного сближения удобно осуществлять, вывернув направляющую 7 из фланца 6. После этого можно снять каретку 10 с направляющей 7 и почистить трущиеся поверхности.
Размещение блока предварительного сближения образца с зондом внутри пьезосканера повышает разрешение прибора. Это происходит за счет термокомпенсации элементов конструкции. Одновременно использование пьезотрубок большого диаметра повышает резонансные частоты и, соответственно, разрешение прибора.
Размещение носителя зонда на держателе помимо упрощения эксплуатации также повышает разрешение прибора, т.к. при крупногабаритных пьезотрубках удается довести массу навешиваемых на них деталей до 10% от массы пьезотрубок. Это соответственно не сильно увеличивает резонансные частоты прибора. При этом использование пьезопакета для отработки координаты Z позволяет работать с объектами, имеющими перепады высот до 10 мкм, что расширяет функциональные возможности устройства.
Введение первого, второго и третьего промежуточных фланцев позволяет осуществлять оперативную профилактику компонентов прибора, например чистить трущиеся поверхности направляющей и каретки. Кроме этого появляется возможность замены вышедших из строя или снизивших свои характеристики пьезотрубок или пьезопакетов. Закрепление пьезотрубки на третьем промежуточном фланце внутренней поверхностью не ограничивает расширение пьезокерамики при подаче на нее напряжения, а это приводит к более стабильным ее перемещениям и повышенной надежности. Перечисленные первичные технические эффекты связаны с оптимальным использованием пьезотрубок, что повышает разрешение устройства и его функциональные возможности.
Введение боковых ограничителей уменьшает вероятность разрушения пьезопакета при съеме образца, а торцевые ограничители исключают выход из зацепления каретки и направляющей. Это повышает эксплуатационные характеристики устройства и функциональные возможности.
Применение электропроводящей трубки для закрепления ограничителей и заземление внутреннего электрода экранирует устройство, уменьшает электрические шумы и тем самым повышает разрешение прибора.
Применение пьезотрубки из двух фрагментов позволяет оптимизировать ее геометрию, добиваясь лучшего соотношения диапазон перемещения - резонансная частота, что также повышает разрешение прибора. Кроме того, в этом случае можно получить большую площадь сканирования без ухудшения разрешения устройства, что расширяет его функциональные возможности.
Возможность поочередного подключения модуля обратной связи к пьезопакету и пьезосканеру оптимизирует Z-привод, что повышает разрешение устройства и дает возможность увеличивать или уменьшать диапазон по Z для получения либо высокого разрешения, либо возможности сканирования объектов с перепадами высот до 10 мкм.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.Неволин. Зондовые нанотехнологии в электронике., с.20, М., 2005 г.
2. В.А.Быков и др. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. Сенсорные системы, т.12, №1, с.99-121, 1998 г.
3. Патент ЕР 0823738, H01L 41/09, 1997 г.
4. Патент RU 2152103, H01L 37/28, 1996 г.
5. Патент RU 2159454, G02B 21/00, 1999 г.
6. Патент US 5173605, G01N 23/00, 1992 г.
7. Патент RU 2248628, G12B 21/00, 2003 г.
8. Патент US 6057546, H01J 36/26, 1997 г.
9. Патент RU 2208763, G01B 7/34, 2001 г.
10. А.А.Васильев и др. Датчик локального силового и туннельного взаимодействий в сканирующем зондовом микроскопе. Научное приборостроение, т.15, №1, с.62-69, 2005 г.
11. Патент RU 2208845, G12B 21/00, 2001 г.