Способ регистрации рельефа поверхности образца растровыми туннельными микроскопами и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно - к способу регистрации рельефа поверхности исследуемого образца растровыми туннельными микроскопами. Цель способа повышение точности. Цель устройства - упрощение конструкции микроскопа и повышение точности. Сущность способа: поверхность сканируют иглой, начиная с расстояния большего, чем расстояние, необходимое для возникновения туннельного эффекта. Постепенно после каждого кадра сближают иглу с поверхностью, измеряя туннельный ток в точках сканирования. После достижения заданной величины туннельного тока в отдельных точках дальнейшее сближение производят в других точках. Информацию о рельефе регистрируют в памяти компьютера. 2 с., 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области технической физики, точнее - к туннельным микроскопам, а именно - к способу определения рельефа поверхности исследуемого образца растровыми туннельными микроскопами и микроскопу для его реализации, и может быть использован как для определения геометрических параметров, так и для определения распределения потенциалов по поверхности исследуемого образца.

Известен способ определения рельефа поверхности образца растровым туннельным микроскопом. Помещают исследуемый образец в микроскоп. Острие иглы, предназначенной для сканирования поверхности исследуемого образца и управляемой пьезоэлектрическим преобразователем, сближают с образцом до расстояния, на котором возникает туннельный ток, называемое туннельным промежутком. Выставляют туннельный промежуток соответственно величине задаваемого туннельного тока, управляя иглой пьезоэлектрическим преобразователем. При этом выставляют начальное значение величины сигнала цепи обратной связи, подаваемого на пьезоэлектрический преобразователь. Начинают дискретное сканирование поверхности образца, измеряя величину туннельного тока. В процессе сканирования поддерживают постоянным туннельный ток, перемещая острие иглы пьезоэлектрическим преобразователем, на который подают сигнал цепи обратной связи. В процессе сканирования измеряют величину сигнала обратной связи, несущую в себе информацию о рельефе поверхности в точках сканирования.

Недостаток данного способа - необходимость применения системы обратной связи, что само по себе предполагает ограничение скорости сканирования. Из теории цепи обратной связи следует, что время, необходимое на проведение измерения параметра одной точки, составляет 3,2 мс, а для сканирования поля размерам 256х256 точек необходимо время 210 с. Столь продолжительное время сканирования приводит к необходимости вводить систему термостабилизации, так как в противном случае происходит изменение отображения рельефа поверхности образца, так называемый температурный дрейф, из-за температурных изменений внешних условий.

Известен способ, выбранный нами в качестве прототипа, при котором быстрое сканирование производят без использования обратной связи, фиксируя величину туннельного тока. Однако при использовании этого способа осуществляют сканирование поверхностей с неровностями порядка единиц ангстрем во избежании касания острия иглы микроскопа с поверхностью образца. Увеличить скорость сканирования также возможно за счет уменьшения количества точек измерений рельефа поверхности, что приводит к потере информации о рельефе поверхности между точками измерений и, как следствие, к уменьшению разрешающей способности системы.

Известный растровый туннельный микроскоп, выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит иглу, предназначенную для сканирования поверхности исследуемого образца, управляемую пьезоэлектрическим преобразователем. Сигналы управления на пьезоэлектрический преобразователь подают с выходов цифроаналоговых преобразователей, в дальнейшем для краткости, называемых ЦАП. Сигналы на входы ЦАП подают от компьютера. Игла соединена с выходом ЦАП, служащим для задания напряжения туннельного тока, вход которого также соединен с компьютером. Исследуемый образец соединен через преобразователь тока в напряжение со входом цепи измерения величины туннельного тока. Выход цепи измерения величины туннельного тока соединен со входом устройства регистрации рельефа. Цепь измерения величины туннельного тока по сути представляет из себя амплитудно-цифровой преобразователь, в котором происходит процесс сравнения значений опорного напряжения и напряжения, соответствующего току туннельного промежутка.

Недостатком способа, выбранного в качестве прототипа, является то, что сканирование возможно только поверхностей с неровностями порядка единиц ангстрем. В противном случае, ввиду того, что система отрицательной обратной связи отсутствует, существует возможность касания острия с образцом. Поэтому использование такого способа выполнимо на небольших участках, как правило, порядка 20х20.

Недостаток прототипа микроскопа - длительное время измерения величины туннельного тока.

Цель изобретения - повышение точности за счет снижения влияния температурного дрейфа поверхности образца и расширения диапазона контролируемых поверхностей.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу регистрации рельефа поверхности растровыми туннельными микроскопами образец помещают в микроскоп и осуществляют шаговое сканирование острием иглы поверхности образца. Следят за туннельным током, и по величине туннельного тока судят о рельефе поверхности согласно изобретению, сканируют поверхность иглой, начиная с расстояния большего, чем расстояние, необходимое для возникновения туннельного эффекта, перемещая после каждого сканирования по всей площади исследуемой поверхности иглу на расстояние, определяемое разрешающей способностью микроскопа, в направлении поверхности. Во время сканирования в каждой точке производят измерение величины туннельного тока, и после достижения заданной величины туннельного тока в отдельных точках сканирования, производят фиксирование в устройстве регистрации координат этих точек. Дальнейшее сближение острия с образцом производят только в точках сканирования, значение туннельного тока в которых не достигло заданной величины.

Поставленная цель достигается также тем, что в растровом туннельном микроскопе для регистрации рельефа поверхности исследуемого образца, содержащем иглу для сканирования поверхности образца, управляемую по трем координатам пьезоэлектрическим блоком, соединенным с выходами блоков управления сканирования, блок регулирования напряжения, прилагаемого к туннельному промежутку, преобразователь тока туннельного промежутка в пропорциональное ему напряжение, выход которого соединен с цепью измерения выходного сигнала, выход которой соединен со входом устройства регистрации рельефа, цепь измерения выходного сигнала выполнена в виде двух компараторов, первый вход одного из которых соединен с задатчиком напряжения, соответствующего значению верхнего порога туннельного тока. Первый вход другого компаратора соединен с задатчиком напряжения, соответствующего значению нижнего порога туннельного тока. Вторые входы каждого компаратора соединены с выходом преобразователя тока туннельного промежутка в напряжение. Выходы компараторов соединены со входом устройства регистрации рельефа, что позволяет моментально сравнивать значение тока туннельного промежутка с его пороговыми значениями. Целесообразно задатчик напряжения, соответствующего значению нижнего порога туннельного тока, выполнять в виде делителя напряжения, вход которого соединен с выходом задатчика напряжения, соответствующего значению верхнего порога туннельного тока.

На фиг.1 изображена принципиальная схема выполнения микроскопа; на фиг. 2 - способ работы микроскопа.

Растровый туннельный микроскоп содержит иглу 1, закрепленную и управляемую пьезоэлектрическим преобразователем 2. Пьезоэлектрический преобразователь 2 соединен с выходами: для перемещения иглы 1 по оси Х с ЦАПх3, для перемещения иглы 1 по оси Y с ЦАПy4, для перемещения иглы 1 по оси Z с ЦАПz5. Для задания напряжения туннельного промежутка служит ЦАПv6, выход которого соединен с иглой 1. Игла 1 и исследуемый образец 7 образуют туннельный промежуток 8. Исследуемый образец 7 соединен с преобразователем 8 тока туннельного промежутка в напряжение. Выход преобразователя 9 соединен с цепью 10 измерения выходного сигнала, то есть тока туннельного промежутка 8. Цепь 10 измерения выходного сигнала содержит компаратор 11, служащий для сравнения значения выходного сигнала со значением верхнего порогового тока туннельного промежутка 8 и компаратор 12, служащий для сравнения значения выходного сигнала со значением нижнего порогового тока туннельного промежутка 8. Первые входы компараторов 11 и 12 соединены с выходом преобразователя 9. Второй вход компаратора 11 соединен с выходом задатчика 13 значения верхнего порогового тока. Второй вход компаратора 12 соединен с выходом задатчика 14 значения нижнего порогового тока, вход которого соединен с выходом задатчика 13. В качестве задатчика 14 может быть использован делитель напряжения, например последовательно включенные сопротивления.

Управление работой микроскопа осуществляют с персонального компьютера 15, с выходом которого соединены входы ЦАПх3,ЦАПy4,ЦАПz5,ЦАПv6 и задатчика 13. Одновременно в памяти компьютера 15 происходит регистрация рельефа исследуемого образца 7, для чего вход компьютера 15 соединен с выходами компараторов 11 и 12.

Рассмотрим подробнее способ сканирования согласно изобретению и принцип работы предлагаемого растрового туннельного микроскопа. Для простоты будем рассматривать принцип работы на примере одной строки. На фиг.2 показана траектория движения острия иглы 1 в процессе сканирования одной строки 16. Точки Х₁, Х₂. . .X_n являются точками сканирования, т.е. точками, в которых производят измерение туннельного тока. Каждой точке в ОЗУ компьютера соответствует своя ячейка памяти. В начальном состоянии во всех ячейках записаны нули. В программе управления растрового туннельного микроскопа выделен регистр Z, значение которого изменяют в процессе сканирования от 0 до 4095, причем со сменой каждого кадра происходит увеличение содержимого регистра Z на единицу. На ЦАПz5 выдают разность содержимого регистра Z и содержимого ячейки памяти, над которой в данный момент находится острие. Как показано на фиг.2, при первом прохождении острия иглы 1 над поверхностью туннельный ток не достиг заданной величины ни над одной из точек сканирования. Содержимое ячеек памяти при этом нигде не изменилось. По окончании кадра содержимое регистра увеличивают на единицу и, соответственно, при следующем сканировании значения сигнала на выходе ЦАПz5 увеличивают на единицу во всех точках Х₁, . . . Х_n. При прохождении острия иглы 1 над точкой Х_а значение туннельного тока достигнет нижнего порогового уровня и содержимое ячейки памяти, соответствующей точке Х_а, увеличивают на единицу. При следующем сканировании на выходе ЦАПz5 величина сигнала возрастет на единицу во всех точках, кроме Х_а. Аналогичным образом производят сближение острия иглы 1 и с остальными точками поверхности исследуемого образца 7 до достижения во всех точках сканирования нижнего порогового уровня туннельного тока.

В процессе сканирования под каждой из точек сканирования рассматривают три возможных значения туннельного тока, для чего и предназначены компараторы 11 и 12. С их помощью определяют соответствие значения туннельного тока значениям заданных верхнего и нижнего порогов туннельного тока.

В первом случае, когда значение измеренного туннельного тока менее заданного значения нижнего порога, значение данных в памяти, соответствующие данной точке сканирования, увеличивают на единицу, тем самым промежуток 8 между острием иглы 1 и точкой сканирования исследуемого образца 7, уменьшают.

Во втором случае, когда значение измеренного туннельного тока находится между заданными значениями нижнего и верхнего порогов, значение данных в памяти, соответствующих данной точке сканирования не изменяют и, соответственно, не изменяют промежуток 8 между острием иглы 1 и точкой сканирования исследуемого образца 7.

В третьем случае, когда значение измеренного туннельного тока более заданного значения верхнего порога, значение данных в памяти, соответствующих данной точке сканирования, уменьшают на единицу и, соответственно, промежуток 8 увеличивают.

Таким образом, имеется возможность производить не только сближение острия иглы 1 с образцом 7, но и в случае превышения значения туннельного тока верхнего порогового уровня отодвигать острие иглы 1 от тех или иных точек поверхности. Это свойство делает данный микроскоп, работающий по предлагаемому способу, нечувствительным к температурному дрейфу, так как дрейф за время снятия одного кадра порядка 2 с незначителен, а дрейф за более длительный период корректируют при каждом последующем сканировании.

Еще одним достоинством предлагаемого микроскопа является то, что имеется возможность устанавливать диапазон между верхним и нижним порогами туннельного тока, а значит выбирать величину разрешающей способности растрового туннельного микроскопа в зависимости от свойств исследуемого образца, а также корректировать ее во время сканирования в зависимости от результатов сканирования.

Использование предлагаемых способа сканирования и конструкции растрового туннельного микроскопа позволило увеличить скорость сканирования исследуемого образца и тем самым упростить конструкцию микроскопа, исключив дорогостоящую систему термостабилизации.

Формула изобретения

1. Способ регистрации рельефа поверхности образца растровыми туннельными микроскопами, заключающийся в том, что помещают образец в микроскоп, осуществляют шаговое сканирование острием иглы поверхности образца и по величине туннельного тока судят о рельефе поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет исключения влияния температурного дрейфа поверхности образца и расширения диапазона контролируемых поверхностей, начинают сканирование поверхности с расстояния, большего, чем расстояние, необходимое для возникновения туннельного тока, после каждого сканирования по всей площади поверхности образца перемещают иглу в направлении исследуемой поверхности на расстояние, определяемое разрешающей способностью микроскопа, и измеряют величину туннельного тока в каждой точке сканирования, фиксируют координаты точек, в которых величина туннельного тока достигла заданного значения, а дальнейшее сближение острия иглы с образцом производят только в тех точках сканирования, где величина туннельного тока не достигла заданного значения.

2. Растровый туннельный микроскоп для регистрации рельефа поверхности образца, содержащий иглу для сканирования поверхности образца, управляемую по трем координатам пьезоэлектрическим блоком, соединенным с выходами блоков управления сканированием, блок регулирования напряжения туннельного промежутка, преобразователь тока туннельного промежутка в напряжение, выход которого соединен с цепью измерения выходного сигнала, выход которой соединен с входом блока регистрации рельефа, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения точности, цепь измерения выходного сигнала выполнена в виде двух компараторов, первый вход одного из которых соединен с задатчиком напряжения, соответствующего верхнему порогу туннельного тока, первый вход другого компаратора соединен с задатчиком напряжения, соответствующего нижнему порогу туннельного тока, вторые входы каждого компаратора соединены с выходом преобразователя тока туннельного промежутка в напряжение, выходы компараторов соединены с входом блока регистрации рельефа.

3. Микроскоп по п.2, отличающийся тем, что задатчик напряжения, соответствующего значению нижнего порога туннельного тока, выполнен в виде делителя напряжения, вход которого соединен с задатчиком напряжения, соответствующего значению верхнего порога туннельного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2