Растровый туннельный микроскоп

 

Изобретение относится к технике измерений и может использоваться для контроля структуры поверхностей. Цель изобретения - увеличение термои вибростабильности и расширение технологических возможностей - достигается выполнением держателя измерительной иглы в виде металлического опорного кольца. Металлическое опорное кольцо через равномерно закрепленные на боковой поверхности пьезокерамические вставки соединено с металлическими кубиками движителя, на нижних гранях которых через изолирующие прокладки закреплены электростатические присоски, при помощи которых движитель закрепляют на рабочем столе. Сборка металлических кубиков и пьезоэлектрических вставок выполнена Н-образной формы и установлена на торцовой поверхности опорного кольца так, что центральный кубик сборки с закрепленной на нем измерительной иглой расположен соосно опорному кольцу. В рабочем столе растрового туннельного микроскопа выполнено сквозное отверстие, в котором расположено приспособление для подвода образца к измерительной игле, выполненное в виде круглой мембраны, жестко закрепленной на столе соосно отверстию, и штока, установленного с возможностью взаимодействия с мембраной. После подведения образца к игле при помощи штока и мембраны на расстояние 0,01 мм сканирование измерительной иглы по контролируемому полю образца осуществляют подачей изменяющегося напряжения на металлические кубики движителя. Стабильность положения заданного поля образца относительно положения иглы составляет ±1,2 нм в течение часа работы. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

yg 4 Н 01 J 37/26

3И5И3@3

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. с ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4284963/24-21 (22) 14.07.87 (46) 07,04.89. Вюл. У 13 (71) Московский институт электронной техники (72) В.К.Неволин и А.С.Коньков (53) 621 ° 385(088.8) (56) Приборы для научных исследований. 1986, Я 3, с.134-139.

Там же, 1985, У 8, с.75-79. (54) РАСТРОВЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП (57) Изобретение относится к технике измерений и может использоваться для контроля структуры поверхностей.

Цель изобретения — увеличение термои вибростабильности и расширение технологических возможностей — достигается выполнением держателя измерительной иглы в виде металлического опорного кольца. Металлическое опорное кольцо через равномерно закрепленные на боковой поверхности пьезокерамические вставки соединено с металлическими кубиками движителя, на нижних гранях которых через изолирующие прокладки закреплены электростатические присоски, при помощи

Изобретение относится к технике измерений и может использоваться для контроля структуры поверхностей.

Цель изобретения - увеличение термо- и в бростабнльности и расширение технологических возможностей.

„„SU„„1471232 А1 которых движитель закрепляют на рабочем столе. Сборка металлических кубиков и пьезоэлектрических вставок выполнена Н-образной формы и установлена на торцовой поверхности опорного кольца так, что центральный кубик сборки с закрепленной на нем измерительной иглой расположен соосно опорному кольцу. В рабочем столе растрового туннельного мискроскопа выполнено сквозное отверстие, в котором расположено приспособг.ение для подвода образца к измерительной игле, выполненное в аиде круглой мемб.раны, жестко закрепленной на столе соосно отверстию, и штока, установленного с воэможностью взаимодействия с мембраной. После подведения образца к игле при помощи штока и мембраны на расстояние 0 01 мм сканирование измерительной иглы по контролируемому полю образца осуществляют подачей изменяющегося напряжения на металлические кубики движите ля. Стабильность положения заданного поля образца относительно положения иглы составляет +1,2 нм в течение 1 ч работы. 3 ил.

На фиг.1 изображена конструкция растрового туннельного мчкроскопа; на фиг.2 - пьезоманипулятор с пьезодвижителем; на фиг,3 — функциональная схема блоков управления.

Микроскоп содержит пьезоманипулятор 1, закрепленный на пьезодвижи1471232 теле 2. Поверхность 3 рабочего стола 4 с расположенными на ней пьезоманипулятором 1 и пьезодвижителем

2 установлена внутрь защитного кожу5 ха 5 цилиндрической формы диаметром .110 мм и высотой 270 мм, состоящего ,.из стеклянного сосуда Дьюара 6,. вставленного с упорами в пластмас,совый кожух 7 и предохраняющего со- 10 суд Дьюара от повреждений. Рабочий . стол 4 представляет собой составную цилиндрическую деталь общей высотой 107 мм из нержавеющей стали, верхняя часть его имеет диаметр 80мм и высоту .45 мм, и входит в сосуд

Дьюара на глубину до 30 мм, Нижняя часть 8 рабочего стола диаметром

118 мм и высотой 62 мм является основанием и закрепляется в кожухах 9-11, 20

Кожухи 9 и 10 выполнены из пенополиуретана, кожух 11 - из фторопласта, Сосуд Дьюара 6 с помощью кожуха 7, имеющего резьбу в нижней части, навинчивается до упора через.проклад- 25 ку 12 из фторопласта до нижней части 8. Кожухи 9-11 цилиндрической формы имеют внешний диаметр 200 мм.

Во внутреннее отверстие кожуха 9 диаметром 114 мм вклеен нластмассо- 30 вый стакан с, внутренним резьбовым отверстием для кожуха 7 и полым дном диаметром 80 мм. Кожух 9 со стаканом приклеены к верхней плоскости выступа 8. .Рабочий стол 4 с кожухом

9 свободно устанавливается в кожухе 10, который .в свою очередь свободно вставляется в кожух 1 1. Сосуд

Дьюара 6 в кожухе 7 и кожухи 9-11 служат для акусто- и термоизоляции $0 рабочей области мискроскопа от внешней среды, В рабочем столе выполнены два вертикальных сквозных отверстия

13 диаметром 4 мм для прокладки электрических цепей от блоков управления и регистрации к пьезоманипулятору пьезодвижителю 2, игле 14 и образ" цу 15. Два выполненных в рабочем, столе 4 сквозных вертикальных отвер 1 стия 16 диаметром 4 мм с закреплен- 50 ными в их нижней части штуцерами 17 служат для запуска в обьем микроскопа под сосудом Дьюара 6 газовых сред заданного состава при атмосферном давлении для проведения техноло

1гкческих операций с помощью иглы 14

L. на поверхности образца 15, а также могут быть использованы для создания форвакуумных условий работы миккроскопа.

В центре рабочего стола 4 выполнено сквозное цилиндрическое отверстие

18 диаметром 10 мм. В верхней части этого отверстия расположена мембрана

19, выполненная в виде плоского диска толщиной 0,5 мм и диаметром

20 мм иэ листовой закаленной стали, Иембрана 19 установлена в соответствующей проточке в рабочем столе,, выполненной по его центру (фиг.i) и приварена по ее периметру. Плоские исследуемые образцы 15 толщиной

О,S мм приклеивают электропроводящим клеем к мембране 19 в ее центре сверху, В отверстии 18 установлен цилиндрический шток 20, выполненый иэ нержавеющей стали, длиной 145 мм и диаметром 9,9 мм и верхней части, соединенный с рабочим столом резьбовым соединением 21 высотой 30 мм от основания рабочего стола. Нижняя часть штока после резьбы 21 имеет диаметр 12 мм и продольный шлиц на глубину 2 мм. Иежду штоком 20 и нижней поверхностью мембраны установлена пружина 22, выполненная из закаленной стали, жесткость которой меньше соответствующей жесткости мембраны, и служит для ослабления вертикального перемещения .мембраны за счет штока 20„

Пружина подобрана так, что при одном полном обороте штока она смещается за счет реэьбового соединения на 1 мм вертикально, в то время как мембрана 19 .и вместе с ней образец

15 на 3 мкм. При этом средняя скорость грубой подачи образца составляет 10-20 нм/с. Пружина 22 с малой жесткостью в то же время демпфирует вертикальные перемещения штока относительно рабочего стола, вызванные изменением его температуры.

На штоке 20 в нижней его части свободно одет диск 23, выполненный иэ латуки толщиной 10 мм, внешним диаметром 80 мм и внутренним диаметром 12,2 мм с радиальными отверстиями 24, выполненными .на торцах диска диаметром 4 мм, длиной 20 мм.

Одно иэ отверстий сделано сквозным, в него ввинчивается латунная шпилька на резьбе до упора с поверхностью шлица на штоке 20. С помощью диска

23 и шпильки передается вращательное движение на шток при повороте

1471232

«О

46

45 диска 23. Четыре радиальных промежу» ка 25 между четырьмя выступающими пазами в кожухе 11 служат для поворота диска 23 с помощью отвертки (не показана), вставляемой в отверстия 24.

Пьезоманипулятор 1 состоит из семи кубиков 26-32, расположенных в одной плоскости и соединенных соосно своими гранями с помощью пьезоэлектрических вставок 33-38,так ° что в плане образуется буква Н„ К центральному кубику 26 с помощью вставки 39 в плоскости, перпендикулярной плоскости манипулятора, через электроизолирующий элемент 40 закреплен саосно кубик 41 с иглой

14 в его центре, ось которой перпендикулярна плоскости манипулятора и проходит через центр кубика 26, Измерительная игла 14 из . вольфрама диаметром 1 мм закрепляется в кубике 41 с помощью винта (не показан). Пьезоманипулятор 1 крепится с помощью пьезокерамических вставок

42-45 к поверхности опорного кольца

46 пьезодвижителя 2. Опорное кольцо

46 выполнено из нержавеющей стали с . сечением бх6 мм и с внешним ди2 аметром 42,5 мм, к которому на внешней боковой поверхности в радиальном направлении на одинаковом расстоянии друг от друга жестко закреплены своей гранью металлические кубики 47-49 посредством соосных им пьезокерамических вставок 50-52, причем на нижних гранях кубиков соосно им закреплены электростатические присоски 53-55, а верхние грани кубиков и вставок расположены в одной плоскости с верхней поверхностью опорного кольца. Электростатические присоски 53-55 представляют собой диски из пьезакерамики ЦТС-19 диаметром 15 мм, толщиной 1 мм, на верхнюю горизонтальную поверхность ко горых нанесены электроды из серебра. Нижние стороны дисков отполированы в одной горизонтальной плоскости с К = 0,05-0,1 мкм. Вставка

39 и кубик 41 соединены жестко через диск 40 аналогичньи размеров и из того же материала, у которого имеются серебряные электроды в цент-. ре с обеих сторон i соответственна с размерами 5х5 и бх6 мм

Все ку5ики изготовлены из нержавеющей стали с размерами 6хбх6 мм, полированными с R = 3-6 мкм. Все

z керамические вставки выполнены нз керамики ЦТС-19 толщиной 6 мм с нанесенными с обеих сторон серебрянымн электродами. Вставки имеют размеры 5х5х6 мм, на сторонах с размерами 5х5 мм находятся серебряные электроды. Все кубики 26-32, 41,,47-49, вставки 33-39, 42-45, 50-52 сторонами с электродами между собой и вставки 50-52, присоединенные к опорному кольцу, припаяны мягким припоем с температурой плавления

180 С. Все кубики и вставки скреплены йежду собой соасно.

Пьезодвижитель 2 установлен на поверхности 3 рабочего стола 4 с помощью присОсОк 53-55 соответственно на встречных дисках 56-58, которые нижней стороной приклеены эпоксидной смолой к поверхности рабочего стола 3 так, что если пьеэодвижитель своими присосками саосно стоит на встречных дисках, та игла 14 находится напротив центра мембраны

19. Размеры и материал дисков аналогичен дискам присосок 53-55,Верх-. ние стороны дисков отполированы

В ОднОй Горизонтальной плоскости с

Rz = 0,05-0,1 мкм. Пьеза,"-ижитель установлен на них в нерабочем состоянии эа счет своега веса и за счет трения полированных поверхностей соответственно пар дисков 53, 56;,54, 57; 55, 58 ° Диски 56-58 служат для исходного позиционирования пьезо» движителя и стабилизации работы присосок.

Блок регистрации (фиг.3) включается в электрическую цепь, состоящую из иглы 14 и образца 15. В блоке

59 регистрации сигнал туннельного тока снимается с 1 МОм резистора

60, параллельно которому включен небольшой конденсатор 61 для фильтрации ВЧ-шумов. Далее сигнал через усилитель 62 подается на вход дифференциапьного усилителя 63, где сравнивается с эаданньм Опорным напряжением 0 . Выбором этого напряжения осуществляется задание туннельного тока. Затем сигнал поступает на фильтр 64 с пропорциональным интегрированием, далее на усилитель

65 с регулируемым усилением, подается на х-координату самописца или запоминающего осциллографа 66 и в блок

67 управления на высокавольтньп» уси1471232 литель z привода 68 и аналого-цифровой преобразователь 69. В блоке 59 регистрации использованы в качестве элементов 62-65 микросхемы 544УД1 ь 5

140УДб и транзисторы КТ940.

Блок 67 управления состоит иэ стандартных приборов и устройств, служит для управления иглой 14 по координатам х, у, z для установления 10 жесткой связи между пьеэодвижителем

2 и рабочим столом 4 и для перемещения пьезодвижителя вдоль рабочего стола 4. С помощью компаратора 70 через цифроаналоговые преобразователи 71 сигналы управления подаются ! на высоковольтные усилители 74-76 для управления плечами пьезодвижителя 2 и на высоковольтные усилители 77-79 для управления присосками 20 дисков 53-55. Управление пьезодвижителем 2 и х,у-приводами осущест.. вляется компаратором по специальным программам. Управление z-приводом осуществляется в автоматиче- 25, ском или ручном режиме. Точки пор;-, ключения блоков показаны на фиг.З, : стрелками с указанием номера элемента, к которому подсоединяется данный вывод. 30

Микроскоп работает следующим образом.

В начале приклеивают электропроводящим клеем образец 15 к яембране

19 в ее центре. Далее иглу 14 в держателе кубика 41 устанавливают так, чтобы зазор между ее острием и по. верхностью образца составлял 0,01мм при установке пьезодвижителя своими присосками дисков 53-55 на диски

56-58 рабочего стола. Величина зазора контролируется оптическим микроскопом. После этого с помощью блока управления подается постоянное напряжение 600 В на пары контактов дисков 53, 56; 55, 58;. 54, 57. Пьезодвижитель жестко связывается с рабочим столом 4 за счет электростатического эффекта притяжения с силой до б Н. После этого плотно свинчивают сосуд Дьюара б в кожухе 7 с кожухом 9. Далее включается блок регистрации и следующие цепи блока 67 управления: íà z-привод, контакты

26 и 40 подают напряжение, растягивающее вставку 39 (фиг,2) 350 В; на приводы х и у (фиг.3) подают постоянное напряжение 200 В. Через

1-1,5 ч работы микроскопа с помощью отвертки медленным и плавным поворотом диска 23 осуществляется грубоЕ приближение образца 15 к острию иглы 14 и контроль зазора осуществляется по наличию и величине туннельного тока. На. этом этапе скорость приближения образца к игле составляет 10 нм/с. При такой скорости подачи образца можно вовремя остановить подачу и автоматика уверенно "захватит" нужную величину туннельного тока.При этом z-привод (вставка 39) пьезоманипулятора 1 работает с помощью блоков регистрации и управления в режиме отрицательной обратной связи. При увеличении туннельного тока в цепи иглы 14 уменьшается напряжение на вставке 39 и увеличивается зазор между острием иглы и поверхностью, образца до тех пор, пока не установится заданная величина туннельного тока. Если вставка 39 работает в режиме растяжения, то ее чувствительность составляет 0,42 нм/В, в режиме сжатия - 0,38 нм/В. Два уровня чувствительности по вертикальной оси связаны с гистерезисом вставки 39

Чувствительность смещения пьезопривода иглы вдоль поверхности образца по осям х, у составляет

0,4 нм/В. На все вставки могут по" даваться напряжения до f000 В, раз меры растра при прочих неизменных

1 условиях могут составлять 0,4 х

0,4 мкм .

Для записи одной строки растра, например, вдоль оси х на вставки

35 и Зб через кубики 26, 28 и 31 от блока 67 управления подается на- пряжение, изменяющееся линейно от нуля до некоторого значения, при этом игла 14 смещается вдоль оси системы, проходящей через кубики

28 и 31. Для записи следующей строки растра иглу необходмо сместить вдоль поверхности ортогонально строке. Для этого подают одинаковые постоянные напряжения между вставками

33, 34 и 38, 37.

При необходимости расширить поле растра на одну из вставок, например

50, подают напряжение сжатия от бло

isa 67 управления на кубик 47, коль-, цо 46 и одновременно на вставки 51 и 52 через соответственно кубики

48 и 49, а на кольцо 46 — напряже1471232

45 ния, растягивающие их. В результате опорное кольцо 46 вместе с пьезоманипулятором 1 переместится в направлении кубика 47. Максимально возможное перемещение 0,2 мкм.

Если необходимо, чтобы пьезодвижитель 2 переместил манипулятор 1 над образцом, то с присоски диска

53 снимают, напряжение, на вставки 1п

51 и 52 подают сжимающее напряжение и манипулятор 1 вместе с кольцом 46 передвигается в направлении этих вставок. Затем вновь подают напряжение на присоску диска 53 и снима- ют напряжение с присосок дисков 54 и 55. На вставки 51 и 52 подают растягивающие напряжения и присоски дисков 54 и 55 вновь присасываются к поверхности рабочего стола. Таким 2п образом, серией последовательных шагов можно передвинуть пьеэоманипулятор 1 в любую точку над образцом.

Стабильность положения заданной обла,сти образца 15 относительно положе- 25 ния иглы 14 составляет + 1,2 нм в течение,1 ч работы микроскопа.

Высокая стабильность относительного положения иглы и образца позволяет продолжительное время манипули- ЗО ровать в заданной области образца.

Это расширяет область применеиия микроскопа, позволяя, в частности, проводить технологические операции в нанометровых областях на поверхности образцов. В связи с этим сущест35 венно и то, что предлагаемый микроскоп позволяет топографировать любые области образца от одной отсчетной плоскости, что также обуславливает расширение области его применения.

Формула изобретения

Растровый туинельный микроскоп, содержащий жестко закрепленный иа держателе пьезоманипулятор с измерительной иглой и пьеэодвижнтель, установленный посредством электростатических присосок на горизонтальной поверхности рабочего стола, помещенные внутрь герметичного кожуха и электрически соединенные с блоком регистрации туннельного тока и блоком управления, и приспособление для подвода образца к измерительной игле, причем пьезоманипулятор выполнен в виде сборки размещенных в одной плоскости угловых и боковых металлических кубиков, жестко соединенных ,между собой через пьезокерамические

,вставки симметрично центральному кубику, который одной из своих граней жестко соединен через последовательно размещенные пьезокерамическую вставку и изолирующий элемент с гра вью дополнительного металлического кубика, расположенного на оси, перпендикулярной плоскости сборки, на противоположной грани которого закреплена измерительная игла, а угловые металлические кубики сборки через дополнительные пьезоэлектрические вставки закреплены на держателе, отличающийся тем, что, с целью увеличения термо-. и вибростабильности и расширения технологических возможностей, в качестве держателя использован пьезодвижитель, выполненный в виде расположенного параллельно поверхности .рабочего стола металлического опорного кольца прямоугольного сечения, на внешней боковой поверхности которого через боковые пьезокерамические . вставки равномерно установлены металлические кубики движителя, на нижних гранях которых через изолирующие прокладки закреппены электростатические присоски, а сборка .металлических кубиков и пьезоэлектрических вставок выполнена Н-образной формы, при этом центральный кубик сборки расположен соосно опорному кольцу, а в рабочем столе выполнено сквозное отверстие, в котором расположено приспособление для подвода образца к измерительной игле, выполненное в виде круглой мембраны, жестко закрепленной соосно отверстию в столе и штока, установленного в отверстии с воэможностью взаимодействия с мембраной через пружину, жесткость которой выбрана не превышающей жесткости мембраны.

1471232

1471232

Х4 57 Я

Составитель Д.Рау

Техред Л.Сердюкова

Корректор М.демчик

Редактор А.Мотыль

Заказ 1612/52 Тираж 694 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС и ГКНТ СССР

113035, Москва, X-35, Рауаская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. жгород, ул. р

11 ч л. rara ина 1 01