УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ИГЛЫ ЗОНДА СКАНИРУЮЩЕГО МИКРОСКОПА
DEVICE FOR COMPENSATION OF NATURAL OSCILLATIONS OF A PROBE NEEDLE OF A SCANNING MICROSCOPE

Изобретение относится к технике сканирующего зонда, а именнок мониторингу положения зонда с помощью оптических средств и может быть использовано в туннельной, атомно-силовой, емкостной и других видах сканирующей зондовой микроскопии.
Известна система обнаружения для динамического зонда [RU 2518859 C2, МПК G01Q20/02 (2010.01), опубл. 10.06.2014], содержащая источник света, чтобы создать луч для подсветки колебательного зонда, который периодически приближается к поверхности образца. Зонд содержит консоль (кантилевер) с основанием и свободными концами. Свободный конец консоли поддерживает острую иглу. Интерферометр выполнен с возможностью обнаружения разности хода между отраженным от зонда светом и опорным лучом высоты, и вывода сигнала высоты, указывающего эту разность хода. Устройство обработки сигнала выполнено с возможностью отслеживания сигнала высоты и извлечения данных из положения в пределах каждого цикла колебаний, который удовлетворяет заданным критериям измерения. Извлеченные данные используются для получения измерения для каждого цикла колебаний, которое указывает высоту зонда. Система обнаружения может также включать в себя механизм обратной связи, который действует для поддержания среднего значения параметра обратной связи на заданном уровне.
Известно устройство для измерения величин прогиба и разворота кантилевера в сканирующем силовом микроскопе [RU 50340 U1, МПК G01В7/34 (2000.01), опубл. 27.12.2005], содержащее электрически связанные фотодетектор, блок предварительных усилителей и блок сумматора. Вход блока обработки сигналов через блок предварительных усилителей подключен к входу фотодетектора. Выход блока обработки сигналов подключен к блоку сумматора, что позволяет производить усиление полезных сигналов и снизить уровень шума в выходном сигнале, вычитая шумы из сигналов, поступающих на блок сумматора, и таким образом улучшить точность микроскопа.
Известно устройство для измерения частоты колебаний мультикантилевера [RU 2313141 C2, МПК G12В21/08 (2006.01), опубл. 20.12.2007], содержащего множество кантилеверов, имеющих различные длины и различные собственные частоты, и расположенных группами по радиусам от спирального основания. Устройство содержит средство для одновременного возбуждения собственных колебаний кантилеверов постоянным световым возбуждением и интерферометр для измерения колебаний. Данное устройство обнаруживает взаимодействие между образцом и зондом для самовозбуждения собственных частот кантилеверов.
Известно устройство компенсации колебаний консоли зонда атомно-силового микроскопа [RU2456622 C1, МПК G01Q60/24 (2010.01), опубл. 20.07.2012],содержащее датчик положения консоли, генератор колебаний консоли, а также датчик определения резонансной компоненты сигнала, которые используются для компенсации резонансной частоты колебаний в масштабе реального времени для получения лучшего изображения.
В атомно-силовом микроскопе исследуемый образец устанавливают на столике, который перемещается в плоскости XY, а сканирование осуществляют в режиме постоянной силы, когда оптический датчик положения консоли и датчик определения резонансной компоненты сигнала оценивают значение частоту колебаний консоли при действии неравномерностей поверхности. Данные, связанные с перемещением зонда по Z координате используют для отображения профиля поверхности. Наилучшие условия реализации измерения создают регулировкой зазора между остриём иглы и поверхностью с помощью генератора колебаний консоли. В процессе сканирования поверхности образца консоль (кантилевер) с иглой на конце одновременно перемещается и колеблется. Изгиб консоли пропорционален силе, действующей со стороны поверхности на иглу. Частота, амплитуда и фаза колебаний зонда зависят от силового взаимодействия с поверхностью. При изменении параметров взаимодействия игла может смещаться относительно поверхности по любой из координат в плоскости XY. При этом собственные колебания иглы в двумерной плоскости сканирования XY являются высокочастотными, ввиду малого размера иглы и сильно отличаются от частоты одномерных (по вертикальной оси Z) колебаний консоли.
Отсутствие контроля колебаний иглы и их компенсации в процессе сканированияне только вызывает размытие сигнала измерения, и, как следствие, ухудшение качества изображения поверхности образца, и даже к жёсткому контакту иглы с поверхностью в плоскости XY, что ведёт к износу или повреждению иглы и необходимости её замены, что является дорогостоящей операцией. Кроме того, износ или повреждение иглы зонда влияет на её размер (длину и массу), а вместе с ним и массу консоли, внося значительную погрешность в определение координат расположения неравномерности на двумерной плоскости сканирования (XY) иглой зонда и в итоге снижает достоверность результата измерения и надёжность зонда.
Техническим результатом предложенного изобретения является создание устройства, позволяющего компенсировать в реальном времени X и Y составляющие сигнала измерения, вносимые собственными колебаниями иглы зонда, не связанными с колебаниями консоли.
Устройство компенсации собственных колебаний иглы зонда сканирующего микроскопа, также как в прототипе, содержит генератор колебаний.
Согласно изобретению в качестве генератора колебаний выбран генератор сигнала частоты собственных колебаний иглы, закрепленной на свободном конце нижней поверхности консоли, верхняя поверхность которой расположена в активной зоне датчика положения консоли. Входы синхронных детекторов сигнала координаты Х и сигнала координаты Y, а также входы сумматоров сигнала координаты Х и сигнала координаты Y подключены к выходам датчика положения консоли. Управляющие входы синхронных детекторов сигнала координаты Х и сигнала координаты Y подключены к выходу генератора сигнала частоты колебаний иглы. Выход синхронного детектора сигнала координаты Х через сумматор сигнала координаты Х связан со входом X устройства перемещения образца, а выход синхронного детектора сигнала координаты Y через сумматор сигнала координаты Y связан с входом Y устройства перемещения образца.
Устройство позволяет контролировать состояние иглы и обеспечивает формирование сигнала, в котором из общего сигнала датчика положения консоли исключены собственные колебания иглы по координатам Х и Y, то есть реализует возможность синхронного исключения ошибок измерения по координатам X и Y, возникающих из-за пространственной осцилляции кончика иглы зонда, вызванной действием собственных резонансных колебаний иглы с одновременным измерением характеристик сигнала зонда в любой точке поверхности образца без влияния на соседние участки сканирования. Такая компенсация сигнала собственных колебаний иглы, обусловленного прецессией иглы относительно положения её равновесия, позволяет варьировать в более широком диапазоне зазор «игла–поверхность», устанавливая в реальном времени необходимое значение зазора с учётом положения иглы, тем самым уменьшить размытие изображения поверхности и исключать её жесткий контакт с поверхностью. Совокупным результатом является повышение точности измерения неравномерности поверхности и надёжности зонда.
Таким образом, в отличие от прототипа, предложенное устройство снижает ошибки измерения неравномерности поверхности, улучшает точность и достоверность измерения рельефа поверхности образца сканирующим микроскопом путём компенсации составляющей размытия сигнала зонда, чем повышает надёжность зонда атомно-силового микроскопа.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства компенсации собственных колебаний иглы зонда сканирующего микроскопа.
X
Y
X
Y
X
Y
X
X
Y
Y
Устройство компенсации собственных колебаний иглы зонда сканирующего микроскопа содержит генератор сигнала частоты собственных колебаний 1 (ГСК) иглы 2,жёстко закрепленной на свободном конце нижней поверхности консоли3 зонда. Консоль3расположенаверхней поверхностью к активной зоне датчика положения 4консоли 3. К выходам X и Y датчика положения 4 консоли 3 подключены соответствующие им сигнальные входы синхронного детектора сигнала координаты Х 5 (СД) и синхронного детектора сигнала координаты Y 6 (СД), а также входы сумматора сигнала координаты Х 7 (С) и сумматора сигнала координаты Y8 (С). Управляющие входы синхронных детекторов сигнала координаты Х 5 (СД) и сигнала координаты Y6 (СД), подключены к выходу генератора сигнала частоты колебаний 1 (ГСК) иглы 2.Выход синхронного детектора сигнала координаты Х 5(СД) через сумматор сигнала координаты Х 7 (С) связан с входом X устройства перемещения 9 образца 10.Синхронный детектор сигнала координаты Y6 (СД), через сумматор сигнала координаты Y8 (С) связан с входом устройства перемещения  9 образца 10.
3
4
X
Y
X
Y
Например, для атомно-силового микроскопа Park Systems консоль 3, изготовлена из нитрида кремния (SiN), датчик положения4 консоли 3 является зондовым датчиком PSF00,а в качестве генератора сигнала частоты собственных колебаний 1 (ГСК) иглы 2может быть использован генератор, выполненный на элементах АГ3интегральной микросхемы серии 533, собранных по схеме мультивибратора (ОСТ11 340.917-84;черт.202). Синхронные детекторы сигнала координаты X5 (СД),координаты Y6 (СД) и сумматоры сигнала координаты Х 7 (С) и координаты Y8 (С) выполнены на операционных усилителях УД1(2) серии 544.
Устройство компенсации влияния собственных колебаний иглы зонда работает следующим образом.
с
с
X
Y
X
Y
X
Y
d
d
X
Y
t
t
X
Y
X
Y
X
Y
X
Y
с-
X
с-
Y
В начале работы вручную или электронной системой сканирующего микроскопа консоль 3 с жёстко закрепленной на его конце иглой 2 подводят к поверхности образца 10 для начала взаимодействия. При этом сближении датчик положения 4консоли 3непрерывно отслеживает изменение положения консоли 3 относительно поверхности образца 10 и формирует сигналы Х и Y, отражающие колебания консоли 3 по соответствующим осям координат Х и Y. Параметры сигнала, снимаемого с датчика положения 4 консоли 3, определяются типом зондового микроскопа. Данные положенияконсоли3 по координатам X и Y отдатчика положения 4консоли 3, поступают в виде электрических сигналов на сигнальные входы синхронных детекторов сигнала координаты X 5 (СД) и координаты Y 6 (СД), а также на прямые входы сумматоров сигнала координаты Х 7 (С) и сигнала координаты Y 8 (С). Одновременно на вторые инверсные входы сумматоров сигнала координаты Х 7 (С) и координаты Y 8 (С) поступают сигналы Х и Yс одноименных выходов синхронных детекторов сигнала координаты X 5(СД) и координаты Y 6 (СД), работа которых синхронизирована сигналами Х и Yгенератора сигнала частоты собственных колебаний 1 (ГСК) иглы 2, подаваемых на вторые управляющие входы синхронных детекторов сигнала координаты X5 (СД) и сигнала координаты Y 6 (СД). Таким образом, сумматоры сигналов координаты Х 7 (С) и координаты Y 8 (СД) выполняют арифметическую операцию вычитания сигналов синхронных детекторов сигнала координаты X5(СД) и сигнала координаты Y 6 (СД) из соответствующих сигналов координат X и Y положения консоли 3, формируемых датчиком положения 4 консоли 3.Вычитание выходных сигналов синхронных детекторов сигналов координат X5 (СД) и координаты Y 6 (СД) производится для исключения влияния на сигнал зонда осцилляций частоты собственных колебаний иглы 2 в активной зоне действия сил межатомного или молекулярного взаимодействия иглы 2 с поверхностью образца 10. При этом учитываются параметры осцилляции иглы 2,и данные, полученные при исходной юстировке консоли 3 с иглой2, а также текущие значения сигналов координат X и Y датчика положения 4 консоли 3 в реальном времени, определяющие координаты положения X и Y свободного конца консоли 3,на котором закреплена игла 2. Формирование результирующего сигнала Хкоординаты X датчика положения 4 консоли 3 с исключённой частью сигнала, соответствующей собственным колебаниям иглы 2 по координате X, выполняет сумматор сигнала координаты Х 7 (С), а формирование результирующего сигнала Yкоординаты Y датчика положения 4 консоли 3 с исключённой частью сигнала, соответствующей собственным колебаниям иглы 2 по координате Y – сумматор сигнала координаты Y 8 (С).
с-
с-
X
Y
Далее результирующие сигналы Хи Y, соответствующие координатам X и Y реального положения иглы 2, снимаемые с выходов сумматоров сигнала координаты Х 7 (С) и координаты Y 8 (С) передаются на входы устройства перемещения 9 образца 10соответствующих координатам X и Y сканирующего микроскопа. Эти сигналы координат X и Y с исключённой погрешностью, вносимой осцилляцией иглы 1 относительно её положения равновесия, служат основой построения карты высот в сканирующем микроскопе.
Предлагаемое устройство может быть использовано в системах сканирующей микроскопии для сканирования и коррекции искажений координат сигнала изображения поверхности, формируемого иглой зонда, в широком диапазоне изменения длин, скоростей и износа иглы в реальном времени. Регулировкой зазора между остриёмиглы1и поверхностью образца 10 создаются наилучшие условия реализации измерения.
Практическое использование предлагаемого устройства возможно во всех типах зондовой микроскопии ,в том числе, туннельной, атомно-силовой, емкостной, а также в автономных средствах измерения рельефа поверхностей и приборах неразрушающего контроля поверхностей; его применение повышает точность измерения и достоверность получаемых результатов, обеспечивая более высокую стабильность параметров микроскопов.