сканирующий зондовый микроскоп с эквивалентом сканера

Формула изобретения

1. Сканирующий зондовый микроскоп с эквивалентом сканера, содержащий сканер, выполненный в виде нескольких механически связанных и снабженных управляющими электродами элементов перемещений сканера по нескольким координатам, и эквивалент сканера, также выполненный в виде нескольких снабженных управляющими электродами элементов перемещений эквивалента, при этом по меньшей мере один из элементов перемещений эквивалента содержит по меньшей мере один датчик перемещений, соединенный с блоком управления и контроля, к которому подсоединены также и упомянутые выше управляющие электроды, отличающийся тем, что эквивалент сканера выполнен в виде механически независимых элементов перемещений эквивалента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эквивалент сканера выполнен в виде первого, второго и третьего механически независимых элементов перемещений эквивалента.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что толщина по меньшей мере одного из механически независимых элементов перемещений эквивалента превышает толщину соответствующего элемента перемещений сканера.

4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что по меньшей мере один из размеров управляющих электродов по меньшей мере одного из механически независимых элементов перемещений эквивалента превышает соответствующий размер управляющих электродов соответствующего элемента перемещений сканера.

5. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что механически независимый элемент перемещений эквивалента и соответствующий элемент перемещений сканера выполнены трубчатыми, причем диаметр механически независимого элемента перемещений эквивалента превышает диаметр соответствующего элемента перемещений сканера.

6. Устройство по пп.1-5,отличающееся тем, что сканер и эквивалент сканера выполнены из пьезокерамического материала.

7. Устройство по пп.1-5, отличающееся тем, что сканер и эквивалент сканера выполнены из электрострикционного материала.

8. Устройство по пп.1-7, отличающееся тем, что блок управления и контроля выполнен состоящим из двух частей, одна из которых содержит узлы управления эквивалентом сканера.

9. Устройство по пп.1-8, отличающееся тем, что по меньшей мере один датчик перемещения выполнен емкостным.

10. Устройство по пп.1-8, отличающееся тем, что по меньшей мере один датчик перемещения выполнен индуктивным.

11. Устройство по пп.1-8, отличающееся тем, что по меньшей мере один датчик перемещения выполнен интерферометрическим.

12. Устройство по пп.1-8, отличающееся тем, что по меньшей мере один датчик перемещения выполнен в виде тензодатчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сканирующим зондовым микроскопам (СЗМ), а более конкретно к устройствам, обеспечивающим взаимные перемещения зонда и сканируемого образца по трем координатам.

Известен СЗМ, содержащий снабженный датчиками перемещений по Х и Y координатам сканер с трубчатым пьезоэлементом, на внутренней поверхности которого нанесен сплошной электрод, а на наружной - несколько групп электродов [1].

Одним из недостатков этого устройства является отсутствие датчика Z-перемещений, что существенно снижает точность получаемого сигнала и функциональные возможности (проведение наноманипуляций, нанолитографических операций).

Известен СЗМ, сканер которого снабжен датчиками перемещений по всем трем координатам. [2]. Существенным недостатком такого СЗМ является недостаточная компактность и пониженная резонансная частота измерительного узла, приводящие к повышенным температурным дрейфам и повышенной чувствительности к механическим вибрациям, что в свою очередь приводит к снижению точности показаний датчиков. Недостаточная компактность также ограничивает применение такой конструкции в специальных СЗМ, в частности в высоковакуумных, низко- или, наоборот, высокотемпературных.

В качестве прототипа выбран СЗМ, в котором контроль перемещений сканера осуществляют с помощью такого же сканера, выполненного из того же материала, расположенного отдельно, снабженного датчиками перемещений и используемого в качестве эквивалента, отражающего все существенные перемещения сканера [3].

Такая конструкция обладает рядом недостатков. Прежде всего на практике каждый сканер обладает определенной индивидуальной неортогональностью осей, что может приводить к суммированию неортогональностей сканера и его эквивалента с результирующим ухудшением точности сканирования. Не снимается проблема временной стабильности измерений малых перемещений для датчиков на сканере с малыми (1-3 мкм) диапазонами перемещений. Для сканера с большими диапазонами перемещений остается актуальной проблема перекрестных искажений из-за нефункциональных перемещений отдельных элементов датчиков. Современные СЗМ обычно комплектуются набором сканеров с различными диапазонами сканирования для исследований различных типов образцов, использование при этом соответствующего набора эквивалентов сканеров существенно усложняет конструкцию прибора и удорожает его.

Целью изобретения является создание СЗМ, позволяющего использовать его в зондовой микроскопии для сканирования объектов в широком диапазоне значений полей сканирования по трем координатам с повышенной точностью или скоростью, а также для обеспечения возможности использования сменных сканеров с различными диапазонами сканирования.

Технический результат изобретения заключается в увеличении точности сканирования.

Указанная цель достигается тем, что в сканирующем зондовом микроскопе с эквивалентом сканера, содержащем сканер, выполненный в виде нескольких механически связанных и снабженных управляющими электродами элементов перемещений сканера по нескольким координатам, и эквивалент сканера, также выполненный в виде нескольких снабженных управляющими электродами элементов перемещений эквивалента, при этом по меньшей мере один из элементов перемещений эквивалента содержит по меньшей мере один датчик перемещений, соединенный с блоком управления и контроля, к которому подсоединены также и упомянутые выше управляющие электроды, эквивалент сканера выполнен в виде механически независимых элементов перемещений эквивалента.

Одним из вариантов осуществления изобретения является выполнение эквивалента сканера в виде трех механически независимых элементов перемещений эквивалента сканера.

Механически независимые элементы перемещений эквивалента, будучи выполненные из одинаковых с соответствующими элементами перемещений сканера материалов, при схожести общего характера поведения могут обладать отдельными параметрами, отличными от соответствующих параметров элементов сканера. Например, толщины механически независимых элементов перемещений эквивалента могут превышать толщины соответствующих элементов перемещений сканера, по меньшей мере один из размеров управляющих электродов элемента эквивалента сканера может превышать соответствующий размер управляющего электрода соответствующего элемента перемещений сканера.

При выполнении элементов перемещений сканера в виде трубчатых элементов по меньшей мере один из механически независимых элементов перемещений эквивалента также может быть выполнен трубчатым с диаметром, превышающим диаметр соответствующего элемента перемещений сканера.

Материал, из которого выполнены сканер и эквивалент сканера, может быть выбран из ряда материалов - пьезоэлектрических или электрострикционных.

Блок управления и контроля может быть выполнен состоящим из двух частей, одна из которых содержит узлы управления эквивалентом сканера.

Датчики положения эквивалента сканера могут быть выполнены различными - емкостными, индуктивными, интерферометрическими, выполненными в виде тензодатчиков.

На фиг.1 изображен СЗМ с эквивалентом сканера, состоящим из трех механически независимых элементов перемещений.

На фиг.2 изображен СЗМ с эквивалентом сканера, состоящим из трех механически независимых элементов перемещений, при этом толщина стенки элемента, соответствующего перемещениям по X-координате, превышает толщину стенки соответствующего элемента сканера.

На фиг.3 изображен СЗМ с эквивалентом сканера, состоящим из трех механически независимых элементов перемещений, при этом длина управляющего электрода элемента, соответствующего Z-перемещениям сканера выполнена большей, чем длина управляющего электрода Z-элемента сканера.

На фиг.4 изображен СЗМ с эквивалентом сканера, состоящим из трех механически независимых элементов перемещений, при этом диаметр элемента, соответствующего перемещениям по Х-координате, превышает диаметр соответствующего элемента сканера.

На фиг.5 изображен СЗМ с эквивалентом сканера, состоящим из трех механически независимых элементов перемещений, при этом блок управления и контроля выполнен состоящим из двух частей, одна из которых содержит узлы управления эквивалентом сканера.

Пример выполнения СЗМ с эквивалентом сканера в виде механически независимых элементов перемещений представлен на фиг.1, где изображены трубчатый сканер 1 и эквивалент сканера в виде трех механически независимых трубчатых элементов перемещений 2, 3 и 4, при этом эквивалент сканера содержит датчики перемещений 5 (Z-перемещения), 6 (X-перемещения) и 7 (Y-перемещения). Для общего управления и контроля сканер 1 и элементы перемещений эквивалента сканера 2, 3, 4 соединены с блоком управления и контроля 8. На внешней стороне сканера 1 расположены разделенные внешние управляющие X-электроды 9 и 10, разделенные внешние управляющие Y-электроды 11 и 12 (на фиг.1 виден лишь внешний Y-электрод 11, симметрично расположенный относительно оси сканера внешний Y-электрод 12 не виден), а также внешний управляющий Z-электрод 13. На внутренней стороне сканера 1 расположены внутренние управляющие электроды, на фиг.1 виден только внутренний управляющий Z-электрод 14 (внутренние управляющие X, Y электроды для простоты выполнены сплошными и объединенными друг с другом и с Z-электродом 14). Элемент 2 содержит внешний управляющий Z-электрод 15 и внутренний управляющий Z-электрод 16, элемент 3 содержит разделенные внешние управляющие X-электроды 17 и 18 и сплошной (для простоты) внутренний управляющий Х-электрод 19, а элемент 4 содержит разделенные внешние управляющие Y-электроды 20 и 21 и сплошной (также для простоты) внутренний управляющий Y-электрод 22. В рассматриваемом примере внутренние электроды 16, 19 и 22 полагаются заземленными. Точно так же заземлен внутренний управляющий Z-электрод 14 сканера 1. С целью упрощения графических материалов электрические связи блока управления и контроля с различными электродами заменены функциональными. Для наглядности механически независимый элемент перемещений эквивалента, соответствующий Y-перемещениям сканера, изображен в развернутом на 90° вокруг вертикальной оси виде.

В этом примере рассмотрены трубчатые элементы перемещений, однако они могут быть выполнены и в виде прямоугольных стержней, дисков и пр. (см. напр.[4]). В подавляющем большинстве случаев управляющие электроды параллельны либо концентричны друг другу, однако их взаиморасположение может быть и произвольным. Необходимо только, чтобы взаиморасположение управляющих электродов механически независимого элемента перемещений эквивалента сканера было подобно взаиморасположению управляющих электродов соответствующего элемента сканера. Это дает возможность путем пропорционального изменения величины управляющего сигнала (например, напряжения) обеспечить равенство структуры электрических полей в материалах элемента сканера и соответствующего элемента эквивалента сканера, а следовательно, и подобия их перемещений.

Пример выполнения СЗМ с увеличенной толщиной по меньшей мере одного из механически независимых элементов перемещений эквивалента сканера представлен на фиг.2, где изображены сканер с трубчатым сканером 1 и эквивалент сканера в виде трех механически независимых трубчатых элементов перемещений 2, 4 и 23, при этом толщина S’ (т.е. расстояние между внешними управляющими Х-электродами 24 и 25 и внутренним управляющим электродом 26) механически независимого элемента перемещений 23, соответствующего Х-перемещениям сканера 1, выполнено большим, чем толщина S (т.е. расстояние между внешними X-электродами 9 и 10 и внутренним электродом 14) сканера 1. Поскольку толщина элемента 23 превышает соответствующую толщину сканера 1, то во столько же раз величина управляющего сигнала, подаваемого на внешние электроды 24, 25 должна превышать величину управляющего сигнала, подаваемого на внешние электроды 9, 10. Это необходимо для обеспечения равенства электрических полей в материалах Х-элемента сканера 1 и соответствующего элемента 23 эквивалента сканера, поскольку только при этом условии, как известно, сохраняется подобие реакций на управляющие сигналы элемента сканера и соответствующего элемента эквивалента сканера [3]. Все эти рассуждения применимы и для случая выполнения элементов перемещений сканера и его эквивалента, например, на основе прямоугольных стержней или дисков.

Пример выполнения СЗМ с увеличенным размером управляющего электрода по меньшей мере одного из независимых элементов перемещений эквивалента сканера представлен на фиг.3, где изображен СЗМ с трубчатым сканером 1 и эквивалентом сканера в виде трех механически независимых трубчатых элементов перемещений 3, 4 и 27, при этом длина L’ соответствующего Z-перемещениям сканера 1 внешнего управляющего Z-электрода 28 механически независимого элемента перемещений 27, выполнена большей, чем длина L внешнего управляющего Z-электрода 13 сканера 1. Соответственно, длина управляющего внутреннего Z-электрода 29 выполнена не меньшей длины внешнего Z-электрода 28. Этот вариант (с увеличенной длиной элемента эквивалента сканера) в полной мере применим и к элементам перемещений, выполненных на основе прямоугольных стержней.

Пример использования механически независимого элемента перемещений эквивалента с увеличенным диаметром представлен на фиг.4, где изображен пример выполнения СЗМ с трубчатым сканером 1 и эквивалентом сканера в виде трех механически независимых трубчатых элементов перемещений 2, 30 и 4, при этом диаметр D’, соответствующего Х-перемещениям сканера 1 механически независимого элемента перемещений эквивалента 30, снабженного внешними управляющими электродами 31, 32 и внутренним управляющим электродом 33, выполнен большим, чем диаметр D сканера 1.

Вариант с выполнением блока управления и контроля состоящим из двух частей представлен на фиг.5, где изображен пример выполнения СЗМ с трубчатым сканером 1 и эквивалентом сканера в виде трех механически независимых трубчатых элементов перемещений 2, 3 и 4, при этом блок управления и контроля выполнен состоящим из двух частей 34 и 35, при этом часть 35 содержит элементы управления и контроля элементов перемещений 2, 3 и 4 эквивалента сканера.

СЗМ с эквивалентом сканера (см. фиг.1), содержащим механически независимые элементы перемещений, работает следующим образом. Управляющие сигналы от блока управления и контроля 8 поступают на X, Y, Z-электроды сканера (позиции 9, 10, 11, 12, 13) и одновременно на X, Y, Z-электроды независимых элементов 2, 3, 4 эквивалента сканера (позиции 15, 17, 18, 20, 21). Соответствующие перемещениям сканера 1 X, Y, Z-перемещения элементов 2, 3, 4 регистрируются соответственно датчиками 6, 7, 5, сигналы от которых поступают на блок 8, где используются аналогично тому, как это происходит в СЗМ, использующих сканеры с датчиками перемещений [2]. В данном случае X, Y, Z-перемещения элементов 2, 3, 4 эквивалента сканера осуществляются независимо в отличие от прототипа, в котором остаточная неортогональность X, Y, Z-координат эквивалента сканера может вносить дополнительную ошибку, чего избегает представленная на фиг.1 конструкция.

Выполнение эквивалента сканера в виде механически независимых элементов помимо устранения ошибок, связанных с остаточной неортогональностью, позволяет получить дополнительные преимущества.

В рассмотренном выше примере выполнения СЗМ с эквивалентом сканера управляющие сигналы, подаваемые на X, Y, Z-электроды сканера совпадали с сигналами, подаваемыми на X, Y, Z-управляющие электроды механически независимых элементов эквивалента сканера. При этом поскольку толщины стенок трубок сканера и элементов эквивалента сканера были равны, то равны были и напряженности соответствующих электрических полей в толще материалов сканера и его эквивалента. Это обуславливало аналогичность проявления гистерезиса и крипов в сканере и эквиваленте сканера. В ряде случаев, однако, толщины стенок сканера и по меньшей мере одного из элементов эквивалента сканера могут не совпадать, например, для обеспечения большей жесткости (и соответственно, большей резонансной частоты колебаний) элемента сканера. Это может быть необходимо для обеспечения повышенного быстродействия системы обратной связи, что в свою очередь обеспечит нормальную работу соответствующего Х-перемещениям сканера независимого элемента перемещений эквивалента сканера при повышенных скоростях сканирования по заданным точкам.

Соответствующий пример изображен на фиг.2, где толщина механически независимого элемента перемещений 23, соответствующего перемещениям сканера по Х-координате, превышает толщину сканера 1. Для того чтобы характер перемещений элемента 23 был аналогичен перемещениям сканера по Х-координате, т.е. чтобы напряженность электрического поля в элементе 23 между электродами 24, 25 с одной стороны и электродом 26 с другой совпадала с напряженностью электрического поля в Х секции сканера 1, т.е. между электродами 9, 10 и внутренним электродом 14, управляющий сигнал, подаваемый на X’ электроды 24, 25, во столько раз превышает величину сигнала, подаваемого на Х электроды 9, 10, во сколько раз толщина S’ элемента 23 превышает толщину S сканера 1.

Большое количество задач, решаемых с помощью СЗМ, связано с регистрацией малых перемещений, особенно это относится к перемещениям по Z-координате, при этом минимальный шаг перемещений сканера может лежать ниже уровня шумов датчика перемещений. В этом случае желательно, чтобы соответствующий механически независимый элемент эквивалента обладал большим диапазоном перемещений при сохранении их подобия перемещениям сканера, например Z-перемещениям.

Пример такого выполнения СЗМ представлен на фиг.3, где длины соответствующего Z-перемещениям сканера 1 элемента 2 и управляющего Z-электрода 11 выполнены большими, чем длина управляющего Z-электрода 10 сканера. Соответственно, большими будут и регистрируемые перемещения элемента 2 (но при этом пропорциональные Z-перемещениям сканера 1), что позволит повысить отношение сигнал-шум для датчика, регистрирующего соответствующие перемещения. Такой же прием может быть использован при необходимости и для Х-или Y-перемещений, причем это относится не только к трубчатым элементам перемещений, но и к элементам, выполненным на основе прямоугольных стержней.

Применительно к трубчатым элементам перемещений может быть использован и прием увеличения диаметра трубчатого элемента для увеличения его жесткости (и соответственно резонансной частоты) в поперечном направлении. На фиг.4 представлен соответствующий вариант выполнения СЗМ, в котором диаметр соответствующего X-перемещениям сканера 1 элемента 30 выполнен большим, чем диаметр сканера 1.

Больший диаметр элемента перемещений 30 эквивалента сканера по сравнению с диаметром сканера 1 приводит к большей жесткости элемента 30 в перпендикулярном к оси трубки направлении, т.е. в направлении X-перемещений. Соответственно большей является и резонансная частота колебаний в направлении перемещения. Это позволяет повысить быстродействие системы обратной связи при сканировании по заданным точкам. При этом поскольку толщины стенок сканера 1 и элемента перемещений 30 равны, то при равных величинах управляющих сигналов Х-перемещений характер перемещений сканера 1 по Х-координате совпадает с характером перемещений элемента 30 эквивалента сканера.

Современные СЗМ в силу чрезвычайной широты применений (от исследований электронной структуры атомов до анализа шероховатостей поверхности металлических конструкций) представляют большое разнообразие компоновок, при этом бывает целесообразно, например, измерительную головку СЗМ с встроенным в нее сканером размещать достаточно далеко как от блока управления и контроля, так и от эквивалента сканера. Соответственно, и эквивалент сканера может размещаться достаточно далеко от блока управления и контроля. Это может приводить к нежелательным паразитным явлениям (связанными, например, с емкостными нагрузками кабелей и шумовыми наводками в них), обусловленными удаленностью высокочувствительных датчиков от блока управления и контроля, содержащего чувствительные электронные преобразователи и элементы системы обратной связи. Для устранения этих паразитных явлений часть электронных элементов, связанных с эквивалентом сканера, может содержаться в дополнительном блоке управления и контроля. Соответствующий пример выполнения СЗМ с эквивалентом сканера представлен на фиг.5, где изображен блок управления и контроля состоит из двух частей - 34 и 35, при этом часть 35 содержит узлы регистрации сигналов от датчиков перемещений, а также узлы, формирующие управляющие сигналы элементов эквивалента сканера.

Датчики перемещений 4, 5, 6 могут быть выполнены, например, емкостными, индуктивными, интерферометрическими, в виде тензодатчиков [5].

Со свойствами наиболее часто используемой для создания СЗМ сканеров пьезокерамики можно ознакомиться в работе [6], а с работой сканеров и блоков управления в зондовых микроскопах более подробно можно ознакомиться, например, в [7, 8, 9, 10, 11].

Выполнение эквивалента сканера в виде механически независимых элементов перемещений эквивалента позволяет избежать влияния остаточной неортогональности эквивалента сканера, выполненного в виде связанных элементов перемещений, которая может суммироваться с неортогональностью сканера и ухудшать его точностные характеристики сканирования. Выполнение эквивалента сканера в виде трех механически независимых элементов перемещений позволяет выделить отдельный независимый элемент перемещения на координату, что дает возможность оптимизировать динамические характеристики элемента, например, повысить резонансную частоту, уменьшить добротность, и, как следствие, повысить скорость отработки элемента эквивалента сканера при работе с обратной связью и повысить точность и скорость работы СЗМ в целом.

Увеличение толщины механически независимого элемента эквивалента по сравнению с толщиной соответствующего элемента сканера как раз и позволяет повысить резонансную частоту элемента эквивалента сканера, повысив, соответственно, точность работы СЗМ.

Другим способом повышения точности СЗМ является повышение отношения сигнал-шум датчика перемещения за счет увеличения диапазона перемещений механически независимого элемента эквивалента по сравнению с соответствующим элементом перемещений сканера. Это достигается путем увеличения размеров управляющих электродов механически независимого элемента эквивалента по сравнению с соответствующим элементом перемещений сканера, при этом при сохранении общего характера поведения элементов увеличивается диапазон перемещений (и соответственно выходной сигнал датчика перемещений) элемента эквивалента, что позволяет повысить точность работы СЗМ.

Упомянутое выше повышение точности работы СЗМ за счет повышения резонансной частоты механически независимого элемента эквивалента может быть реализовано для трубчатых элементов перемещений по Х-и/или Y-координате также и путем увеличения диаметра. При этом за счет увеличения поперечной жесткости повышается резонансная частота колебаний в направлении перемещения.

Использование пьезоэлектрических материалов позволяет обеспечить большие рабочие диапазоны перемещений сканера при обеспечении приемлемой точности сканирования.

Использование электрострикционных материалов позволяет уменьшить влияние гистерезисных эффектов на точность функционирования СЗМ.

Выполнение блока управления и контроля в виде двух частей, одна из которых содержит узлы управления эквивалентом сканера, позволяет расположить узлы управления элементами перемещений эквивалента сканера и высокочувствительные узлы обработки сигналов датчиков перемещений в непосредственной близости к эквиваленту сканера, уменьшить влияние паразитных сигналов и за счет этого повысить точность функционирования СЗМ.

Использование емкостных датчиков для измерений перемещений элементов эквивалента сканера позволяет обеспечить низкий уровень собственных шумов датчика перемещений.

Использование индуктивных датчиков для измерений перемещений позволяет расширить диапазон перемещений элементов эквивалента сканера.

Применение интерференционных датчиков перемещений упрощает калибровку датчиков за счет использования естественной измерительной меры - длины волны оптического излучения.

Выполнение датчиков перемещений в виде тензодатчиков обеспечивает простоту конструкции эквивалента сканера.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент США №5172002, G 01 J 001/20; G 01 N 023/00, 1992 г.

2. Патент США №5526165, G 02 B 026/08, 1996.

3. Патент Японии №7072928, G 05 D 3/00; H 01 L 41/09, 1995.

4. О пьезокерамике и перспективах ее применения. С. Жуков. Компоненты и технологии, №1, 2001. (http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/01_01/stat-48.htm).

5. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн.1. Ж. Аш с соавторами, Москва, “Мир”, 1992 г., 480 с.

6. Пьезоэлектрическая керамика, Е.Г.Смажевская и др., “Советское радио”, 1971 г., 198 с.

7. A new ultra - high vacuum scanning tunneling microscope design for surface science studies, G.E. Poirier and J.M. White, Rev. Scl. Instrum. 60 (10), October 1989.

8. The use of a linear piezoelectric actuator for coarse motion in a vacuum compatible scanning tunneling microscope, Gary W. Stupian and Martin S. Leung, J. Vac. Sci. Technol. A 7 (4), Jul/Aug 1989.

9. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А. Быков и др., Сенсорные системы, т.12, №1, 1998 г., с.99-121.

10. Tunneling barrier height imaging and polycrystalline Si surface observations, S. Hosaka, K. Sagara, T. Hasegawa, K. Takata, and S. Hosoki, Vac. Sci. Technol. A 8 (1), Jan/Feb 1990.

11. Scanning tunneling microscope instrumentation, Y. Kuk, P.J. Sulverman, Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), No.2, 165-180.