Установка для реализации комплексных действий с материалами

Изобретение относится к материаловедению, в частности к прецизионному инструментарию для диагностики материалов различной природы, представленных в виде тонких пленок, и может быть использовано в микро- и наноэлектронике, материаловедении, биологии, медицине, биомолекулярной технологии. Установка включает сканирующий зондовый микроскоп, по крайней мере, одно сканирующее устройство, держатель объекта и, по крайней мере, одно средство обработки и передачи электрических сигналов. Сканирующее устройство выполнено в виде закрепленной на основании консоли, выполненной с возможностью поворота вокруг ее продольной оси и возможностью поворота вокруг вертикальной оси основания. На свободном конце консоли закреплена головка с, по крайней мере, одним держателем, выполненным в виде консоли, на свободном конце которого размещен многофункциональный блок с, по крайней мере, одним сканирующим элементом. Установка дополнительно снабжена, по крайней мере, одним приемным лотком для кассет со сканирующими элементами, по крайней мере, одним приемным лотком для многофункциональных блоков, и вакуумным пинцетом. Технический результат - обеспечение универсальности устройства, расширение диапазона размеров исследуемых объектов, повышение простоты и удобства в использовании. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к материаловедению, в частности к прецизионному инструментарию для диагностики материалов различной природы, представленных в виде тонких пленок, и может быть использовано для решения научных и производственно-технологических задач, в частности в микро- и наноэлектронике, материаловедении, биологии, медицине, а также в биомолекулярной технологии.

Предшествующий уровень техники

В качестве одного из современных научных инструментов для изучения свойств и структур тонких пленок различного происхождения применяются так называемые микроскопы ближнего оптического поля (МБОП), являющиеся разновидностью сканирующих зондовых проборов (СЗП). Особую роль среди СЗП играет атомно-силовой микроскоп (АСМ).

В настоящее время из уровня техники известны устройства, реализующие специализированный подход к реализации комплексного подхода в исследовании материалов на основе анализа тонких пленок из таких материалов [Patent US 6406795. Jun. 18, 2002]. В этом изобретении представлена установка, включающая сканирующий зондовый микроскоп, сканирующее устройство и держатель объекта (подложку), в качестве которого используется тонкая пленка с возможностью ее углового смещения относительно поддерживающей балки базового слоя. Такая подложка, имея дополнительные степени свободы, предоставляет больше возможностей, в частности наличие тонкой пленки в качестве предметного столика. Однако ее конструкция не является универсальной, сложна в обращении и в производстве и предназначена для решения узкоспециализированных задач.

Наиболее близкими являются сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) фирмы Veeco. В мире работает более восьми тысяч сканирующих зондовых микроскопов Veeco. Эта продукция ориентирована на широкий круг приложений: материаловедение, изучение и создание полупроводников и полимерных материалов, медико-биологические исследования. Наиболее универсальный СЗМ Veeco, применяемый во всех областях исследований, - микроскоп высокого разрешения MultiMode с блоком управляющей электроники Nanoscope V. Специально для исследований полупроводниковых материалов разработана серия СЗМ Dimension. Приборы имеют специальный вакуумный держатель для пластин, а также моторизованное и программируемое основание. На СЗМ Dimension устанавливаются дополнительные электронные модули, при помощи которых реализуются методы сканирующей емкостной микроскопии, микроскопии сопротивления растекания, туннельной атомно-силовой микроскопии. Для нанолитографии выпускается специальный гибридный сканер с системой датчиков и обратной связи, обеспечивающей высокую степень линеаризации по трем осям, причем для нанолитографии и наноманипуляций разработано специальное программное обеспечение. Для работы в условиях контролируемой среды выпускается СЗМ Enviroscope, снабженный камерой для создания вакуума (до 10-5 Торр). Для медико-биологических исследований выпущен атомно-силовой микроскоп принципиально нового дизайна Bioscope II, позволяющий совмещать СЗМ практически со всеми оптическими методиками без ущерба для последних. СР-Р и Caliber - приборы нижней ценовой категории - также отвечают стандартам качества и рассчитаны на широкий спектр приложений.

Однако для вышеуказанных устройств можно выделить следующие недостатки: сложность перенастройки при исследовании различных материалов, в частности при необходимости исследования после физико-химических свойств неорганических материалов свойств биологических материалов, наличие в настройке значительного количества ручных операций, в результате чего увеличивается время, необходимое на одно исследование, и соответственно возрастает его себестоимость.

Раскрытие изобретения.

Техническими задачами, на решение которых направлено настоящее изобретение, являются обеспечение универсальности устройства, расширение диапазона размеров исследуемых объектов при снижении времени на исследование одного объекта, повышение простоты и удобства использования и снижение себестоимости исследования. Кроме того, предлагаемое изобретение направлено на решение задачи автоматизации процесса комплексных действий с материалами, в частности таких операций, как выбор, установка и смена сканирующего элемента. Поставленные задачи решаются за счет того, что в установке для реализации комплексных действий с материалами, включающей сканирующий зондовый микроскоп, по крайней мере, одно сканирующее устройство, держатель объекта и, по крайней мере, одно средство обработки и передачи электрических сигналов, сканирующее устройство выполнено в виде закрепленной на основании консоли, выполненной с возможностью поворота вокруг ее продольной оси и возможностью поворота вокруг вертикальной оси основания, на свободном конце консоли закреплена головка с, по крайней мере, одним держателем, выполненным в виде консоли, на свободном конце которого размещен многофункциональный блок с, по крайней мере, одним сканирующим элементом, а установка дополнительно снабжена, по крайней мере, одним приемным лотком для кассет со сканирующими элементами, по крайней мере, одним приемным лотком для многофункциональных блоков, и, по крайней мере, одним вакуумным пинцетом. Поставленные задачи также решаются за счет того, что многофункциональный блок может быть выполнен в виде съемного корпуса с размещенным в нем лазером необходимого диапазона свечения, комплексом зеркал, встроенными фотодиодами, по крайней мере, одно средство обработки и передачи электрических сигналов, по крайней мере, одним резонатором, по крайней мере, одним микродвижком с возможностью изменения положения сканирующего элемента относительно корпуса по каждой из трех осей координат и вокруг вертикальной оси, микрокамеру, интерфейс обмена данными. При этом корпус многофункционального блока может быть выполнен составным с обеспечением независимого положения, по крайней мере, части, несущей сканирующий элемент, относительно других частей корпуса, например, посредством шарнирного соединения. При этом возможна реализация установки, что, по крайней мере, одна часть корпуса многофункционального блока имеет средство непосредственной фиксации (контакта) своего положения относительно материала (объекта) или предмета, на котором может находиться материал (объект). Кроме того, держатели блоков установки для реализации комплексных действий с материалами могут быть выполнены разновеликими по длине и закреплены в головке радиально с последовательным чередованием по длине. В качестве сканирующего элемента в установке для реализации комплексных действий с материалами могут быть использованы кантилеверы, размещенные на ленте или в контейнере. Установка для реализации комплексных действий с материалами также может быть дополнительно снабжена экраном, изолирующим зону реализации комплексных действий с материалами.

Краткое описание чертежей.

На чертеже изображен общий вид установки для реализации комплексных действий с материалами, где (1) - многофункциональный блок, (2) - основание, (3) - консоль, (4) - головка, (5) - держатель, (6) - лоток для съемных кассет со сканирующими элементами, (7) - вакуумный пинцет для установки сканирующих элементов, (8) - вакуумный пинцет для установки многофункциональных блоков.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Установка для реализации комплексных действий с материалами включает сканирующий зондовый микроскоп (не показан), держатель объекта (не показан), по крайней мере, одно средство обработки и передачи электрических сигналов (не показано) и сканирующее устройство.

Сканирующее устройство установки для реализации комплексных действий с материалами включает основание (2), на котором закреплена, по крайней мере, одна консоль (3). На свободном конце консоли (3) закреплена головка (4) с, по крайней мере, одним держателем (5), на котором размещен многофункциональный блок (1) с, по крайней мере, одним сканирующим элементом (не показан). Установка снабжена, по крайней мере, одним приемным лотком (6) для кассет со сканирующими элементами, по крайней мере, одним приемным лотком (не показан) для многофункциональных блоков и, по крайней мере, одним вакуумным пинцетом (7).

Консоль (3) выполнена с возможностью поворота вокруг вертикальной оси основания (2), что позволяет подводить консоль в зону установки сканирующих элементов и замены многофункциональных блоков и зону реализации комплексных действий с объектом. Кроме того, консоль (3) выполнена поворотной с возможностью вращения вокруг ее продольной оси, что позволяет должным образом позиционировать многофункциональный блок (1) в зоне установки сканирующих элементов и замены многофункциональных блоков и в зоне реализации комплексных действий с объектом.

В головке (4) закрепляется, по крайней мере, один держатель (5), который представляет собой консоль, на свободном конце которой размещен многофункциональный блок (1) с, по крайней мере, одним сканирующим элементом. Для лабораторного варианта установки может быть достаточно одного держателя. Промышленный вариант установки для анализа пластин может содержать, например, девять держателей, в этом случае держатели выполняются разновеликими по длине и закрепляются в головке радиально с последовательным чередованием по длине. Данная конструкция держателей позволяет проводить исследование одновременно в девяти различных точках исследуемого объекта и, кроме того, позволяет исследовать образцы большего по сравнению с традиционными размера.

Многофункциональный блок представляет собой съемный корпус, в котором размещены лазер необходимого диапазона свечения, комплекс зеркал, встроенные фотодиоды, по крайней мере, одно средство обработки и передачи электрических сигналов, по крайней мере, один резонатор, микрокамеру и интерфейс обмена данными. Кроме того, корпус многофункционального блока снабжен, по крайней мере, одним микродвижком, обеспечивающим возможность изменения положения сканирующего элемента относительно корпуса по каждой из трех осей координат, а также вокруг вертикальной оси. При этом корпус многофункционального блока может выполняться составным из, по крайней мере, двух частей, одна из которых, несущая сканирующий элемент, шарнирно скреплена с другой. Это позволяет обеспечить независимое положение, по крайней мере, части, несущей сканирующий элемент, относительно других частей корпуса, что в свою очередь повышает точность позиционирования сканирующего элемента.

Установка работает следующим образом.

Процесс исследования начинается с загрузки в лотки (6) съемных кассет с лентами, несущими сканирующие элементы. При этом могут быть одновременно загружены кассеты со сканирующими элементами для анализа сразу нескольких физических параметров исследуемого объекта. В частности, такими физическими параметрами могут быть морфология (топография) поверхности, анализируемая с использованием сил межатомного взаимодействия, магнитное распределение на поверхности объекта, его электрические, химические, биологические и иные свойства.

Кроме того, осуществляется установка исследуемого объекта, которая может происходить как одновременно, так и последовательно с загрузкой съемных кассет.

Затем происходит установка многофункциональных блоков, для чего консоль (3) поворачивается вокруг оси основания (2) таким образом, чтобы головка (4) с держателями (5) оказалась в зоне установки сканирующих элементов и замены многофункциональных блоков. При этом во время поворота консоли вокруг оси основания происходит одновременный поворот вокруг ее продольной оси, что обеспечивает разворот держателей (5) в позицию, при которой посадочные площадки под многофункциональные блоки оказываются в верхней горизонтальной плоскости. После остановки консоли и разворота держателей с помощью вакуумного пинцета (8) происходит установка многофункциональных блоков на соответствующие посадочные площадки, которые могут содержать электрические разъемы. При этом возможно отсутствие таких разъемов, если используется радиопередача сигнала от многофункциональных блоков к анализирующему устройству. Затем посредством вакуумного пинцета (7) происходит установка в многофункциональные блоки сканирующих элементов. В случае, если требуется одновременное исследование различных параметров объекта, в многофункциональный блок могут быть установлены, например, два сканирующих элемента.

После установки многофункциональных блоков и сканирующих элементов консоль (3) поворачивается вокруг оси основания (2) таким образом, чтобы головка (4) с держателями (5) оказалась в зоне реализации комплексных действий с объектом. При этом во время поворота консоли вокруг оси основания происходит одновременный поворот вокруг ее продольной оси на 180°, что обеспечивает разворот держателей (5) в позицию, при которой многофункциональные блоки оказываются в нижней горизонтальной плоскости и закрепленные в них сканирующие элементы - непосредственно над поверхностью исследуемого объекта.

После этого происходит непосредственное исследование объекта, по окончании которого консоль (3) поворачивается вокруг оси основания (2) таким образом, чтобы головка (4) с держателями (5) вышла из зоны реализации комплексных действий с объектом и оказалась в зоне установки сканирующих элементов и замены многофункциональных блоков. При этом во время поворота консоли вокруг оси основания происходит одновременный поворот вокруг ее продольной оси с тем, чтобы многофункциональные блоки оказались в верхней горизонтальной плоскости.

В случае обнаружения неисправности какого-либо из многофункциональных блоков происходит аварийная остановка, при которой консоль поворачивается в зону установки сканирующих элементов и замены многофункциональных блоков и разворачивается так, чтобы многофункциональные блоки оказались в верхней горизонтальной плоскости, после чего манипулятор заменяет неисправный блок, с помощью вакуумного пинцета устанавливается сканирующий элемент и процесс исследования объекта продолжается.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может быть использовано в материаловедении, в частности, для диагностики материалов различной природы при решении многих задач, когда с одной стороны необходим комплексный, а с другой - доступный (простой и дешевый) для широкого круга пользователей метод изучения образцов материалов, например биологических (в том числе ДНК, вирусов), полупроводниковых, оксидных и других образцов, и необходимо изучить как морфологию поверхности образца, так и получить информацию по его объемной структуре, причем с высоким разрешением.

Установка может быть реализована с помощью имеющихся на сегодняшний день технических средств и технологий, разработанных для сканирующей зондовой микроскопии.

1. Установка для реализации комплексных действий с материалами (объектами), включающая сканирующий зондовый микроскоп, по крайней мере, одно сканирующее устройство, держатель объекта и, по крайней мере, одно средство обработки и передачи электрических сигналов, отличающаяся тем, что сканирующее устройство выполнено в виде закрепленной на основании консоли, выполненной с возможностью поворота вокруг ее продольной оси и возможностью поворота вокруг вертикальной оси основания, на свободном конце консоли закреплена головка с, по крайней мере, одним держателем, выполненным в виде консоли, на свободном конце которого размещен многофункциональный блок с, по крайней мере, одним сканирующим элементом, а установка дополнительно снабжена, по крайней мере, одним приемным лотком для кассет со сканирующими элементами, по крайней мере, одним приемным лотком для многофункциональных блоков и вакуумным пинцетом.

2. Установка для реализации комплексных действий с материалами (объектами) по п.1, отличающаяся тем, что многофункциональный блок выполнен в виде съемного корпуса с размещенными в нем лазером необходимого диапазона свечения, комплексом зеркал, встроенными фотодиодами, по крайней мере, одним средством обработки и передачи электрических сигналов, по крайней мере, одним резонатором, по крайней мере, одним микродвижком с возможностью изменения положения сканирующего элемента относительно корпуса по каждой из трех осей координат и вокруг вертикальной оси, микрокамерой, интерфейсом обмена данными.

3. Установка для реализации комплексных действий с материалами (объектами) по п.2, отличающаяся тем, что корпус многофункционального блока выполнен составным с возможностью обеспечения независимого положения, по крайней мере, части, несущей сканирующий элемент, относительно других частей корпуса.

4. Установка для реализации комплексных действий с материалами (объектами) по п.3, отличающаяся тем, что, по крайней мере, одна часть корпуса многофункционального блока имеет средство непосредственной фиксации (контакта) своего положения относительно материала (объекта) или предмета, на котором может находиться материал (объект).

5. Установка для реализации комплексных действий с материалами (объектами) по п.3, отличающаяся тем, что независимое положение, по крайней мере, части, несущей сканирующий элемент, относительно других частей корпуса осуществляется посредством шарнирного соединения.

6. Установка для реализации комплексных действий с материалами (объектами) по п.1, отличающаяся тем, что держатели блоков выполнены разновеликими по длине и закреплены в головке радиально с последовательным чередованием по длине.

7. Установка для реализации комплексных действий с материалами (объектами) по п.1, отличающаяся тем, что в качестве сканирующего элемента используют кантилевер, размещенный на ленте.

8. Установка для реализации комплексных действий с материалами (объектами) по п.1, отличающаяся тем, что в качестве сканирующего элемента используют кантилевер, размещенный в контейнере.

9. Установка для реализации комплексных действий с материалами (объектами) по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена экраном, изолирующим зону реализации комплексных действий с материалами.