способ настройки сканирующего зондового микроскопа и сканирующий зондовый микроскоп для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ настройки сканирующего зондового микроскопа, включающий фокусировку системы видеонаблюдения микроскопа на поверхность исследуемого образца или зонда с последующей калибровкой сканера микроскопа и/или позиционированием зонда в необходимую область поверхности образца, отличающийся тем, что калибровку сканера и/или позиционирование зонда проводят на основании интерференционной картины, полученной путем дополнительного использования источника светового потока и разделения потока света на два когерентных потока света, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе и направляются в систему видеонаблюдения микроскопа или дополнительную систему видеонаблюдения, причем при калибровке сканера один из световых потоков претерпевает отражение от поверхности образца и/или зонда, а при позиционировании зонда световой поток претерпевает отражение от поверхности образца.

2. Сканирующий зондовый микроскоп, включающий систему видеонаблюдения, держатель образца, сканер, зонд, держатель зонда и систему для перемещений держателя образца, отличающийся тем, что микроскоп дополнительно содержит закрепленные с возможностью ориентации в пространстве источник светового потока, отражательный элемент и оптический делительный элемент, как пропускающий, так и отражающий часть светового потока, идущего от источника, причем держатель образца расположен на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом, а отражательный элемент - на пути второго потока света таким образом, чтобы ход световых потоков, отраженных от поверхности отражательного элемента и от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающих на них световых потоков, и после дальнейшего отражения одного отраженного светового потока от делительного элемента и прохождения второго отраженного светового потока через делительный элемент каждый из них был направлен в систему видеонаблюдения.

3. Сканирующий зондовый микроскоп по п.2, отличающийся тем, что держатель образца расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения.

4. Сканирующий зондовый микроскоп по п.2, отличающийся тем, что держатель образца расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения.

5. Сканирующий зондовый микроскоп по п.2, отличающийся тем, что держатель образца расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения.

6. Сканирующий зондовый микроскоп по п.2, отличающийся тем, что держатель образца расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения.

7. Сканирующий зондовый микроскоп по п.2, отличающийся тем, что держатель образца и зонд расположены на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом, таким образом, чтобы световой поток отражался как от держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, так и от поверхности зонда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии и может быть использовано при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например в кристаллографии, метрологии, при изучении высокомолекулярных соединений и т.д.

Известен способ настройки сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), включающий позиционирование зонда в необходимую область поверхности образца, осуществляемое при помощи наблюдения зонда и поверхности образца в оптический микроскоп (Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике, М., 2006, стр.18).

Известен способ настройки СЗМ, включающий позиционирование зонда в необходимую область поверхности образца, осуществляемое органолиптически (визуально) или при помощи увеличителя (Version 4.22-15JULY96 MultiMode SPM Instruction Manual, Chapter 6.2.3).

Известен СЗМ, содержащий сканер и зонд (Суслов А.А., Чижик С.А. Сканирующие зондовые микроскопы (обзор) // Материалы, Технологии, Инструменты - Т.2 (1997), № 3, с.78-89).

Известен сканирующий зондовый туннельный микроскоп марки ТТМ-2, включающий зонд, держатель образца, выполненный в виде координатного столика, сканер и систему видеонаблюдения в виде оптического микроскопа, необходимую для контроля за позиционированием зонда в интересующую областью поверхности образца (Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике, М., 2006, стр.20-22).

Наиболее близким к заявляемому является известный способ настройки СЗМ марок Solver P47-PRO и Solver P47H-PRO, включающий фокусировку системы видеонаблюдения микроскопа на поверхность исследуемого образца или зонда, с последующей калибровкой сканера микроскопа и/или позиционированием зонда в необходимую область поверхности образца, в котором калибровку сканера осуществляют при помощи тестовых решеток серии TGZ, а позиционирование зонда производят при помощи наблюдения зонда и поверхности образца в системе видеонаблюдения (электронная версия инструкции по использованию СЗМ марок Solver P47-PRO и Solver P47H-PRO фирмы NT-MDT (сайт - www.ntmdt.ru).

Недостатком известного способа настройки СЗМ является его относительная сложность, сопряженная с обязательным использованием специального калибровочного эталона при калибровке сканера. Кроме того, известный способ настройки СЗМ достаточно неудобен, поскольку не позволяет точно позиционировать зонд микроскопа в необходимую область поверхности образца, например вершину, впадину или участок поверхности образца с наклоном.

Технической задачей изобретения является упрощение способа настройки СЗМ и повышение его удобства.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе настройки СЗМ, включающем фокусировку системы видеонаблюдения микроскопа на поверхность исследуемого образца или зонда, с последующей калибровкой сканера микроскопа и/или позиционированием зонда в необходимую область поверхности образца, калибровку сканера и/или позиционирование зонда проводят на основании интерференционной картины, полученной путем дополнительного использования источника светового потока и разделения потока света на два когерентных потока света, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе и направляются в систему видеонаблюдения микроскопа или дополнительную систему видеонаблюдения, причем при калибровке сканера один из световых потоков претерпевает отражение от поверхности образца и/или зонда, а при позиционировании зонда световой поток претерпевает отражение от поверхности образца.

В части, касающейся устройства (микроскопа), наиболее близким к заявляемому является известный СЗМ марки Solver PRO, основными конструктивными элементами которого являются система видеонаблюдения, состоящая из оптического микроскопа и камеры, держатель образца, сканер, зонд выполненный в форме иглы, держатель зонда и система для перемещений держателя образца, выполненная в виде винтов (Распечатанная версия электронной информационной брошюры СЗМ марки Solver PRO, www.ntmdt.com/Products/PDF/Models/8_pro.pdf).

Кроме того, известный СЗМ может содержать ряд дополнительных вспомогательных конструктивных элементов, обеспечивающих его функционирование, например, таких как устройство (головка СЗМ) для закрепления сканера или зонда, система регистрации положений зонда, штатив для закрепления системы видеонаблюдения, станина СЗМ и т.д. Работа на известном СЗМ предполагает использование соответствующего блока электроники и программного обеспечения.

Схематическое изображение известного СЗМ схематически показано на Фиг.1, на которой цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - держатель зонда, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - сканер, цифрой 5 - система для перемещений держателя образца, цифрой 6 - система видеонаблюдения, цифрой 7 - станина СЗМ, цифрой 8 - головка СЗМ, цифрой 9 - штатив для закрепления системы видеонаблюдения. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 10.

Недостатком известного СЗМ является его недостаточная информативность, обусловленная тем, что он не позволяет определять угол наклона в интересующих исследователя точках поверхности образцов и не дает возможности наблюдать топографию поверхности исследуемого образца на двух пространственных и временных масштабах. Также недостатком известного СЗМ является неудобство в работе с ним, обусловленное невозможностью точного позиционирования зонда микроскопа в необходимую область поверхности образца, например вершину, впадину или участок поверхности образца с наклоном. Кроме того, применение известного СЗМ неизбежно сопряжено с определенными сложностями, обусловленными невозможностью пользователя самостоятельно проводить калибровку сканера микроскопа без дополнительного использования специального калибровочного эталона.

Технической задачей изобретения является создание СЗМ с повышенной информативностью, простотой и удобством в работе.

Указанный технический результат достигается тем, что известный СЗМ, включающий систему видеонаблюдения, держатель образца, сканер, зонд, держатель зонда и систему для перемещений держателя образца, дополнительно содержит, закрепленные с возможностью ориентации в пространстве, источник светового потока, отражательный элемент и оптический делительный элемент как пропускающий, так и отражающий часть светового потока, идущего от источника, причем держатель образца расположен на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом, а отражательный элемент - на пути второго потока света таким образом, чтобы ход световых потоков, отраженных от поверхности отражательного элемента и от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающих на них световых потоков, и после дальнейшего отражения одного отраженного светового потока от делительного элемента и прохождения второго отраженного светового потока через делительный элемент каждый из них был направлен в систему видеонаблюдения.

Указанный технический результат может быть реализован с помощью различных технических приемов.

От известного СЗМ предлагаемый микроскоп может отличаться тем, что в нем держатель образца расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения. Данное техническое решение схематически показано на Фиг.2, на которой цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - держатель зонда, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - сканер, цифрой 5 - система для перемещений держателя образца, цифрой 6 - система видеонаблюдения, цифрой 7 - станина СЗМ, цифрой 8 - головка СЗМ, цифрой 9 - штатив для закрепления системы видеонаблюдения, цифрой 11 - источник светового потока, цифрой 12 - отражательный элемент, цифрой 13 - оптический делительный элемент. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 10.

От известного СЗМ предлагаемый микроскоп может отличаться тем, что в нем держатель образца расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения. Данное техническое решение схематически показано на Фиг.3, на которой цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - держатель зонда, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - сканер, цифрой 5 - система для перемещений держателя образца, цифрой 6 - система видеонаблюдения, цифрой 7 - станина СЗМ, цифрой 8 - головка СЗМ, цифрой 9 - штатив для закрепления системы видеонаблюдения, цифрой 11 - источник светового потока, цифрой 12 - отражательный элемент, цифрой 13 - оптический делительный элемент. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 10.

От известного СЗМ предлагаемый микроскоп может отличаться тем, что в нем держатель образца расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения. Данное техническое решение схематически показано на Фиг.4, на которой цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - держатель зонда, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - сканер, цифрой 5 - система для перемещений держателя образца, цифрой 6 - система видеонаблюдения, цифрой 7 - станина СЗМ, цифрой 8 - головка СЗМ, цифрой 9 - штатив для закрепления системы видеонаблюдения, цифрой 11 - источник светового потока, цифрой 12 - отражательный элемент, цифрой 13 - оптический делительный элемент. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 10.

От известного СЗМ предлагаемый микроскоп может отличаться тем, что в нем держатель образца расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения. Данное техническое решение схематически показано на Фиг.5, на которой цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - держатель зонда, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - сканер, цифрой 5 - система для перемещений держателя образца, цифрой 6 - система видеонаблюдения, цифрой 7 - станина СЗМ, цифрой 8 - головка СЗМ, цифрой 9 - штатив для закрепления системы видеонаблюдения, цифрой 11 - источник светового потока, цифрой 12 - отражательный элемент, цифрой 13 - оптический делительный элемент. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 10.

От известного СЗМ предлагаемый микроскоп может отличаться тем, что в нем держатель образца и зонд расположены на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом, таким образом, чтобы световой поток отражался как от держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, так и от поверхности зонда. Для реализации данного технического решения используют достаточно широкий световой поток, чтобы его одна часть отражалась от держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, а другая часть от поверхности зонда. Конкретные варианты реализации данного технического решения схематически показаны на Фиг.6, 7, 8, 9, на каждой из которых цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - держатель зонда, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - сканер, цифрой 5 - система для перемещений держателя образца, цифрой 6 - система видеонаблюдения, цифрой 7 - станина СЗМ, цифрой 8 - головка СЗМ, цифрой 9 - штатив для закрепления системы видеонаблюдения, цифрой 11 - источник светового потока, цифрой 12 - отражательный элемент, цифрой 13 - оптический делительный элемент. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 10.

В предлагаемом техническом решении можно использовать различные системы видеонаблюдения, которые могут состоять, например, из прибора с зарядовой связью (ПЗС-матрицы), фотопластинки, экрана, камеры, дополнительно содержащих оптический микроскоп, систему линз и т.д.

В предлагаемом техническом решении можно использовать различные держатели образца, например магнитный, механический, держатель на липкой основе и т.д. Держатели образца могут быть закреплены как жестко, так и с возможностью ориентации в пространстве, достигаемой за счет использования, например, шарового шарнира, системы цилиндрических шарниров, пластичного крепления, винтов, их комбинации и т.д. При реализации предлагаемого технического решения предпочтительно использовать держатели образца, закрепленные с возможностью ориентации в пространстве. Ориентирование держателя образца можно использовать при настройке СЗМ для наблюдения интерференционной картины необходимой области поверхности образца, в процессе работы СЗМ ориентация держателя образца остается неизменной.

В предлагаемом техническом решении можно использовать сканеры различного принципа действия, например механический, трубчатый пьезосканер, биморфный пьезосканер и т.д.

Система для перемещений держателя образца может быть выполнена на основе механических редукторов перемещений, винтов, шаговых электродвигателей, шаговых пьезодвигателей и т.д.

Зонд СЗМ может быть выполнен из кремния, алмаза, углерода, сплава никеля с кадмием в виде иглы, трубки, кристалла и т.д.

В предлагаемом техническом решении можно использовать различные держатели зонда, например механический, держатель на липкой основе, магнитный и т.д.

Позиционирование зонда в необходимую область поверхности образца можно проводить как вручную, так и в автоматическом режиме с наблюдением относительного положения зонда и поверхности образца в системе видеонаблюдения или органолиптически.

В качестве источника светового потока могут быть использованы, например, полупроводниковые или газовые лазеры, лампы накаливания, светодиоды и т.д. Световой поток от источника до попадания на оптический делительный элемент может проходить различные оптические пути, например непосредственно попадать на оптический делительный элемент либо изменять направление при отражении от зеркал или с помощью призм, собираться или рассеиваться при помощи линз и т.д. Также до попадания на оптический делительный элемент световой поток от источника может претерпевать различные спектральные изменения.

Для разделения потока света на когерентные потоки и сведения их вместе можно использовать различные интерференционные схемы, например Миро, Майкельсона, Линника и т.д.

Разделять поток света на два когерентных потока света можно с

помощью оптического делительного элемента, в качестве которого могут быть использованы, например, делительный кубик, плоская стеклянная пластина, стеклянный клин и т.д. Обязательным условием их использования является то, что они должны как пропускать, так и отражать часть падающего на них светового потока. Если они только отражают или только пропускают весь падающий на них световой поток, то они не могут быть использованы в данном изобретении. Обязательным условием является разделение потока света от источника светового потока именно на два когерентных потока света, если эти потоки некогерентны, то они не могут быть использованы в данном изобретении.

В качестве отражательного элемента можно использовать, например, зеркало, отражательную стеклянную пластину, уголковый отражатель и т.д. В предлагаемом техническом решении отражательный элемент может отражать падающий на него световой поток как полностью, так и частично.

Световые потоки, сведенные вместе, могут быть направлены в систему видеонаблюдения СЗМ или дополнительную систему видеонаблюдения. Дополнительная система видеонаблюдения может состоять из ПЗС-матрицы, фотопластинки, экрана, камеры, дополнительно содержащих оптический микроскоп, систему линз и т.д.

Дополнительное использование источника светового потока - разделение потока света на два когерентных потока света, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе и направляются в систему видеонаблюдения микроскопа или дополнительную систему видеонаблюдения, причем при калибровке сканера один из световых потоков претерпевает отражение от поверхности образца и/или зонда, а при позиционировании зонда световой поток претерпевает отражение от поверхности образца, позволяет наблюдать в системе видеонаблюдения СЗМ или дополнительной системе видеонаблюдения помимо оптического изображения поверхности образца также интерференционную картину. Наблюдаемая интерференционная картина определяется рельефом поверхности. Так, если поверхность исследуемого образца представляет собой идеальную плоскость, то в случае перпендикулярной ориентации поверхности образца к падающему потоку света интерференционная картина будет иметь одинаковую интенсивность во всех точках. Если поверхность образца имеет небольшие отклонения от перпендикулярной ориентации к падающему потоку света, то интерференционная картина будет иметь вид равноудаленных друг от друга интерференционных полос, причем чем больше отклонение, тем уже полосы и тем ближе их расположение друг к другу. Таким образом, для позиционирования зонда в область образца с необходимым углом наклона необходимо позиционировать зонд в область образца с соответствующей шириной полос и расстоянием между ними. Интерференционная картина, образованная вершиной или впадиной, представляет собой область концентрации полос, причем чем глубже впадина или выше вершина, тем большее число концентрических полос укладывается в области сгущения (концентрации). Таким образом, для позиционирования зонда в вершину или впадину исследуемого образца необходимо позиционировать зонд в центр области сгущения интерференционных полос. Для того чтобы определить направление наклона участка поверхности образца производят вертикальное перемещение образца вверх или вниз, тогда при перемещении образца вверх полосы на интерференционной картине смещаются в область меньшей высоты, а при перемещении образца вниз полосы на интерференционной картине смещаются в область большей высоты. Аналогичным образом различают вершины и впадины на интерференционной картине. Так, при перемещении образца вверх полосы на интерференционной картине, образованные вершиной, движутся от центра их сгущения, а образованные впадиной - к центру сгущения. При перемещении образца вниз полосы на интерференционной картине, образованные вершиной, движутся к центру их сгущения, а образованные впадиной - от центра.

Обработку интерференционной картины можно осуществлять с помощью программного обеспечения либо органолептически.

Калибровку сканера СЗМ можно производить на основании сопоставления величины вертикального перемещения образца с помощью сканера с величиной, полученной на основании обработки изменения интерференционной картины при перемещении.

Для настройки СЗМ калибровку сканера СЗМ и позиционирование зонда можно производить как совместно, так и отдельно друг от друга.

В предлагаемом техническом решении источник светового потока, отражательный элемент и оптический делительный элемент должны быть закреплены с возможностью ориентации в пространстве, достигаемой за счет использования шарового шарнира, системы цилиндрических шарниров, пластичного крепления, винтов, их комбинации и т.д. Ориентирование вышеуказанных элементов используют при настройке СЗМ. Ориентация источника светового потока, отражательного элемента и оптического делительного элемента в процессе работы остается неизменной.

В СЗМ сканирование можно осуществлять двумя различными способами. В первом случае с помощью сканера зонд перемещают относительно неподвижного образа, закрепленного в держателе. Во втором случае сканирование производят при перемещении держателя с закрепленным образцом относительно неподвижного зонда. При реализации предлагаемого технического решения предпочтительно использовать сканирование подвижным зондом относительно неподвижного образца. Таким образом, подвижным элементом в процессе работы предлагаемого устройства является сканер, перемещающий зонд или держатель образца.

Наблюдение поверхности образца и зонда в системе видеонаблюдения может быть как по нормали к поверхности, так и под углом к поверхности образца.

Предлагаемое техническое решение дает возможность наблюдать топографию поверхности исследуемого образца на двух пространственных и временных масштабах. С помощью зонда СЗМ возможно производить исследование топографии поверхности с большим увеличением и с низкой скоростью получения кадров, а с помощью обработки интерференционной картины, наблюдаемой в систему видеонаблюдения, можно исследовать топографию поверхности с меньшим увеличением и с большой скоростью получения кадров.

Особенностями исследования рельефа поверхностей с помощью зонда являются атомное разрешение по горизонтали и по вертикали, достаточно длительное время получения изображения поверхности (порядка нескольких минут), а также то, что при сканировании зонд СЗМ может влиять на процессы, происходящие на поверхности.

Особенностями исследования рельефа поверхностей с помощью обработки интерференционной картины, наблюдаемой при помощи системы видеонаблюдения, являются нанометровое разрешение по вертикали и разрешение в сотни нанометров по горизонтали, короткое время получения изображения поверхности (доли секунды), а также то, что влияние интерферометра на исследуемую поверхность мало.

Преимущества предлагаемого способа и предлагаемого СЗМ иллюстрирует следующий пример.

Пример 1

В опыте используют СЗМ, общий вид которого схематически представлен на Фиг.10, на которой цифрой 1 обозначен кремниевый зонд в форме иглы, цифрой 2 - механический держатель зонда, цифрой 4 - трубчатый пьезосканер, обеспечивающий перемещение магнитного держателя образца (цифра 3) относительно зонда. Цифрой 5 обозначена система для перемещений держателя образца на основе винтов и шагового электродвигателя, цифрой 6 - система видеонаблюдения микроскопа, цифрой 7 обозначена станина СЗМ, цифрой 8 - головка СЗМ на базе атомно-силового микроскопа, цифрой 9 - штатив для закрепления системы видеонаблюдения.

Головка СЗМ на базе атомно-силового микроскопа содержит источник светового потока на основе лазера марки HLDPM12-655-3 (цифра 11), оптический делительный элемент (цифра 13), в качестве которого используют плоскопараллельную пластину, отражательный элемент (цифра 12), в качестве которого используют зеркало полного отражения компании ЛОМО. Цифрой 14 обозначен блок электроники, управляющий работой механической части СЗМ.

Возможность ориентации в пространстве отражательного элемента и лазера обеспечивают с помощью сферических шарниров, регулируемых с помощью винтов. Возможность ориентации в пространстве оптического делительного элемента осуществляют с помощью держателя делительного элемента, способного вращаться на 360° вокруг фиксированной оси вращения и винта, позволяющего изменять пространственную ориентацию делительного элемента относительно вышеуказанной оси вращения. Кроме того, головка СЗМ содержит зонд, держатель зонда, систему регистрации положений зонда, состоящую из дополнительного лазера марки LDM-5, оптической призмы, зеркал и системы фотодиодов.

На держатель образца, закрепленный с возможностью ориентации в пространстве, помещают исследуемый объект (цифра 10), в качестве которого используют кристаллы NaCl. Систему видеонаблюдения с помощью объектива настраивают таким образом, чтобы цифровой микроскоп формировал на экране компьютера изображение поверхности исследуемого образца с увеличением 80 раз. Включают лазер HLDPM12-655-3 и с помощью поворотных винтов направляют световой поток от лазера на оптический делительный элемент. С помощью винта держатель делительного элемента настраивают так, чтобы световой поток, прошедший через делительный элемент, попадал на отражательный элемент (зеркало), а световой поток, отраженный от делительного элемента, попадал на образец. С помощью поворотных винтов держатель образца ориентируют так, чтобы после отражения от одной из граней кристалла ход отраженного светового потока совпадал с ходом падающего на нее светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в объектив системы видеонаблюдения. Затем с помощью винтов зеркало ориентируют так, чтобы отраженный от него световой поток возвращался по пути падающего светового потока и при дальнейшем отражении от делительного элемента также попадал в объектив системы видеонаблюдения.

Настроенная таким образом оптическая часть СЗМ разделяет поток света на два когерентных потока света, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе и направляются в систему видеонаблюдения микроскопа, причем при калибровке сканера один из световых потоков претерпевает отражение от поверхности образца и/или зонда, а при позиционировании зонда световой поток претерпевает отражение от поверхности образца, что позволяет помимо оптического изображения исследуемых кристаллов NaCl также наблюдать интерференционную картину, обусловленную рельефом поверхности кристаллов. Это дает возможность определять особенности рельефа образца, например регистрировать вершины кристаллов, впадины на их поверхности и углы наклона граней кристаллов, а также описать топографию поверхности всего образца. Например, плоская поверхность кристалла на интерференционной картине выглядит как равноудаленные друг от друга интерференционные полосы. По расстояниям между полосами и их толщине определяют угол наклона участка поверхности кристалла. Затем включают блок электроники, производят вертикальное перемещение кристалла вверх, полосы на интерференционной картине смещаются в область меньшей высоты, по смещению полос определяют направление наклона участка поверхности кристалла. Вершины и впадины крислалла NaCl выглядят как центры областей концентрации интерференционных полос, причем чем глубже впадина или выше вершина, тем большее число концентрических полос укладывается в области сгущения (концентрации). Для определения областей сгущения полос, соответствующих вершинам или впадинам, производят вертикальное перемещение образца верх. В областях, соответствующих вершинам, наблюдают движение полос от центра, а во впадинах - движение к центру. После этого настраивают систему регистрации положений зонда и точно позиционируют зонд в интересующую область поверхности образца, например вершину, впадину или участок поверхности образца с наклоном.

Для калибровки сканера СЗМ производят вертикальное перемещение образца с помощью сканера и сопоставляют величину перемещения с величиной, рассчитанной по изменению интерференционной картины изображения. После такой процедуры сканер СЗМ становится прокалиброванным, а настройка микроскопа считается законченной.

Исследование топографии поверхности позволяет получать атомное разрешение по горизонтали и по вертикали, время для получения изображения занимает 3 мин. Интервал возможных исследуемых зондом площадей составляет от 1 нм² до 100 мкм² .

Обработка интерференционной картины, наблюдаемой при помощи системы видеонаблюдения, позволяет получать нанометровое разрешение по вертикали и разрешение в сотни нанометров по горизонтали, время получения изображения составляет 1/15 с. Размер кадра интерференционной картины составляет 400×600 мкм².

Таким образом, предложенный способ настройки является существенно более простым и удобным по сравнению с известным способом настройки СЗМ. Проведенная настройка СЗМ оказывается более простой и удобной по сравнению с известной, поскольку позволяет устранить неудобства в работе СЗМ, связанные с использованием специального калибровочного эталона при калибровке сканера. Также проведенная настройка СЗМ устраняет неудобство в работе с СЗМ, обусловленное невозможностью точного позиционирования зонда микроскопа в необходимую область поверхности образца, например вершину, впадину или участок поверхности образца с наклоном.

В части, касающейся устройства (микроскопа), из примера видно, что предлагаемый СЗМ обладает повышенной информативностью, обусловленной возможностью определять угол наклона в интересующих исследователя точках поверхности образца, а также возможностью наблюдать топографию поверхности исследуемого образца на двух пространственных и временных масштабах. Также предлагаемый СЗМ обладает простотой и удобством в работе, связанными с возможностью точного позиционирования зонда микроскопа в необходимую область поверхности образца, например вершину, впадину или участок поверхности образца с наклоном, а также возможностью пользователя самостоятельно проводить калибровку сканера микроскопа без дополнительного использования специального калибровочного эталона.

Пример 2

В опыте используют СЗМ, общий вид которого схематически представлен на Фиг.11, на которой цифрой 1 обозначен кремниевый зонд в форме иглы, цифрой 2 - механический держатель зонда, цифрой 4 - трубчатый пьезосканер, обеспечивающий перемещение магнитного держателя образца (цифра 3) относительно зонда. Цифрой 5 обозначена система для перемещений держателя образца на основе винтов и шагового электродвигателя, цифрой 6 - система видеонаблюдения микроскопа, цифрой 7 обозначена станина СЗМ, цифрой 8 - головка СЗМ на базе атомно-силового микроскопа, цифрой 9 - штатив для закрепления системы видеонаблюдения.

Головка СЗМ на базе атомно-силового микроскопа содержит источник светового потока на основе лазера марки HLDPM12-655-3 (цифра 11), оптический делительный элемент (цифра 13), в качестве которого используют плоскопараллельную пластину, отражательный элемент (цифра 12), в качестве которого используют зеркало полного отражения компании ЛОМО. Цифрой 14 обозначен блок электроники, управляющий работой механической части СЗМ. Цифрой 10 обозначен исследуемый объект, в качестве которого используют кристаллы NaCl.

Отличие опыта от описанного в примере 1 состоит в использовании дополнительной системы видеонаблюдения (цифра 15) для наблюдения интерференционной картины. Т.е. калибровку сканера и/или позиционирование зонда проводят на основании интерференционной картины, полученной путем дополнительного использования источника светового потока и разделения потока света на два когерентных потока света, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе и направляются в дополнительную систему видеонаблюдения, причем при калибровке сканера один из световых потоков претерпевает отражение от поверхности образца и/или зонда, а при позиционировании зонда световой поток претерпевает отражение от поверхности образца. В остальном, опыт проводится аналогично опыту, описанному в примере 1.

Таким образом, предложенный способ настройки также является существенно более простым и удобным по сравнению с известным способом настройки СЗМ. Проведенная настройка СЗМ оказывается более простой и удобной по сравнению с известной, поскольку позволяет устранить неудобства в работе СЗМ, связанные с использованием специального калибровочного эталона при калибровке сканера. Проведенная настройка СЗМ также устраняет неудобство в работе с СЗМ, обусловленное невозможностью точного позиционирования зонда микроскопа в необходимую область поверхности образца, например вершину, впадину или участок поверхности образца с наклоном.

Были проведены независимые эксперименты, которые показали, что в части, касающейся способа настройки СЗМ, цель изобретения может быть достигнута только тогда, когда калибровку сканера и/или позиционирование зонда проводят на основании интерференционной картины, полученной путем дополнительного использования источника светового потока и разделения потока света на два когерентных потока света, которые проходят различные оптические пути, а затем обязательно сводятся вместе и направляются в систему видеонаблюдения микроскопа или дополнительную систему видеонаблюдения, причем при калибровке сканера один из световых потоков обязательно претерпевает отражение от поверхности образца и/или зонда, а при позиционировании зонда световой поток обязательно претерпевает отражение от поверхности образца.

В части, касающейся устройства (микроскопа), были проведены независимые эксперименты, которые также показали, что цель изобретения не может быть достигнута, если из предлагаемого технического решения будет исключен хотя бы один из признаков, включенных в отличительную часть формулы изобретения, а именно наличие в предложенном техническом решении источника светового потока, отражательного элемента и оптического делительного элемента как пропускающего, так и отражающего часть светового потока. При этом цель изобретения не достигается, если оптический делительный элемент только отражает или только пропускает весь падающий на него световой поток. Также цель изобретения не достигается в случае, когда источник светового потока, отражательный элемент и оптический делительный элемент, или хотя бы один из них, закреплены без возможности ориентации в пространстве. Дополнительные проведенные эксперименты показали, что для достижения цели изобретения держатель образца обязательно должен быть расположен на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом, а отражательный элемент обязательно должен быть расположен на пути второго потока света. Также было показано, что их взаимное расположение должно быть таким, чтобы ход световых потоков, отраженных от поверхности отражательного элемента и поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, обязательно совпадал с ходом падающих на них световых потоков, и после дальнейшего отражения одного отраженного светового потока от делительного элемента и прохождения второго отраженного светового потока через делительный элемент каждый из них обязательно был направлен в систему видеонаблюдения.