Комбинированный сканирующий туннельный микроскоп - растровый электронный микроскоп

 

Использование: для топографии и анализа состав поверхности. Сущность изобретения: комбинированный сканирующий - растровый электронный микроскоп (СТМ-РЭМ) содержит вакуумную камеру, в которой размещена головка СТМ со столиком для установки образца, при этом РЭМ и СТМ подключены к блоку управления, обеспечивающего их совместную работу, а грубый привод перемещения иглы головки СТМ выполнен в виде параллелепипеда, закрепленного посредством электростатических зажимов, соединенных с металлическим диском, который зажат через изолирующие прокладки в металлических шайбах, закрепленных на верхнем торце трубчатого пьезопривода грубого перемещения. 4 ил.

Изобретение относится к научному приборостроению и может быть использовано в приборах для топографии и анализа состава поверхности.

Известно устройство, представляющее собой сочетание сканирующего туннельного микроскопа и растрового электронного микроскопа СТМ-РЭМ [1] позволяющее совместить высокое разрешение СТМ в плоскости и по вертикали с широким полем обзора образца в РЭМ и, кроме того, наблюдать один и тот же участок обоими способами. Оно содержит установленную в вакуумную камеру РЭМ на столике для образца головку СТМ, которая содержит пьезоприводы иглы по координатам X, Y, Z в форме треноги с полем сканирования 1,2x1,2 мкм ² и неподвижный держатель образца. Выбор участка сканирования на площади 1x1 мм² и подвод иглы осуществляется посредством трех прецезионных винтов приводов перемещения столика образца РЭМ, выведенных через вращательные выводы наружу вакуумной камеры. Его недостатками является небольшая площадь обзора и малое поле сканирования, а также недостаточная устойчивость к внешним механическим воздействиям.

Известно комбинированное устройство СТМ-РЭМ /1/, содержащее СТМ-головку с раздельными комбинированными приводами перемещения иглы /грубое и точное перемещение по X и Y/ и образца /грубое и точное перемещение по Z/, выполненными на основе дисковых биморфных пьезоэлементов.

Недостатками данного устройства являются конструктивная сложность СТМ-головки и ее большие габариты, низкая частота собственных колебаний головки, и как следствие низкая скорость сканирования образца, полное нарушение вакуума внутри камеры при смене образцов или игл, что требует длительного восстановления вакуума и увеличивает время проведения исследований.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является комбинированное устройство СТМ-РЭМ /2/, содержащее СТМ-головку с приводами точного перемещения иглы и грубого перемещения столика с образцом, установленную под углом к электронному лучу на подвижной платформе РЭМ. Устройство содержит графический дисплей, позволяющий формировать на экране РЭМ маркер в виде отрезка линии для воспроизведения на экране расстояния от зонда иглы до поверхности образца и точки сближения зонда с образцом и маркер в виде прямоугольника для воспроизведения на экране поля сканирования зонда.

Недостатком этого устройства является то, что направление маркера-линии может не совпадать с отображаемым на экране положением зонда, что вызывает необходимость ручной корректировки положения зонда. Но корректировка по изображению иглы не гарантирует совпадения направлений маркера и действительного направления перемещения иглы вследствие ее изгиба или установки несоосно направлению перемещения.

Это приводит к смещению действительного поля сканирования,относительно указанного маркером, и необходимости затрачивать дополнительное время на его корректировку.

Предлагаемый комбинированный сканирующий туннельный микроскоп растровый электронный микроскоп, включающий вакуумную камеру растрового электронного микроскопа, головку сканирующего туннельного микроскопа, установленную в вакуумной камере и содержащую иглу, установленную в держателе, держатель образца, и пьезоприводы каждого из держателей, блок управления и видеоконтрольное устройство, дополнительно содержит генератор координатной сетки, соединенный с видеоконтрольным устройством и блоком управления, последний содержит узел автоматического совмещения осей сканирования СТМ и РЭМ и управляющий им микропроцессор, причем пьезопривод держателя иглы содержит полный параллелепипед, на торце которого установлен держатель иглы и который подпружинен с четырех сторон электростатическими зажимами, каждый из которых соединен с металлическим диском, зажатым между изолированными от него металлическими шайбами, закрепленными на верхнем торце трубчатого пьезопреобразователя, установленного на основании, а привод держателя образца содержит пьезопреобразователь, установленный с закрепленным на нем держателем образца внутри полого параллелепипеда на одном основании с трубчатым пьезопреобразователем.

При этом достигается следующий технический эффект: уменьшение габаритов головки и увеличение резонансной частоты ее собственных колебаний, сокращение времени подвода острия к исследуемому участку образца и проведения исследований.

Уменьшение габаритов головки достигается путем размещения пьезоэлектрика привода точного перемещения образца внутри трубчатого пьезоэлектрика привода грубого перемещения иглы.

Уменьшенные габариты головки позволяют производить загрузку и выгрузку головки СТМ с исследуемым образцом в вакуумную камеру РЭМ через промежуточную шлюзовую камеру и тем самым сократить время для восстановления необходимой степени разряжения в вакуумной камере.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства;на фиг.2 головка СТМ в разрезе; на фиг.3 алгоритм работы блока управления;на фиг.4 -структура блока управления.

Комбинированный СТМ-РЭМ содержит головку 1 СТМ, устанавливаемую в вакуумной камере 2 РЭМ под электронной пушкой 3 на платформе 4, имеющей возможность горизонтального перемещения вдоль осей X и Y с помощью блока манипулятора 5, блок управления 6 и видеоконтрольное устройство 7 РЭМ, формирующего изображение поверхности исследуемого участка 8 и иглы 9 на основе информации с детектора вторичных электронов 10, а также шлюзовую камеру 11 и шток 12 для загрузки головки 1.

На фиг. 2 изображена головка 1 СТМ в разрезе. Головка содержит иглу 9, закрепленную на П-образном держателе 13, установленном на торце полого параллелепипеда 14, перемещающегося в пружинных зажимах 15 и составляющих единое целое с имеющим возможность перемещаться в горизонтальной плоскости металлическим диском 16, который с небольшим усилием зажат между металлическими шайбами 17, установленными на торце трубчатого пьезопреобразователя 18, закрепленного на общем основании 19 СТМ-головки. Внутри полого параллелепипеда 14 на основании 19 закреплен пьезопреобразователь 20 точных перемещений, на верхнем торце которого установлены образец 21 и устройство 22 его крепления так, чтобы между образцом 21 и иглой 9 был возможен туннельный контакт. Игла 9 закреплена на держателе 13 под углом к поверхности образца 21, что дает возможность наблюдения кончика иглы с помощью РЭМ. На поверхность трубчатого пьезопреобразователя 18 нанесены металлические секции обкладок 23,24. Между металлическими шайбами 17 и диском 16 размещены изолирующие шайбы 25. На поверхность параллелепипеда 14 нанесен изолирующий слой 26.

На фиг. 4 изображен блок управления 6, который содержит генератор сетки 27, микропроцессор 28 и узел 29 автоматического совмещения осей сканирования СТМ и РЭМ.

Узел 29 совмещения осей сканирования СТМ-РЭМ содержит элементы для формирования корректирующих сигналов в систему строчной и кадровой разверток РЭМ для изменения направлений движения электронного луча.

Устройство работает следующим образом. После установки головки 1 СТМ в вакуумную камеру РЭМ изображение исследуемого участка 8 образца 21 при небольшом увеличении /позволяющем одновременно наблюдать исследуемый участок 8 и острие иглы 9/ с помощью манипуляторов 6 по осям X,Y платформы 4 РЭМ выводится в центр экрана ВКУ 7 РЭМ. Затем производится ступенчатое увеличение изображения образца 21 до тех пор, пока на экране ВКУ 7 одновременно присутствует и изображение острия иглы 9, при необходимости корректируя манипуляторами 5 изображение исследуемого участка 8 по центру экрана ВКУ 7. Генератор сетки 27 блока управления 6 формирует на экране ВКУ 7 РЭМ изображение координатном сетки. Направления осей координатной сетки на экране ВКУ фиксированы и согласованы с направлениями осей сканирования электронным лучом РЭМ.

Координаты острия иглы 9 в относительных координатах по сетке экрана вводятся оператором в микропроцессор 28 блока управления 6. Микропроцессор 28 в зависимости от положения острия иглы 9 на экране ВКУ 7 и установленного масштаба увеличения РЭМ вычисляет направление /вдоль оси X или оси Y/ и расстояние контрольного перемещения острия иглы 9 в поле экрана ВКУ 7 для определения взаимного углового расположения осей СТМ и РЭМ.

Команды с микропроцессора 28 поступают в СТМ, который производит контрольное перемещение острия 9 с помощью пьезопривода грубого перемещения одной из осей /X или Y/, после чего оператор вводит в блок управления 6 новые координаты острия 9 на экране ВКУ 7. Микропроцессор 28 блока управления 6 вычисляет угол рассовмещения осей привода грубого перемещения иглы СТМ и осей сканирования электронным лучом РЭМ и посредством узла 29 совмещения осей сканирования СТМ-РЭМ посылает в блок развертки электронного луча РЭМ сигналы для коррекции направления осей сканирования электронного луча.

По окончании юстировки осей сканирования РМ и осей приводов грубого перемещения СТМ оператор вводит в микропроцессор 28 блока управления 6 координаты исследуемого участка 8 образца 21 и острия 9 и подает команду на их совмещение. Предварительно, при необходимости посредством манипуляторов 5 X, Y РЭМ корректируется положение исследуемого участка 8 по центру экрана ВКУ 7 РЭМ. С учетом установленного масштаба увеличения РЭМ микропроцессор 28 блока управления 6, алгоритм работы которого изображен на фиг. 3, посылает сигналы в СТМ для перемещения острия 9 приводами грубого перемещения в область исследуемого участка 8. После этого ступенчато увеличивается масштаб увеличения РЭМ до требуемого так, чтобы на экране ВКУ одновременно присутствовали изображения нужного участка образца 8 и острия иглы 9, при необходимости оператором производится повторное совмещение положений исследуемого участка 8 и острия 9 описанным выше способом.

Далее производится сканирование исследуемого участка 8 образца 21 посредством СТМ сначала при максимальном поле обзора, а затем при необходимости исследования отдельных фрагментов исследуемого участка 21 производится уменьшение площади сканирования и выбор ее местоположения в пределах максимального поля обзора, обеспечиваемого точным приводом перемещения образца СТМ.

Головка СТМ работает следующим образом. В режиме грубого перемещения иглы 9 в горизонтальной плоскости относительно образца 21 на секции обкладок 23, 24 трубчатого пьезопреобразователя 18 подается пилообразное напряжение, в результате чего трубка 18 изгибается в соответствующую полярности напряжения сторону по оси X /или Y/. Перед этим на металлические шайбы 17 и диск 16 с разделяющими их диэлектрическими шайбами 25 подается фиксирующая разность потенциалов и происходит электростатический зажим диска 16. После сброса напряжения с обкладок 23, 24 и одновременного снятия фиксирующей разности потенциалов между диском 16 и металлическими шайбами 17 верхний торец трубки 18 возвращается в первоначальное положение и происходит инерционное проскальзывание диска 16 между диэлектрическими шайбами 25. При этом связанный с диском 16 параллелепипед 14 с иглой 9 остается смещенным на шаг перемещения относительно основания 19. Далее цикл повторяется.

Для перемещения иглы по оси Z на контакты диска 16 с пружиной 15 и параллелепипеда 14 подается фиксирующая разность потенциалов, а на соответствующие секции обкладок 23,24 подается пилообразное напряжение и трубка 18 удлиняется или укорачивается, вследствие чего игла 9 перемещается по вертикальной оси. После сброса напряжения с обкладок 23,24 и фиксирующего напряжения с контактов диска 16 и параллелепипеда 14 верхний торец трубки 18 возвращается в первоначальное положение, при этом происходит инерционное проскальзывание параллелепипеда 14 с иглой 9 в пружинных зажимах 15. Далее цикл повторяется. После грубого сближения иглы 9 и образца 21 головка 1 СТМ начинает работать в режиме сканирования исследуемого участка. Режим сканирования осуществляет пьезопреобразователь 20 путем подачи соответствующих напряжений на его обкладки.

Формула изобретения

Комбинированный сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) растровый электронный микроскоп (РЭМ), включающий вакуумную камеру растрового электронного микроскопа, головку сканирующего туннельного микроскопа, установленную в вакуумной камере и содержащую иглу, установленную в держателе, держатель образца и пьезоприводы каждого из держателей, блок управления и видеоконтрольное устройство, отличающийся тем, что введен генератор координатной сетки, соединенный с видеоконтрольным устройством и блоком управления, последний содержит узел автоматического совмещения осей сканирования СТМ и РЭМ и управляющий ими микропроцессор, причем пьезопривод держателя иглы содержит полый параллелепипед, на торце которого установлен держатель иглы и который подпружинен с четырех сторон электростатическими зажимами, каждый из которых соединен с металлическим диском, зажатым между изолированными от него металлическими шайбами, закрепленными на верхнем торце трубчатого пьезопреобразователя, установленного на основании, а привод держателя образца содержит пьезопреобразователь, установленный с закрепленным на нем держателем образца внутри полого параллелепипеда на одном основании с трубчатым пьезопреобразователем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4