УСТРОЙСТВО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ С КОМПЕНСАЦИЕЙ ТЕРМИЧЕСКОГО ДРЕЙФА ОБРАЗЦА В СИСТЕМЕ С ИОННЫМ ИЛИ ЭЛЕКТРОННЫМ ИСТОЧНИКОМ
POSITIONING DEVICE WITH SAMPLE THERMAL DRIFT COMPENSATION IN SYSTEM WITH ION OR ELECTRON SOURCE

Настоящее изобретение относится к устройствам точного позиционирования образца в сверхвысоком вакууме при помощи пьезоэлектрических двигателей и системы емкостных датчиков в установках с фокусированным ионным или электронным пучком, в которых формируются наноэлементы.
Современные тенденции в электронике требуют снижения критических топологических размеров элементов. Для создания наноразмерных элементов в лабораторных условиях используют вакуумные системы с ионными и электронными пучками нанометрового диаметра. В таких системах существует потребность в высокой точности перемещения образца относительно ионного или электронного луча. Это возможно только при осуществлении слежения за смещением образца относительно луча с высокой чувствительностью. Кроме высокой чувствительности, от системы датчиков требуются также такие качества, как малые размеры, надежность, долговечность и способность к многократной регенерации, малое потребление энергии и малая стоимость.
Известна система позиционирования образца под электронным лучом с минимизацией дрейфа в системе с вакуумной камерой, системой откачки, электронной пушкой, системой позиционирования и интерферометром для слежения за перемещениями образца [1]. Позиционирование образца относительно электронной пушки осуществляется за счет точного контроля сигнала, посылаемого на шаговые двигатели, которые осуществляют перемещение образца по горизонтальной плоскости и по вертикали. Контроль сигнала на двигателях осуществляется в автоматическом режиме по заданному алгоритму.
Недостаток такого устройства в том, что в системе используется позиционирование образца с точностью и надежностью перемещения шаговых двигателей, а дальнейшее перемещение в заданную точку выполняет электронная пушка, отклоняя пучок испускаемых частиц. Кроме того, в вакууме может присутствовать перегрев двигателей в результате длительных перемещений. Еще одним недостатком является неучтенность отклонения электронной пушки в результате термодрейфа самой пушки или вакуумной камеры.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранное в качестве прототипа устройство контролирования механизма позиционирования образца под электронным или ионным лучом [2]. Согласно ему основные перемещения совершают серводвигатели, но для более точного их позиционирования они останавливаются (доводятся до необходимой координаты) с помощью ультразвуковых двигателей. Это осуществляется в связи с недостаточно высокой для нанотехнологии точностью позиционирования шаговых двигателей. А всю эту движущуюся систему останавливает пьезоэлектрический тормозной элемент. После этого система ультразвуковых двигателей отсоединяется от основного держателя образца. А поддержанием в заданной точке занимается пьезоэлектрический тормозной элемент. В итоге дрейф системы позиционирования доведен до 0,5 нанометров в секунду, чего никак не добиться, если работать только с шаговыми двигателями. К недостаткам данного устройства можно отнести следующие:
- Слежение за координатами положения образца в системе только с помощью сканирования ионным или электронным пучком. Однако ионный луч модифицирует исследуемую поверхность при сканировании. Обратная связь по координатам осуществляется лишь через оператора, который задает некий набор сигналов на двигатели. Тем самым не производится автоматизация процесса поддержания образца в точке с заданной координатой и в результате дрейф системы позиционирования не удаляется.
- Не предусмотрена компенсация термодрейфа системы по вертикальной оси. В системе возможно изменение расстояния между образцом и источником ионов или электронов. При изменении величины зазора между источником электронов или ионов и образцом нарушается фокусировка ионного или электронного пучка, тем самым диаметр пучка увеличивается и падает разрешающая способность прибора.
- Не предусмотрена компенсация положения образца относительно ионной или электронной пушки в результате термодрейфа вакуумной камеры, через которую связаны положения системы позиционирования образца и ионной или электронной пушки. В результате термодрейфа вакуумной камеры возможно изменение положения (смещение или наклон) ионной или электронной пушки. В зависимости от материала и величины вакуумной камеры при изменении ее температуры на градус смещение образца относительно ионной или электронной пушки может достигать нескольких микрометров по горизонтальной или вертикальной плоскости, а это повлияет в свою очередь на фокусировку ионного или электронного луча.
Настоящее изобретение устраняет недостатки прототипа.
Задачей изобретения является обеспечение более точного и надежного позиционирования в требуемой точке; компенсации смещений положения образца относительно ионного или электронного луча в результате термодрейфа, что позволяет работать на наноразмерном уровне длительный промежуток времени.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве позиционирования с компенсацией термического дрейфа в сверхвысоковакуумной системе с ионным источником точное позиционирование образца относительно ионной пушки происходит не только с помощью грубых ультразвуковых двигателей, но и с помощью перемещения пьезодвигателей, дополнительно установленных в систему позиционирования образца, положение которых отслеживается точными емкостными датчиками. Происходит компенсация термического дрейфа координатного стола и нелинейности движения пьезодвигателей с помощью обработки сигналов с емкостных датчиков в системе позиционирования и обратной связи с пьезодвигателями. Ведутся слежение и компенсация отклонения ионной пушки в результате термического перекоса вакуумной камеры с помощью дополнительных перемещений пьезоэлектрических двигателей в результате обработки сигналов с емкостных датчиков, следящих за положением фланца, к которому прикреплена ионная пушка, относительно основы системы позиционирования, закрепленной к нижнему фланцу камеры.
Графические изображения.
На фиг.1 схематически показана конструкция системы фокусированного ионного пучка, где:
1 - вакуумная камера;
2 - верхний фланец вакуумной камеры;
3 - нижний фланец вакуумной камеры;
4 - ионная пушка;
5 - ионный насос;
6 - образец;
7 - окно;
8 - основание системы позиционирования;
9 - грубый ультразвуковой двигатель по оси X;
10 - грубый ультразвуковой двигатель по оси Y;
11 - точный пьезодвигатель по оси X;
12 - точный пьезодвигатель по оси Y;
13 - пьезодвигатели по оси Z;
14 - платформа со встроенными пьезодвигателями;
15 - основание для платформы с пьезодвигателями;
16 - емкостные датчики для отслеживания термодрейфа положения ионной пушки.
На фиг.2 схематически показана конструкция узла пьезоэлектрического двигателя координатной системы позиционирования в системе фокусированного ионного пучка, где:
11 - точный пьезодвигатель;
17 - емкостной датчик для отслеживания смещения пьезодвигателя;
14 - платформа со встроенными пьезодвигателями;
15 - основание для платформы с пьезодвигателями.
На фиг.3 схематически показана платформа с пьезоэлектрическими двигателями по осям X, Y и Z в системе позиционирования образца для системы фокусированного ионного пучка, где:
11 - точный пьезодвигатель по оси X;
12 - точный пьезодвигатель по оси Y;
13 - пьезодвигатели по оси Z;
14 - платформа со встроенными пьезодвигателями;
17 - интерферометрическая система;
18 - емкостной датчик для отслеживания смещения пьезодвигателя.
Пример реализации способа.
На фиг.1 показана сверхвысоковакуумная система, включающая вакуумную камеру 1 с несколькими окнами 7, ионную пушку 4, прикрепленную к верхнему фланцу 2, систему позиционирования на платформе 8, прикрепленной к нижнему фланцу 3 вакуумной камеры, и ионный насос 5.
Система позиционирования имеет основание 8, платформу грубого перемещения по оси Х (на основе модели FBI 00-100-0.1М8 фирмы Electromate Industrial Sales, Канада), платформу грубого перемещения по оси Y (на основе той же модели), основание 15 для платформы с пьезоэлектрическими двигателями, саму платформу 14 с пьезоэлектрическими двигателями 11 и 12 по осям Х и Y для точного позиционирования (на основе пьезотрубок, используемых в сканирующих зондовых микроскопах фирмы NT-MDT, Россия [3]), три пьезодвигателя 13 для движения по оси Z (на основе модели ANPz100/IND фирмы Attocube systems AG, Германия).
Платформы с грубыми ультразвуковыми двигателями 9 и 10 имеют точность позиционирования до микрометра и максимальный ход 100 мм по осям Х и Y. Платформа с пьезоэлектрическими двигателями 11 и 12 позволяет позиционировать образец с точностью до нанометра с диапазоном порядка 50 мкм по осям Х и Y. А пьезоэлектрические двигатели 13 имеют точность 10 нм по оси Z.
Наличие дрейфов в системе отслеживается благодаря:
- датчикам линейного перемещения платформ грубого перемещения образца по осям Х и Y с точностью слежения 50 нм;
- двум емкостным датчикам 18 в платформе 14 с пьезоэлектрическими двигателями 11 и 12 по осям Х и Y;
- четырем емкостным датчикам 16 между основанием системы позиционирования 8 и верхним фланцем 2 вакуумной камеры 1.
Для осуществления точного позиционирования первоначально образец передвигается с помощью грубых двигателей 9 и 10. Когда до необходимой координаты расстояние менее точности позиционирования грубых двигателей, происходит включение точных пьезодвигателей 11 и 12. Положение пьезодвигателей 11 и 12, установленных в систему позиционирования образца, отслеживается емкостными датчиками 18. Компенсация термического дрейфа координатной системы позиционирования и нелинейности движения пьезодвигателей осуществляется тоже с помощью обработки сигналов с емкостных датчиков 14.
Емкостные датчики 16 следят за отклонениями направления ионной пушки 4, реагируя на изменения положения фланца 2, к которому прикреплена ионная пушка 4, относительно нижнего фланца камеры 3 в результате термического перекоса вакуумной камеры 1. В результате обработки сигналов с емкостных датчиков 16 блоком управляющей электроники с помощью дополнительных перемещений пьезоэлектрических двигателей 11 и 12 корректируется положение образца 6 из-за термического дрейфа вакуумной камеры 1.
Контроль положения системы позиционирования, находящейся в камере сверхвысокого вакуума, осуществляется с помощью интерферометрической системы 17, находящейся вне камеры, как, например, в статье [4], и направленной на систему позиционирования образца через одно из окон вакуумной камеры. Возможна также установка добавочных датчиков перемещения для отслеживания положения системы позиционирования в пространстве с точностью до доли нанометра.
Для корректировки параметров движения системы позиционирования, включающей набор датчиков, используется блок электроники, обрабатывающий сигналы с датчиков и интерферометрической системы, анализирующий требуемую координату и необходимое перемещение и дающий указания для двигателей, сдвигающих образец.
Возможна конструкция устройства позиционирования с компенсацией термического дрейфа образца, отличающаяся тем, что система позиционирования находится под лучом фокусированной ионной или электронной пушки, и компенсация дрейфа и точность позиционирования может быть достигнута за счет взаимодействия данных с датчиков системы позиционирования и программы корректировки отклонения ионного или электронного пучка, то есть за счет взаимодействия двух компьютерных систем, управляющих столом и ионным пучком.
Возможна конструкция устройства позиционирования с компенсацией термического дрейфа образца, отличающаяся тем, что емкостные датчики для слежения за отклонением ионной пушки в результате термического дрейфа верхнего фланца вакуумной камеры находятся не на сцепке, соединяющей верхний фланец и основание системы позиционирования, а на сцепке, соединяющей ионную (электронную) пушку и основание системы позиционирования. Это позволит точнее определить положение ионной (электронной) пушки.
Подобное решение позволяет добиться увеличения точности получения требуемых теоретически рассчитанных элементов наноэлектроники с хорошей воспроизводимостью.
Возможна конструкция устройства, в которой вместо емкостных датчиков для слежения за отклонением ионной пушки в результате дрейфа верхнего фланца вакуумной камеры используется система с двумя интерферометрами, использующими лазерные лучи, входящие через окна вакуумной камеры и отраженные от поверхности корпуса ионной пушки.
Возможна конструкция устройства позиционирования с компенсацией термического дрейфа образца, отличающаяся тем, что для регулировки термического дрейфа вакуумной камеры вне ее, на стенках, установлена серия элементов Пельтье совместно с датчиками температуры, сигнал с которых сравнивается с показаниями емкостных датчиков, отслеживающих положение ионной пушки.
Технический результат изобретения заключается в повышении качества работы сверхвысоковакуумных систем с фокусированными ионными или электронными пучками диаметром несколько нанометров.
Источники информации
1. Патент US2007057196,15.03.2007.
2. Патент US2008211349, 04.09.2008 - прототип.
3. Патент RU2199171,12.04.2001.
4. С.А.ДАРЗНЕК, Ж.ЖЕЛКОБАЕВ, В.В.КАЛЕНДИН, Ю.А.НОВИКОВ. Лазерный интерферометрический измеритель наноперемещений, ТРУДЫ ИНСТИТУТА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ им. A.M.ПРОХОРОВА. Том 62, стр.14-37, 2006.