Растровый туннельный микроскоп

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 09) (И) 7123 37 26 РЕТЕН ОМУ СВИ лектронной ньков исследова 75 н нляг изображена конс уннельного бачк ьезоманипулятор на фиг,3 - функ равления жит пьезо на пьеэНа фиг. к техникеоваться длностей.еличение укция скопа растрового на фиг.2- движителем; ная схема бМикроско тор 1, закр ез альи и ра оков уп содер пленныйанипул движизможноГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИС НИЕ ИЗ(54) РАСТРОВЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП(57) Изобретение относится к технике измерений и может использоватьсядля контроля структуры поверхностей.Цель изобретения - увеличение термои вибростабильности и расширениетехнологических возможностей - достигается выполнением держателя измерительной иглы в виде металлическогоопорного кольца. Металлическое опорное кольцо через равномерно закрепленные на боковой поверхности пьеэокерамические вставки соединено с металлическими кубиками движителя, нанижних гранях которых через изолирующие прокладки закреплены электростатические присоски, при помощи Изобретение относится измерений и может исполь контроля структуры повер Цель изобретения - ув Фермо- и в.бростабнльност ширение технологических в стей.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 мембраны, жестко закрепленной на столе соосно отверстию, и штока, установленного с воэможностью взаимодейст.вия с мембраной. После подведения образца к игле при помощи штока и мембраны на расстояние 0,01 мм сканирование измерительной иглы по ко - тролируемому полю образца осуществляют подачей изменяющегося напряжеия на металлические кубики движите Стабильность положения заданного поля образца относительно положения иглы составляет +1,2 нм в течение 1 ч работы. 3 ил.теле 2. Поверхность 3 рабочего стола 4 с расположенными на ней пьезоманипулятором 1 и пьезодвижителем2 установлена внутрь защитного кожу 5ха 5 цилиндрической формы диаметром110 мм и высотой 270 мм, состоящего ,.из стеклянного сосуда Дьюара 6,.вставленного с упорами в пластмас,совый кожух 7 и предохраняющего сосуд Дьюара от повреждений. Рабочий .стол 4 представляет собой составнуюцилиндрическую деталь общей высотой 107 мм из нержавеющей стали,верхняя часть его имеет диаметр 80 мм 15и высоту .45 мм, и входит в сосудДьюара на глубину до 30 мм, Нюкняячасть 8 рабочего стола диаметром118 мм и высотой 62 мм является основанием и закрепляется в кожухах 9-11. 20Кожухи 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.прокладку 12 из фторопласта до нижней части 8. Кожухи 9-11 цилиндрическойформы имеют внешний диаметр 200 мм.Во внутреннее отверстие кожуха 9диаметром 114 мм вклеен нластмассо-30вый стакан с, внутренним резьбовымотверстием для кожуха 7 и полым дном диаметром 80 мм. Кожух 9 со стаканом приклеены к верхней плоскостивыступа 8. Рабочий стол 4 с кожухом9 свободно устанавливается в кожухе 10, который .в свою очередь свободно вставляется в кожух 1 1, СосудДьюара 6 в кожухе 7 и кожухи 9-11служат для акусто- и термоизоляции 0рабочей 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 пьезоманипуляторупьезодвижителю 2, игле 14 и образ" цу 15. Два выполненных в рабочем , столе 4 сквозных вертикальных отверстия 16 диаметром 4 мм с закреплен ными в их нижней части штуцерами 17 служат для запуска в объем микроскопа под сосудом Дьюара 6 газовых сред заданного состава при атмосферном давлении для проведения техноло 1 гкческих операций с помощью иглы 14 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.1) и приварена по ее периметру, Плоские исследуемые образцы 15 толщиной 0,5 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 20Пружина 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 ско" рость 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 латуни 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.5 1 О 15 20 25 4 О 45 диска 23. Четыре радиальных промежутка 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,такчто в плане образуется буква Н К центральному кубику 26 с помощью вставки 39 в плоскости, перпендикулярной плоскости манипулятора, через электроизолирующий элемент 40 закреплен соосно 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 бхб мм и с внешним ди 2аметром 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 пьезокерамики ЦТСдиаметром 15 мм, толщиной 1 мм, на верхнюю горизонтальную поверхность когорых 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 центре с обеих сторонсоответственно с размерами 5 х 5 и бхб ммВсе ку 5 ики изготовлены из нержавеющей стали с размерами бхбхб мм,полированными с К = 3-6 мкм. Всекерамические вставки выполнены нзкерамики ЦТСтолщиной б мм с нанесенными с обеих сторон серебрянымн электродами, Вставки имеют размеры 5 х 5 хб мм, на сторонах с размерами 5 х 5 мм находятся серебряныеэлектроды. Все кубики 26-32, 41,,47-49, вставки ЭЭ-Э 9, 42-45, 50-52сторонами с электродами между собойи вставки 50-52, присоединенные копорному кольцу, припаяны мягкимприпоем с температурой плавления180 С. Все кубики и вставки скреплены йежду собой соосно,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 соосно стоит на встречных дисках, то игла 14 находится напротив центра мембраны 19. Размеры и материал дисков аналогичен дискам присосок 53-55,Верх-.ние стороны дисков отполированыВ одной Горизонтальной плоскости сК = 0,05-0,1 мкм. Пьезо," ижительустановлен на них в нерабочем состоянии эа счет своего веса и за счеттрения полированных поверхностей соответственно пар дисков 53, 56;,54,57; 55, 58Диски 56-58 служат дляисходного позиционирования пьезодвижителя и стабилизации работы присосок.Блок регистрации фиг.Э) 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, гдесравнивается с заданным опорным напряжением 0. Выбором этого напряжения осуществляется задание туннель"ного тока. Затем сигнал поступаетна фильтр 64 с пропорциональным интегрированием, далее на ;усилитель65 с регулируемым усилением, подаетсяна х-координату самописца или запоминающего осциллографа 66 и в блок67 управления на высоковольтный уси 1471232литель х привода 68 и аналого-цифровой преобразователь 69. В блоке 59 регистрации использованы в качестве элементов 62-65 микросхемы 544 УД 1ь 140 УДб и транзисторы КТ 940.Блок 67 управления состоит иэ стандартных приборов и устройств, служит для управления иглой 14 по координатам х, у, к 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 подаютсяна высоковольтные усилители 74-76 для управления плечами пьезодвнжителя 2 и на высоковольтные усилители 77-79 для управления присосками 20дисков 53-55. Управление пьезодвижителем 2 и х,у-приводами осущест вляется компаратором по специальным программам. Управление к-приводом осуществляется в автоматиче , ском или ручном режиме. Точки под-, ключения блоков показаны на фиг.З, : стрелками с указанием номера элемента, к которому подсоединяется данный вывод. ЗО 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 0,01 мм 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. Пьезо" движитель 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: на я-привод, контакты 26 и 40 подают напряжение, растягивающее вставку 39 (фиг,2) 350 В; на приводы х и у (фиг.3) подают по" стоянное 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 з-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 39Чувствительность смещения пьезо" привода иглы вдоль поверхности образца по осям х, у составляет 0,4 нм/В. На все вставки могут по" даваться напряжения до 1000 В, раз меры растра при прочих неизменных 1условиях 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 напряжение, 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 ка 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 - напряже 1471232 10регистрации туннельного тока и блоком управления, и приспособлениедля подвода образца к измерительнойигле, причем пьезоманипулятор выполнен в виде сборки размещенных в однойплоскости 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 гранью 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения термо-, и вибростабильности и расширения технологических возможностей, в качестве держателя использован пьезодвижитель, вцполненный 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 превцюающей жесткости мембраны.Ф Формула изобретения Растровый туинельнцй 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 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 1 О 51 и 52 подают сжимающее напряжение и манипулятор 1 вместе с кольцом 4 б 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 20 образом, серией последовательных шагов можно передвинуть пьеэоманипулятор 1 в любую точку над образцом. Стабильность положения заданной обла,сти образца 15 относительно положе 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 сущест 35 венно и то, что предлагаемый микроскоп позволяет топографировать любые области образца от одной отсчетной плоскости, что также обуславливает расюирение области его применения.471232 ставитель Д.Рау хред Л.Сердюкова Корректор М.Де Редактор А.Мотып 94 Производственно-издательский комбинат Патент , гжгород, ул. Р11 фф ч л. Гага ина 101 Заказ 1612/52 Тираж 6ВНИИПИ Государственного комитета по и113035, Москва, 3-35,Подписноеретениям и открытиям при ГКНТ СССРуаская наб., д. 4/5