Сканирующий туннельный микроскоп

СОЮЗ СОВЕТСКИСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 3)5 Н 01 3 37/28 К АВТОРСКОМ ВИДЕТЕЛЬСТ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Институт физических проблем АН СССР (72) В,С.Эдельман, В,Э,Григоров, И.И.Смольянинов, А.П,Володин и М.С,Хайкин(56) Авторское свидетельство СССР М 1453475, кл, Н 01 3 37/26, 1989.ВезосМе К. Ап еазНу орегаЫе зсапп 1 пц 1 оппеИпд есгозсоре - Яог 1 асе Ясепсе.1987, 181, р,145 - 153.(54) СКАНИРУЮЩИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП.(57) Использование: сканирующий туннельный микроскоп относится к электронным приборам для исследования физических свойств поверхностей твердых тел с разреПредполагаемое изобретение относится к электронным приборам, предназначенным для исследования фиэических свойств поверхностей твердых тел с разрешающей способностью порядка размеров атома,Известны сканирующие туннельные микроскопы, в которых применяются различные пьезоэлементы, например, микроскоп Биннигэ и Рорера; микроскоп Хайкина,Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является сканирующий туннельнцй микроскоп, содержащий станину с закрепленными на ней узлом позиционирования образца в виде трех независимых трубчатых пьезокерамических двухкоординатных движителей и уз,501797149 А 1 шающей способностью порядка размеров атома. Сущность изобретения; микроскоп содержит станину, узел позиционирования образца и узел перемещения измерительной иглы, один из которых включает три, а другой один трубчатый пьезодвижитель.Пьезодвижитель узла перемещения иглы и по крайней мере один пьезодвижитель узла позиционирования образца выполнены с возможностью пошагового изменения своей вь 1 соты путем введения упругоподжатых инерционных подвижных штоков, которые могут быть выполнены в виде кварцевых трубок с опорными винтами. Корпуса пьезодвижителей целесообразно выполнять в виде стаканов с поперечными прорезями, симметрично расположенными по окружности и последовательно сдвинутыми по высоте стакана. 6 ил. Ы лом перемещения по трем взаимно перпендикулярным координатам измерительной иглы, выполненным в виде пьезбтрубки, на верхнем торце которой размещена игла, Этот микроскоп позволяет позиционировать образец в горизонтальной плоскости и сканировать выбранное место на поверхности образца площадью порядка 1 мкм с разрешающей способностью порядка размеров атома,Недостатком прототипа является его функциональная ограниченность, заключающаяся в том, что максимальные высоты сканируемых выступов на исследуемых участках поверхности образца не должны превышать 3 мкм. Сканирование более высоких выступов на микроскопе-прототипе невоз 17971491797149Составитель С.Ильчук Редактор Т.Шагова Техред М,Моргентал Корректорвцова аказ 655Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарможно, Такое функциональное ограничение диапазона измерений высот выступов является основным недостатком прототипа, который сочетается со вторым его недостатком, невозможностью проведения 5 сканирования с прежним разрешением поверхностей тех образцов, масса которых превышает 5 г.Первый недостаток обусловлен тем, что максимальная деформация пьеэотрубки составляет порядка нескольких микрометров, а измерительная игла относительно нее жестко фиксирована.Второй недостаток обусловлен тем, что жесткость конструкции прототипа не может 15 быть произвольно повышена, поскольку при увеличении массы конструкции, ее собственная частота колебаний уменьшается, что отрицательно сказывается на разрешающей способности микроскопа. 20 в центре станинытрубчатого пьезодвижителя с закрепленной на его верхнем торце 40измерительной иглой, согласно изобрете- .нию, узел позиционирования образца дополнительно содержит кольцо длякрепления образца, а верхняя часть одногоиз трех его пьеэодвижителей конструктивно 45 ля иглы и выполнена в виде опирающейся.своим кольцеобразным выступом на верхний торец пьезотрубки втулки, в которойразмещена кварцевая трубка с вставленным в нее нерезьбовой частью опорным стенке втулки на кварцевую трубку опирается пластинчатая пружина. а в нижней части 55пьезодвижителя иглы предусмотрена опирающаяся на нижний торец гайки изолирующаявтулка, удерживаемая цилиндрической пружиной. Все четыре трубчатые пьезодвижитеЦелью изобретения является ликвидация указанных недостатков прототипа, а именно, расширение его функциональных возможностей путем использования принципа инерционных шаговых движителей как в узле позиционирования образца, так и в узле перемещения измерительной иглы., Указанная цель достигается тем, что в заявляемом сканирующем туннельном микроскопе, содержащем станину с закрепленными на ней узлом позиционирования образца в виде трех независимых трубчатых пьезодвижителей с закрепленными опорными шариками на их верхних торцах и узел перемещения по трем взаимно перпендикулярным координатным осям измерительной иглы, выполненный в виде расположенного совпадает с верхней частью пьеэодвижитевинтом и зафиксированным гайкой в его реэьбовой части. Через отверстие в боковой ля зажаты в металлические стаканы с 25 30 35 поперечными прорезями, выполненными в их боковой цилиндрической поверхности.На фиг,1 схематически, в аксонометрии, вне масштаба и с условно поднятым кольцом для крепления образца (для удобства изображения) приведена конструкция заявляемого микроскопа(общий вид); на фиг.2 - плоская проекция в разрезе по осисимметрии двухкоординатного пьезодвижителя; на фиг,3 - аналогичная проекция трехкоординатного пьезодвижителя; на фиг,4 - аналогичная проекция " центрального пьезодвижителя, предназначенного для позиционирования измерительной иглы; на фиг.5- вне масштаба четыре пьезодвижителя, рассеченные горизонтальной плоскостью, (Детали, размещен ные в пьезотрубках для удобства изображения на чертеже непоказаны); на фиг.6 - принципиальная электрическая блок-схема управления СТМ.Конструкция заявляемого туннельного микроскопа состоит из станины 1 (фиг.1), представляющей собой плоский титановый диск, на котором укреплены на равных расстояниях (порядка 2 см) от центра и расположенных на радиусах, составляющих между собой углы 120, два двухкоординатных пьеэодвижителя 2 и один трехкоординатный пьеэодвижитель 3. На верхних торцах всех трех пьезодвижителей размещены опорные шарики 4, на которые опирается кольцо 5 с закрепленным на нем исследуемым образцом 6, В центре станины 1 установлен центральный пьезодвижитель 7, выполняющий функции узла перемещения потрем взаимно перпендикулярным координатным осям измерительной иглы 8,Двухкоординатный пьезодвижитель 2 (фиг,2) представляет собой пьеэокерамическую трубку 9, заключенную в титановыйкорпус, состоящий иэ основания корпуса 10 и ввернутого в него стакана 11, Основание корпуса 10 в своей нижней части имеет цилиндрический хвостовик с резьбой, при помощи которого пьезодвижитель крепится всоответствующем отверстии станины 1. На внутренней и внешней цилиндрической поверхности пьезотрубки 9 нанесено токопроводящее покрытие, Причем такое покрытие на внешней поверхности пьеэотрубки дляосуществления возможности трехмерногоперемещения образца выполнено в виде трех изолированных секторов а,Ь и с (фиг.5). Боковая цилиндрическая поверхность стакана 11 имеет три прорези в горизонтальных плоскостях шириной 0,5 мм, верхняя иэ которых расположена на расстоянии 5 мм от верхнего торца стакана, а вторая и третья прорези расположены ниже на расстояниях 1,5 и 3 мм от первой прорези соответственно, Длина каждой прорези равна 140 дуговых градусов. а оси их симметрии расположены друг относительно друга под углами120 О. Эти прорези уменьшают жесткость боковой поверхности стакана 11 и таким образом позволяют деформировать жесткосопряженную с ним пьезотрубку 9 в любом направлении при подаче напряжения на ее тонкопроводящее покрытие, Приводимыеразмеры прорезей были подобраны экспериментально и зависят от физических свойств материала стакана 11.Трехкоординатный пьезодвижитель 3(см. фиг.3) также представляет собой пьезокерамическую трубку 9, заключенную в титановый корпус, состоящий из основаниякорпуса 12 и ввернутого в него стакана 13. Боковая цилиндрическая поверхность стакана 13 имеет точно такие же прорези, как и соответствующая поверхность стакана 11, которые выполняют те же функции. На верхний торец пьезокерамической трубки 9опирается своим кольцеобразным выступом втулка 14, в которой размещена кварцевая трубка 15, Через изолирующую прокладку 16 в кварцевую трубку 15 своейнерезьбовой частью вставлен опорный винт 17, который фиксирован гайкой 18. На боковой поверхности втулка 14 закреплена пластинчатая пружина 19, которая черезотверстие в боковой стенке втулки 14 опирается на кварцевую трубку 15. Применениепластинчатой пружины в данной конструкции обусловливается необходимостью увеличения силы трения при перемещениикварцевой трубки 15 относительно втулки 14, что в свою очередь диктуется выборомоптимальных условий для осуществления шагового перемещения движущейся части(детали 4, 15,16, 17, 18) данного пьезодви-.жителя,Конструкция центрального пьезодвижителя 7(фиг,4) полностью совпадает с конструкцией пьезодвижителя 3, однакодополнительно включает два элемента, Поднижний торец гайки 18 подведена изолирующая втулка 20, удерживаемая цилиндрической пружиной 21, которая своим нижним витком упирается в дно основания корпуса12, А вместо опорного шарика на верхнем торце. опорного винта уКреплена измерительная игла 8, Необходимость создания дополнительного усилия на нижний торец гайки 18 обусловливается тем, что, компенсируя силу тяжести деталей 15, 16, 17 и 18 создаются условия для шагового перемещения измерительной иглы вертикально вверх.Кроме того, токопроводящее покрытие внешней цилиндрической поверхности пье 10 20 25 30 35 40 зокерамической трубки 9 А выполнено в виде четырех изолированных секторов е, 5, 9 ий, поскольку в этом случае обеспечиваетсянаиболее оптимальное перемещение от деформации пьезотрубки по трем взаимноперпендикулярным осям,Электрическая блок-схема СТМ (фиг.б)СОСТОИТ ИЗ;источника постоянного напряжения,(ИПН), создаваемого в цепи между остриемизмерительной иглы и поверхностью образца;предварительного усилителя (ПУ) туннельного тока;5 блока обратной связи (БОС) по туннельному току;генератора пилообразного напряжения-200 В до+200 В;блоков электрических переключателейА, В, С и О и условно обозначенных изолированных секторов токопроводящих покрытий (7, 7 е2 е).Микроскоп работает следующим образом. С помощью источника постоянного напряжения ИПН (фиг,б) междуизмерительной иглой и образцом подаютпостоянное напряжение вдиапазоне 0,001 -1 В и начинают приближать образец к измерительной игле.Переключатель В (фиг,б) устанавливаютв положение 1, чтобы соединиь три изолированных сектора За,Зв и Зс(фиг,5) токопроводящего покрытия внешней поверхностипьезотрубки 9 пьезодвижителя 3 в одинвнешний электрод, Внутренним электродомслужит сплошное токопроводящее покрытие 3 на внутренней поверхности той жепьезотрубки 9, Переключатель 0 устанавливают в положение 2 и, таким образом, навышеназванные внешний и внутреннийэлектроды пьезотрубки 9 пьезодвижителя 3(фиг,1 и фиг.З) подают пилообразное напряжение амплитудой 250 В и частотой 50 Гц отгенератора пилообразного напряженияГПН (фиг.б), (При этом переключатели А и Сустанавливают в произвольное положение),За один период подаваемого напряженияопорный узел, состоящий из деталей 4, 15,16, 17, 18, благодаря пьезоэффекту (в данном случае эффекту сжатия пьезотрубки подвоздействием линейно возрастающего приложенного напряжения) опускается вниз.Таким образом, кольцо 5, опирающееся натри опорных шарика 4, поворачивается вокруг оси, проходящей через опорные шарикидвух двухкоординатных пьезодвижителей 2,и поворачивается так, что образец б прибли 179714910 15 30 35 40 С кольцо 5 с закрепленным на немобразцом 456 при включении подачи пилообразного на 50 55 жается к игле 8 на расстояние 0,2 мкм. При практически мгновенном падении напряжения до нуля сила инерции опорного узла превышает силу трения покоя между сопряженными поверхностями деталей 14 и 15(фиг.З), в результате чего опорный узел не меняет положения в пространстве(остается на месте); а пьезотрубка 9 и опирающаяся на нее втулка 14 перемещается вверх, то есть возвращаются в исходное положение При частоте пилообразного напряжения, равной 50 Гц, средняя скорость перемещения центра образца 6 к острию иглы 8 составляет 0,01 мм/с, При появлении тока между измерительной иглой и образцом блок обратной связи БОС (фиг.6) вырабатывается сигнал, прекращающий подачу пилообразного напряжения. Таким образом, образец оказывается на расстоянии от острия измерительной иглы, не превышающем 1 мкм, что является необходимым условием работы СТМ. Так завершается первый этап подготовки микроскопа к рабате, то есть грубого сближения образца с острием иглы,На втором этапе подготовки микроскопа к работе выбирают исследуемый участок поверхности образца и приближают к нему острие иглы следующим образом. Смотря е оптический микроскоп. выбирают интересующий исследователя участокна поверхности образца и определяют способ и направление перемещения к нему измерительной иглы, Переключатель В переводят в положение 2 и, таким образом, электрически соединяют одноименные (обоэначенные одной и той же буквой) секторы токопроводящих покрытий всех трех пьезотрубок 9, Переключатель С устанавливают, например, е положение 1, а переключатель переводят в положение 3, что обеспечивает подачу пилообразного напряжения на две группы секторов: (2 а+За) и (20+30+2 Ь+ЗЬ+2 с+Зс). В зависимости от номера положения (1, 2 или 3) йереключателя пряжения от ГПН перемещается в одном из трех направлений в горизонтальной плоскости; образующих между собой угол 1200. Это происходит следующим образом Под воздействием линейно возрастающего приложенного напряжения три пьезотрубки пьезодвижителей 2 и 3 благодаря пьезоэффекту изгибаются одинаковым образом в одном из трех направлений, что ведет к горизонтальному смещению кольца с образцом в том же направлении. При практически мгновенном падении напряжения до нуля три пьезодвижителя быстро выпрямляются, а.кольцо с образцом благодаря 20 25 своей инерции проскальзывает относительно опорных шариков и сохраняет свое положение в горизонтальной плоскости. За один период пилообразного напряжения кольцо с образцом смещается в горизонтальной плоскости на расстояние 0,5 мкм. Положение образца относительно измерительной иглы контролируется с помощью оптического микроскопа, С помощью серии последовательных перемещений кольца с образцом в горизонтальной плоскости выбранный для изучения участок поверхности образца подводят к измерительной игле на расстояние 1 мкм. Так заканчивается второй этап подготовки СТМ к работе, то есть этап грубого .выбора исследуемого участка на поверхности образца.После этого начинают исследование образца. Для этого с помощью центрального пьезодвижителя измерительную иглу подводят к выбранному участку поверхности образца на расстояние 10 А, Для подведения иглы переключатель А устанавливают в положение 2, а переключатель О в положение 4 При этом пилообразное наггряжение от ГПН подается на внешний электрод пьезотрубки 9 А пьезодвижителя 7, образованный соединенными электрически секторами 7 е,. 71, 79 и 7 Ь токопроводящего покрытия пьезотрубки. Внутренним электродом служит внутренняя поверхность 70 токопроводящего покрытия той же пьезотрубки, При таком положении переключателей происхо-, дит шаговое перемещение вверх опорного узла, состоящего из сопряженных деталей 8, 15, 16, 17; 18. Работа центрального пьезодвижителя при этом полностью аналогична работе пьезодвижителя 3. Описанной выше.При появлении тока между измерительной иглой и образцом блок обратной связи. БОС (фиг,б) вырабатывает сигнал, прекращающий подачу пилообразного напряжения, После этого переключатель А устанавливают в положение 1, а переключатель С в положение 4. При этом. положение переключателей на все три пьезодвижителя узла позиционирования образца подают регулируемое в диапазоне от -200 В до +200 В постоянное напряжение от источника высокого напряжения ИВН (фиг,б), под действием которого деформации пьезокерамических трубок . обеспечивают вертикальные перемещения кольца с образцом в диапазоне + 1 мкм. На секторы внешнего токопроеодящего покры- . тия пьезотрубки 9 А пьезодвижителя 7 подают электрические сигналы развертки от .БОС, Эти сигналы представляют собой изменяющиеся во времени равные и противоположные по знаку электрические1797149 напряжения, подаваемые на пары секторов 7 е и 79, 71 и 7 п, под действием которых пьезодвижитель 7 изгибается по осям Х и У Предварительный усилитель тока ПУ (фиг.б) измеряет туннельный ток между измерительной иглой и образцом, который стабилизируется с помощью блока обратной связи БОС, вырабатывающей электрическое напряжение обратной связи, подающееся на электрод 7 центрального пьезодвижителя. Напряжение обратной связи регистрируют как функцию сигналов развертки и, таким образом, получают карту рельефа изучаемой поверхности.После завершения исследований переключатель А устанавливают в положение 2, а переключатель О в положение 1 и включают ГПН. При этом измерительная игла 8, закрепленная в опорном узле центрального пьезодвижителя удаляется от поверхности образца.Авторы считают уместным отметить отсутствие клееных и паяных соединений в конструкции заявляемого микроскопа, а также легкость манипулирования исследуемыми образцами, что дает возможность исФормула изобретения 1, Сканирующий туннельный микроскоп, содержащий станину с закрепленным на ней узлом позиционирования образца в виде трех независимых трубчатых пьезодвижителей с опорными шариками, закрепленными на их верхних торцах, и узелперемещения измерительной иглы по тремвзаимно перпендикулярным координатным осям, выполненный в виде расположенного в центре станины дополнительного трубчатого пьезодвижителя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и воспроизводимости условий исследований, пьезодвижитель узла перемещения измерительной иглы и по крайней мере один пьезодвижитель узла позиционирования образца выполнены с возможностью пошагового изменения своей высоты путем введепользовать заявляемый СТМ в сверхвысоковакуумных установках.Использование изобретения позволитполучать геометрические профили поверх 5 настей металлов и полупроводников, а также карты их электронных свойств впроизвольной газовой среде и в условияхсверхвысокого вакуума на участке площадью 1 мкм с атомным разрешением в10 плоскости ХУ, Разрешение по оси можетодостигать 0,1 А. При этом на поверхностиобразца площадью 1 см можно выбратьинтересующий исследователя .участок иподвести к нему измерительную иглу на расстояние 0,5 мкм. Эта способность заявляемого СТМ особенно важна длятехнологических применений,В Институте физических проблем АНСССР разработаны рабочие чертежи заявляемого микроскопа, по которым был изготовлен один опытный образец,используемый в настоящее время при проведении научных исследований, В эксплуа 25 тации созданный микроскопзарекомендовал себя как надежный, эффек. тивный и удобный в обслуживании прибор,ния упругоподжатых инерционных подвижных штоков, установленных во втулках во внутренних полостях пьезодвижителей, при этом каждая втулка опирается своим кольцеобразным выступом на верхний торец пьезотрубок, а в боковой стенке втулок выполнено отверстие, в котором размещена пластинчатая пружина.2, Микроскоп по п,1, о т л и ч а ю щ и Й- с я тем, что подвижные штоки пьезодвижителей выполнены в виде кварцевых трубок, в которые вставлены опорные винты фиксированные гайками, опирающимися на цилиндрические пружины,3, Микроскоп по п,1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что корпуса пьезодвижителей выполнены в виде стаканов с поперечными прорезями, симметрично расположенными по окружности и последовательно сдвинутыми по высоте стакана.