СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП-НАНОТВЕРДОМЕР, СОВМЕЩЕННЫЙ С ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Полезная модель относится к области сканирующей зондовой микроскопии и предназначена для исследования геометрических и механических параметров поверхности на субмикронном и нанометровом масштабе.
Существует множество приборов, использующих принципы зондовой микроскопии и нанотвердометрии, основанных на контакте зондового датчика с поверхностью исследуемого образца. В связи с внедрением подобного оборудования в технологические разработки и производственные процессы возникла необходимость повышения точности проводимых измерений и создания метрологической базы для применяемых методик. Измерение параметров рельефа поверхности (например, шероховатость) или механических свойств (твердость) связано с измерением линейных размеров. Как правило, для контроля линейных перемещений пьезосканеров используются емкостные датчики, что позволяет обеспечить довольно высокое разрешение (типично ~1 нм). Однако для повышения точности измерений и их метрологического обеспечения необходима привязка к первичным эталонам. В настоящее время эталоном единицы длины является расстояние, проходимое светом в вакууме за определенный интервал времени. Эта величина хорошо воспроизводится с использованием стабилизированного по частоте источника оптического излучения. Поэтому прослеживаемость к первичному эталону можно обеспечить, используя интерферометры на основе излучения стабилизированного лазера. Гетеродинные интерферометры гарантируют высокое разрешение, достоверность и большой динамический диапазон измерений линейных размеров в нанометровом и микрометровом диапазоне. Оснащение такими интерферометрами нанотвердомеров позволит обеспечить повышение точности и создание метрологической базы для измерений линейных размеров в нанометровом диапазоне.
Известно «Устройство для измерения механических характеристик» (RU 2108561, от 18.11.1996 г.), содержащее пьезорезонатор в виде камертона, соединенный с блоком возбуждения и с блоком детектирования, при этом на одном из стержней пьезорезонатора закреплен индентор.
Известен «Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством срезания тонких слоев объекта» (RU, №2287129 от 10.03.2006 г.), содержащий корпус с расположенным в нем трехкоординатным пьезосканером с держателем зонда и зондом, нож, держатель объекта, установленный на механизме перемещения держателя объекта относительно ножа по криволинейной траектории со смещением на толщину среза, а также устройство позиционного перемещения зонда относительно объекта, дополнительно содержащий механизм сопряжения устройства позиционного перемещения зонда с держателем объекта, причем механизм сопряжения выполнен в виде опорной плиты, расположенной в плоскости смещения по двум координатам устройства позиционного перемещения зонда.
Недостатком данных конструкций является отсутствие интерферометрических датчиков перемещения и, как следствие, не возможность обеспечения прослеживаемости измеряемых линейных размеров к эталону - длине волны оптического излучения.
Задачей полезной модели является создание прибора на принципах зондовой микроскопии и нанотвердометрии с системой сканирования, сопряженной с трехкоординатным гетеродинным интерферометром способным измерять линейные размеры при сканировании и индентировании.
Техническим результатом является повышение точности измерений линейных перемещений и размеров в нанометровом и микрометровом диапазоне.
Поставленная задача и указанный технический результат достигается тем, что сканирующий зондовый микроскоп-нанотвердомер, совмещенный с оптической системой линейных измерений, содержащий пьезорезонатор в виде камертона, соединенный с блоком возбуждения и с блоком детектирования, при этом на одном из стержней пьезорезонатора закреплен индентор, согласно полезной модели, дополнительно снабжен трехкоординатным позиционером, содержащим платформу, расположенную на пьезоэлектрических приводах и емкостные датчики перемещения, которые вместе с пьезоэлектрическими приводами сопряжены с блоком управления перемещением, подключенным, в свою очередь, к блоку обратной связи и ЭВМ, при этом на платформе закреплено не менее одной триппель призмы, а позиционер дополнительно сопряжен с оптической системой, содержащей источник когерентного излучения, не менее двух юстируемых оптических элементов, акустооптический модулятор и оптический канал, связанный с фотоэлектрическим преобразователем, соединенным с блоком аналогово-цифровой обработки, с выходным каналом на ЭВМ через блок сбора, хранения и обработки информации. Одновременно с этим ЭВМ и блок обратной связи соединены с блоком детектирования, и между собой, а пьзорезонатор установлен на механизме перемещения относительно исследуемого объекта и снабжен датчиком изгиба, подключенным к ЭВМ. При этом источник когерентного излучения выполнен в виде одночастотного стабилизированного He-Ne лазера, а юстируемые оптические элементы выполнены в виде зеркал.
Введение в систему пьезорезонатора в виде камертона с индентором, датчика изгиба пьезорезонатора, механизма перемещения, трехкоординатного позиционера, сопряженного с блоком управления, блока обратной связи, ЭВМ - позволяет изучать рельеф поверхности и измерять с высоким пространственным разрешением твердость материалов методом индентирования/склерометрии, а также методом динамического измерительного индентирования. А сопряжение трехкоординатного позиционера с оптической системой, фотоэлектрическим преобразователем и блоком аналогово-цифровой обработки позволяет увеличить точность позиционирования исследуемого объекта относительно наконечника и осуществить привязку измеряемых линейных размеров к длине волны оптического излучения.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 - изображена блок схема взаимодействия основных элементов, а на фиг.2 - основные элементы оптической системы.
Сканирующий зондовый нанотвердомер, с оптической системой линейных измерений содержит пьезорезонатор 1 с закрепленным индентором, установленный на механизме перемещения 2 и сопряженный с блоком возбуждения 3, и блоком детектирования 4, который соединен с блоком обратной связи 5, трехкоординатный позиционер 6, подключенный к блоку управления перемещениями 7, который в свою очередь подключен к блоку обратной связи 5, а также к ЭВМ 8, одновременно с этим к ЭВМ 8 подведены выходные линии от датчика изгиба 9, блока детектирования 4 и блока обратной связи 5, при этом трехкоординатный позиционер 6 сопряжен с оптической системой 10, через оптический канал связанный с фотоэлектрическим преобразователем 11, соединенным с блоком аналогово-цифровой обработки 12, с выходным каналом на ЭВМ 8, через блок сбора, хранения и обработки информации 13. При этом оптическая система включает в себя источник когерентного излучения 14, систему зеркал 15, триппель-призмы 16, акустооптический модулятор 17 и оптический канал 18.
Система работает следующим образом: Измеряемый образец закрепляют на платформе трехкоординатного позиционера 6. При помощи блока возбуждения 3 инициируются изгибные колебания пьезорезонатора 1. Параметры колебаний (амплитуда и частота) пьезорезонатора 1 измеряются блоком детектирования 4, далее пьезорезонатор 1 подводят к поверхности измеряемого образца с помощью механизма перемещения 2 до касания индентором исследуемого объекта. Касание определяют по изменению параметров колебаний пьезорезонатора 1, измеренных блоком детектирования 4. Сканирование поверхности образца производят при помощи подачи сигнала построчной линейной развертки с ЭВМ 8 на блок управления перемещениями 7, который обеспечивает движение платформы трехкоординатного позиционера 6 в плоскости поверхности образца XY, подавая на пьезоэлектрические приводы напряжение, корректируемое в соответствии с сигналами емкостных датчиков. Одновременно сигнал, пропорциональный амплитуде или частоте колебаний пьезорезонатора 1, с блока детектирования 4 поступает в блок обратной связи 5, который воздействует на блок управления перемещениями 7, обеспечивая перемещение образца по оси Z таким образом, чтобы амплитуда или частота колебаний пьезорезонатора 1 оставались постоянными. Сигналы блока детектирования 4, блока обратной связи 5 и блока управления перемещениями 7 поступают в ЭВМ 8 и используются для формирования трехмерных изображений рельефа поверхности, а также карт распределения механических свойств. В тоже время сигнал оптической системы 10 поступает на фотоэлектрический преобразователь 11, электрический сигнал, с выхода которого поступает на блок аналого-цифровой обработки 12 и затем, через блок сбора, хранения и обработки информации 13, поступает в ЭВМ 8. Полученные данные используются для контроля и измерений линейных перемещений трехкоординатного позиционера.