СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП, СОВМЕЩЕННЫЙ С УСТРОЙСТВОМ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА
SCANNING PROBE MICROSCOPE COMBINED WITH DEVICE FOR MODIFYING SURFACE OF OBJECT

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно, к устройствам измерения с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) рельефа, линейных размеров и физических характеристик поверхности объектов в режимах сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), атомно-силового микроскопа (АСМ) и близкопольного оптического микроскопа (БОМ).
Известен сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством модификации поверхности объекта, включающий платформу, на которой установлен пуансон с первым приводом и механизм перемещения образца со вторым приводом, сканирующее устройство, содержащее измерительный зонд с держателем и блок управления [1, 2].
Основной недостаток описанного изделия заключается в размещении зонда на сканирующем устройстве, что усложняет процесс измерения и соответственно снижает его разрешение.
Технический результат изобретения заключается в повышении разрешения устройства.
Указанный технический результат заключается в том, что в сканирующем зондовом микроскопе, совмещенном с устройством модификации поверхности объекта, включающем платформу, на которой установлены пуансон с первым приводом и механизм перемещения образца со вторым приводом, сканирующее устройство, измерительный зонд с держателем и блок управления, сканирующее устройство установлено на механизме перемещения образца, а образец закреплен на сканирующем устройстве.
Существует вариант, в котором образец сопряжен с первым оптическим блоком, а оптический блок выполнен в виде оптического микроскопа.
Возможен вариант, в котором измерительный зонд выполнен в виде кварцевого резонатора с острием и (или) в виде кварцевого резонатора с острием, закрепленным на нем посредством гибкой консоли.
Существует также вариант, где гибкая консоль параллельна плечу кварцевого резонатора и (или) перпендикулярна плечу кварцевого резонатора.
Возможны также варианты, где измерительный зонд выполнен в виде кварцевого резонатора со световодом, совмещенным со вторым оптическим блоком, острие выполнено электропроводящим и подключено к блоку управления, измерительный зонд выполнен в виде электропроводящей иглы, подключенной к блоку управления, сканирующее устройство сопряжено с упором, установленным на механизме перемещения образца, упор выполнен подвижным, измерительный зонд снабжен третьим приводом и расположен на платформе с возможностью подвижки относительно образца, сканирующее устройство снабжено четвертым приводом и расположено с возможностью подвижки относительно измерительного зонда, измерительный зонд снабжен четвертым приводом и расположен на механизме перемещения образца с возможностью подвижки относительно образца, держатель измерительного зонда имеет возможность механического сопряжения с механизмом движения образца.
Возможен также вариант, в котором устройство снабжено модулем для химического травления образца, и (или) плазменного травления образца, и (или) травления образца ионным пучком.
Существует также вариант, где образец, и (или) пуансон, и (или) измерительный зонд находятся во взаимодействии с хладагентом.
На фиг.1 изображена компоновочная схема сканирующего зондового микроскопа, совмещенного с устройством модификации поверхности объекта.
На фиг.2 представлен измерительный зонд в виде кварцевого резонатора.
На фиг.3 - измерительный зонд с гибкими консолями.
На фиг.4 - измерительный зонд в виде иглы.
На фиг.5 - измерительный зонд в виде кантилевера.
На фиг.6 - измерительный зонд с оптическим волокном.
На фиг.7 - вариант устройства с зондом, расположенным на механизме перемещения образца.
На фиг.8 - вариант механического сопряжения измерительного зонда с механизмом перемещения образца.
Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством модификации поверхности объекта, содержит платформу 1, на которой установлен пуансон 2 с первым приводом 3, а также механизм перемещения образца 4 со вторым приводом 5 и сканирующим устройством 6. При этом механизм 4 содержит корпус 7, в котором на оси 8 установлен рычаг 9, совмещенный со вторым приводом 5. Подробнее привод 3 с пуансоном 2 и механизмом 4 см. в [3]. Внутри рычага 9 расположено сканирующее устройство 6, выполненное, например, в виде первой пъезотрубки 10 и второй пьезотрубки 11, соединенных первым фланцем 12. Устройство 6 посредством второго фланца 13 закреплено на рычаге 9. Сканирующее устройство 6 содержит держатель 14, в котором установлен носитель 15 образца 16. Закрепление образца 16 в носителе 15 может быть осуществлено с использованием клея, а закрепление носителя 15 в держателе 14 - с использованием крепежных винтов или магнита (не показано).
В зоне измерения образца 16 в захвате 17 установлен измерительный зонд 18. Подробнее варианты зондов 18 см. ниже. Зонд 18 может быть закреплен на третьем приводе 19. Привод 19 может осуществлять перемещение как по координате Z, перпендикулярной измеряемой поверхности, так и по координатам X, Y, то есть в плоскости, параллельной измеряемой поверхности образца. Подробно варианты выполнения третьего привода 19 описаны в [4, 5, 6]. Зона измерения образца 16 оптически сопряжена с первым оптическим блоком 20, установленным на платформе 1 посредством механизма 21. Оптический блок 20 может быть выполнен в виде оптического микроскопа.
Элементы 3, 5, 12, 17, 19 и 21 подключены к блоку управления 22. Выполнение измерительного зонда в виде кварцевого резонатора 23 (фиг.2) с острием 24 предполагает закрепление его выводов 25 и 26 в захвате 17 (фиг.1) посредством изолированных контактов 27 и 28. Это закрепление может быть осуществлено пайкой или крепежными винтами (не показано). Контакты 27 и 28 подключены к блоку управления 22. Более подробно кварцевые резонаторы, способы их закрепления, а также блок управления 22 описаны в [7, 8, 9, 10].
Возможны варианты использования кварцевого резонатора 29 (фиг.3) с закрепленными на его плечах 30 и 31 гибкими консолями 32, 33, 34 и 35 с остриями 36, 37, 38 и 39. При этом консоли 32 и 33 могут быть параллельны плечам 30 и 31, а балки 34 и 35 - им перпендикулярны. В частном случае острия могут быть электропроводящими и через плечи кварцевого резонатора могут подключаться к блоку управления 22. Подробно измерительные зонды с гибкими консолями описаны в [11, 12]. В частном случае измерительный зонд может быть выполнен в виде электропроводящей иглы 40 (фиг.4), закрепленной плоской пружиной 41 на захвате 17. Возможен также вариант измерительного зонда в виде кантилевера 42, закрепленного плоской пружиной 43 на захвате 17. При этом кантилевер 42 должен быть оптически сопряжен с модулем анализа 44, содержащим лазер 45 и фотоприемник 46, подключенные к блоку управления 22. Модуль 44 должен быть жестко установлен на платформе 1, а лазер 45 и фотоприемник 46 - иметь юстировочные подвижки. Это подробно описано в [13, 14].
Существует также вариант, в котором измерительный зонд выполнен в виде кварцевого резонатора 47 со световодом 48, оптически сопряженным со вторым оптическим блоком 49. Такой вариант зонда описан в [15, 16].
Помимо описанных вариантов для особо точных измерений может использоваться модификация устройства, включающая подвижный упор 50 (фиг.7), выполненный, например, в виде винта, установленный на рычаге и сопряженный с держателем 14.
Второй фланец 51 при этом может быть сопряжен с четвертым приводом 52, установленным на рычаге 9. Привод 52 может состоять из набора пьезокерамических спеченных шайб (см., например, [17]), могут быть также и другие его исполнения. На рычаге 9 может быть также установлен пятый привод 53, содержащий корпус 54 и инерционный элемент вращения 55 с закрепленным на нем посредством кронштейна 56 измерительным зондом 57. Вариант механического сопряжения захвата 58 (фиг.8) измерительного зонда 18 с рычагом 9 может быть выполнен в виде направляющей 59 с заходным элементом 60, расположенной с возможностью взаимодействия с захватом 58, имеющим скос 61, захват 58 при этом закреплен посредством плоской пружины 62 на приводе.
Устройство работает следующим образом. Закрепляют образец 16 в носителе 15, а зонд 18 в захват 17. Используя второй привод 5, осуществляют срез образца 16 пуансоном 2, после чего посредством третьего привода 19 подводят зонд 18 к образцу 16 и сканирующим устройством 6 производят сканирование его поверхности. Блок 22 в зависимости от используемого зонда 18 измеряет требуемые физические характеристики исследуемой поверхности образца.
Пуансон 2 может быть выполнен в виде стеклянного или алмазного ножа. Существующие типы ножей и конструкции механизма перемещения образца 5 используемые, например, в ультрамикротомах, позволяют осуществлять срезы образца толщиной от 20 нм до 1 мкм. Размеры области сканирования на поверхности образца, выполняемого сканирующим устройством 6, могут составлять от 10×10нм до 200×200 мкм. Разрешение деталей на поверхности образца, достигаемое при измерениях, в зависимости от характеристик зонда может доходить до уровня нескольких ангстрем.
Размещение сканирующего устройства на механизме перемещения образца, а образца на сканирующем устройстве повышает разрешение прибора. Это происходит из-за того, что зонд в этом случае не связан со сканирующим устройством, при этом в большинстве случаев облегчается масса сканирующей части и упрощается процесс измерения, например для зондов в виде кварцевых резонаторов или кантилеверов. Кроме этого, в существующих ультрамикротомах традиционно используются образцы малых размеров (~1 мм), что не сильно увеличивает массу сканирующей части.
Литература
1. Патент RU 2233490, 2003.
2. Патент RU 2282257, 2003.
3. Проспект фирмы «Leica Microsystems» ЕМ FCS, Leica Microsysteme Gmbh, www.leica-microstems.com
4. Патент RU 2161343, 1996.
5. Патент RU 2152103, 1996.
6. Патент ЕР 0823738, 1998.
7. Application of commercially available cantilevers in tuning fork Scanning Probe Microscopy (SPM) studies, S. Rozhok, V. Chandrasekhar, Solid state Communications 121 (2002), p.683-686.
8. High-speed force sensor for force microscopy and profilometry utilizing a quartz tuning fork, F.J.Giessibl, Applied Physics Letters, Vol.73, Num. 26 (1998).
9. Патент RU 2008763, 2003.
10. Патент RU 2297054, 2005.
11. A New Approach to Atomic Force Microscopy for Nanometrology Applications, Paul West et al, American Laboratory, April, 2005.
12. Патент 2297053, 2005, p.23-24.
13. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И.Данилов, Успехи химии 64 (8), 1995 г., с.818-833.
14. 3ондовая микроскопия для биологии и медицины, В.А.Быков и др., Сенсорные системы, т.12, №1, 1998 г., с. 99-121.
15. Патент ЕР 0791802, 1997.
16. Патент ЕР 0864899, 1998.
17. Каталог Physik Instruments, Germany, GmbH.