Сверхвысоковакуумный сканирующий зондовый микроскоп

Сверхвысоковакуумный сканирующий зондовый микроскоп

Реферат

 

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию, к устройствам, обеспечивающим наблюдение, измерение и модификацию поверхности объектов в туннельном и атомно-силовом режимах в условиях сверхвысокого вакуума и в широком диапазоне температур. В сверхвысоковакуумном сканирующем зондовом микроскопе, содержащем платформу с объектным блоком, состоящим из первого ловителя, держателя объекта, сопряженного с первым нагревателем и хладопроводом, плиту со сканером и держателем зонда, сопряженную с платформой посредством привода, и систему подвеса, введен фланец, привод выполнен в виде трех четырехсекционных пьезотрубок, закрепленных на платформе и находящихся во взаимодействии посредством опор с направляющими, установленными на плите, и прижима плиты, сканер выполнен в виде пьезотрубки и содержит пружинный многоконтактный ловитель держателя зонда, система подвеса состоит из пружин растяжения и магнитного гасителя, состоящего из набора магнитов, и медных пластин и набора магнитов, установленных с возможностью магнитного взаимодействия с магнитами платформы, а объектный блок содержит направляющие с двумя подвижными пластинами, на одной из которых установлен первый ловитель держателя объекта, а на второй - второй ловитель держателя объекта, сопряженный со вторым нагревателем. Подобное выполнение сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа позволяет расширить функциональные возможности, повысить надежность и разрешающую способность устройства. 12 ил.

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим наблюдение, измерение и модификацию поверхности объектов в туннельном режиме в условиях сверхвысокого вакуума и в широком диапазоне температур.

Известен сверхвысоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп STM2000, содержащий фланец, платформу с амортизатором, привод с пьезосканером и держатель объекта [1].

Недостатки указанного устройства заключаются в ограниченных возможностях демпфирования в связи с горизонтальным расположением платформы, сложностью механического привода и несимметричностью конструкции, приводящей к повышенным температурным дрейфам и снижению разрешающей способности.

Известен также сверхвысоковакуумный сканирующий зондовый микроскоп (ССЗМ), содержащий платформу с объектным блоком, состоящим из первого ловителя объекта, сопряженного с нагревателем и хладопроводом, плиту, на которой закреплены привод со сканером, магнитный держатель зонда с зондом и анализатор положения зонда, состоящий из лазера и фотоприемника, оптически сопряженных через зонд, соединенную с платформой посредством привода и систему подвеса, состоящую из элементов сжатия, сопряженную с платформой и установленную в вакуумной камере [2].

Недостатки указанного устройства заключаются в привязке платформы непосредственно к конкретной вакуумной камере, что сужает функциональные возможности устройства. Второй недостаток заключается в выполнении привода и сканера на одних и тех же пьезоэлементах с использованием клинового механизма, что может приводить к сдвигу зонда относительно объекта в процессе сканирования и подвода и снижать разрешающую способность устройства. Использование системы подвеса с элементами сжатия приводит к недостаточной виброизоляции и снижению разрешающей способности. Применение анализатора положения зонда с лазером и фотоприемником усложняет конструкцию, снижает надежность устройства, увеличивает привносимую дефектность и также снижает разрешающую способность. Использование магнитного держателя вносит в зону измерения магнитные поля, что ограничивает функциональные возможности устройства.

Задачей является создание сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа для работы в широком температурном диапазоне.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, повышении надежности и разрешающей способности устройства.

Это достигается тем, что в сверхвысоковакуумный сканирующий зондовый микроскоп, содержащий платформу с объектным блоком, состоящим из первого ловителя объекта, сопряженного с нагревателем и хлодопроводом, плиту со сканером и держателем зонда, сопряженную с платформой посредством привода и систему подвеса, введен фланец, привод выполнен в виде трех четырехсекционных пьезотрубок, закрепленных на платформе и находящихся во взаимодействии посредством опор с направляющими, установленными на плите, и прижима, установленного на платформе с возможностью взаимодействия с плитой, сканер выполнен в виде пьезотрубки и содержит пружинный многоконтактный ловитель держателя зонда, система подвеса состоит из пружин растяжения, закрепленных на фланце с одной стороны и на плите - с другой, и магнитного гасителя, состоящего из набора магнитов, закрепленных на платформе, и медных пластин и набора магнитов, установленных неподвижно относительно фланца с возможностью магнитного взаимодействия с магнитами платформы, а объектный блок содержит направляющие с двумя подвижными пластинами, на одной из которых установлен первый ловитель, а на второй - второй ловитель, сопряженный с нагревателем.

На фиг.1 изображен ССЗМ, вид сбоку.

На фиг.2 - ССЗМ, вид сверху.

На фиг.3 и 4 - прижимы механические (варианты).

На фиг.5 и 6 - прижимы магнитные (варианты) На фиг.7 - пружинный многоконтактный ловитель.

На фиг.8 - первый вариант установки манипулятора.

На фиг.9 - второй вариант установки манипулятора.

На фиг. 10 и 11 - варианты выполнения направляющих.

На фиг. 12 - блок схема СЗМ.

Сверхвысоковакуумный сканирующий зондовый микроскоп (фиг.1) содержит фланец 1, на котором закреплены пружины 2, на которых в свою очередь установлена платформа 3. На платформе 3 посредством фланцев 4 закреплены три четырехсекционные пьезотрубки 5 с опорами 6 (привод), находящимися во взаимодействии с направляющими 7, закрепленными на плите 8. На платформе 3 закреплен прижим 9 (см. ниже), расположенный с возможностью взаимодействия с плитой 8. На плите 8 закреплен кронштейн 10 с пьезосканером 11 и ловителем 12 (см. ниже) держателя 13 зонда 14. На кронштейне 10 и платформе 3 закреплены планки 15 и 16 с контактами 17 соответственно. Проводники 18 соединяют пьезосканер 11 и ловитель 12 с планкой 15, а проводники 19 - планку 15 с планкой 16. На платформе 3 закреплена также планка 20 с контактами 21, соединенными проводниками 22 с пьезотрубками 5. На платформе 3 закреплен экран 23, выполненный, например, из танталовой фольги. На платформе 3 закреплен также пружинный контакт 24, расположенный с возможностью взаимодействия с объектом. На платформе 3 установлены на кварцевых или сапфировых направляющих 25 пластины 26 и 27 (фиг.2). На пластине 26 закреплен тепловой изолятор 28, выполненный, например, из тонкой нержавеющей трубки, с ловителем 29 держателя 30 объекта 31. Для увеличения усилия прижатия держателя 30 ловитель 29 может содержать поджимные пружины или поджимной винт (не показан). Ловитель 29 может также содержать нагреватель (не показан), аналогичный нагревателю прототипа, или нагреватель в виде спирали [3]. Ловитель 29 подсоединен через хладопровод 32 к промежуточной массе 33, подвешенной на пружине 34, которая в свою очередь может быть подсоединена к емкости с хладогентом (не показана). При необходимости к емкости с хладогентом посредством хладопроводов могут быть подсоединены экран 23, тепловой изолятор 28 и платформа 3. На пластине 27 (фиг.2), выполненной, например, из кварца или сапфира, установлен ловитель 35 держателя 36 объекта 37, а также второй нагреватель 38, закрепленный контактами 39 на пластине 27.

Следует заметить, что пластина 27 с расположенными на ней элементами не обязательно должна постоянно располагаться на направляющих 25, как и пластина 26. Для проведения различных экспериментов термопары 40 и 41 могут быть закреплены на пьезосканере 11 и ловителе 29. Термопары могут быть также установлены на экране 23, пьезотрубках 5, платформе 3, пластинах 26, 27 и т. д. (не показаны).

На платформе 3 установлены кассета 42 с держателями 13 зондов 14 и кассета 43 с держателями 30 объектов 31.

На фиг.1 и фиг.2 с целью упрощения изображения способы крепления различных деталей друг к другу не показаны. Это могут быть соединения с использованием винтов с отверстиями, гаек, вакуумных паек и сварок и т.п. На фиг.2 также с целью упрощения изображения планки 16, 20 и контакт 24 не показаны.

Прижим 9 может быть механическим в виде откидывающихся зацепа 44 или пружины 45 (фиг.3, фиг.4). Прижим 9 может также быть магнитным с неподвижным 46 или подвижным 47 магнитами (фиг.5, фиг.6), находящимися во взаимодействии с магнитной плитой 8 или магнитной вставкой (не показана). Магнит может перемещаться также с помощью широкодиапазонного пьезопривода [4]. Пружинный многоконтактный ловитель 12 (фиг.7) может содержать пружинные контакты 48, закрепленные в изоляторах 49. Число этих контактов должно быть необходимым для обеспечения токоподвода к зонду, например в случае использования пьезоэлектрического кантилевера [5] их может быть четыре и более.

Манипулятор 50 [5] может быть закреплен на фланце 1 (фиг.8) с возможностью взаимодействия с поворотной планкой 51, установленной на платформе 3, держателями 13 и 30, кассетами 42 и 43, пластинами 26 и 27, прижимом 9 (зацепом 44, пружиной 45 или магнитом 47) и плитой 8. На фланце 1 может быть установлен зацеп 52 с возможностью взаимодействия с планкой 51 (фиксатор) и упоры 53 (два другие не показаны) с возможностью взаимодействия с платформой 3. Магнитный гаситель состоит из магнитов 54, закрепленных на платформе 3, и медных пластин 55 и магнитов 56, закрепленных неподвижно относительно фланца 1. Магнитные гасители располагаются симметрично по периметру платформы 3 (не показаны). Следует заметить, что манипулятор 50 (фиг.9), фиксатор, выполненный в виде винта 57, упоров 58 и опор 59, медные пластины 55 и магниты 54, 56 могут быть закреплены на технологической вакуумной камере 60, которая не представляет предмета изобретения и подробнее не показана. Выполнение подобной камеры описано в [1], [2].

Упоры 58 и опоры 59 могут располагаться под углом 120^o друг к другу. Магнитные гасители располагаются симметрично по периметру платформы 3. Манипулятор 50 может быть снабжен вилкой, как показано на фиг.8, фиг.9, отверткой, зацепом и т.п. (не показаны).

Направляющие 7 могут быть выполнены в виде трех плоских пластин 61 (фиг. 10) либо в виде двух V-образных пластин 62 (фиг.11) и одной плоской пластины 63. Пьезосканер 11 (фиг.2), ловитель 12, пьезотрубки 5, объекты 31 и 37, широкодиапазонный пьезопривод подключены к блоку управления 64, который не является предметом изобретения и более подробно не показан. Выполнение подобных блоков описано в [7], [8]. Некоторые отличия блоков управления, заключающиеся в необходимости питания различных устройств, например нагревателя, дополнительных секций пьезотрубок или пьезобиморфов и термопар, состоят в снабжении их дополнительными ключами и компараторами. Дополнительные исполнительные или контрольные устройства могут также иметь свои блоки управления. Объект 31 может быть электрически изолирован от держателя 30, например, сапфировой прокладкой (не показана).

Устройство работает следующим образом. Фланец 1 вакуумно плотно закрепляют на технологической вакуумной камере 60, производят ее откачку и обезгаживание. После необходимой пользователю технологической обработки объектов 31 или 37, которая может происходить не обязательно в камере 60, их устанавливают в ловитель 29 или 35 (платформа при этом сориентирована относительно манипулятора 50). После этого осуществляют подвод зонда 14 к объекту 31 или 37 и сканирование его поверхности. Манипулятор 50 позволяет перемещать пластины 26 и 27 по направляющим 25, проводить фиксацию плиты 8 и замену объектов и зондов. Кассеты 42 и 43 могут быть использованы для промежуточного хранения объектов и зондов.

Возможен также режим работы, когда при низкотемпературных измерениях пластина с держателем 36 отсутствует в камере 60, либо при высокотемпературных отсутствует пластина 26 с ловителем 29. Замену пластин осуществляют при этом после развакуумирования. Регулировка температуры низкотемпературного режима может осуществляться посредством нагревания ловителя 29.

Таким образом, модульное выполнение СЗМ расширяет его функциональные возможности. Выполнение привода в виде трех четырехсекционных пьезотрубок расширяет функциональные возможности, повышает надежность и разрешение. Применение системы подвеса с магнитным гасителем улучшают виброизоляцию и разрешающую способность. Использование многоконтактного пружинного ловителя и двухкомпонентного объектного блока расширяет функциональные возможности микроскопа.

Литература.

1. STM2000, Scanning tunnelling for atomic resolution surface studies, VG Microtech. tel. (0825) 761077, telex 957603, fax (0825) 768343.

2. Q. Dai et. al. A variable temperature ultrahigh vacuum atomic force microscope. Rev. Sci. Imstrum. 66 (II), November 1995, p.5266-5271 (прототип).

3. Variable Temperature UHV STM 50K to 1100K. OMIKRON. Instruments for Surface Sciense, tel. (412) 831-2262, fax (412) 831-9828.

4. Авторское свидетельство СССР 1550457, МКИ G 02 B 26/04, 1990 r.

5. S.C. Minne et. al. Parallel atomic force microscopy using cantilevers with integrated piezoresistive sensors and integrated piezoelectronic actuators. Appl. Phys. Zett. 67 (26), 25 December, 1995, P.3918-3920.

6. MMIOO - the universal tools for your UHV-sustem, Terrotec, tel. 4116336519, fax 4116331096.

7. Y.Kuk et.al. Scanning tunneling microscope instrumentation. Rev. Sci. lustrum. 60 (1989). N .20, p. 165-180.

8. W. Gary et.al. The use of a linear piezoelectric actuator for coarce motion in a vacuum conpatible scanning tunneling microscope. J.Vac. Sci, Technol. A 7(4). Jul./Aug. 1989, p.2895- 2897.

Формула изобретения

Сверхвысоковакуумный сканирующий зондовый микроскоп, содержащий платформу с объектным блоком, состоящим из первого ловителя держателя объекта, сопряженного с первым нагревателем и хладопроводом, плиту со сканером и держателем зонда, сопряженную с платформой посредством привода, и систему подвеса, отличающийся тем, что в него введен фланец, вакуумно-плотно закрепляемый на технологической вакуумной камере, привод выполнен в виде трех четырехсекционных пьезотрубок, закрепленных на платформе и находящихся во взаимодействии посредством опор с направляющими, установленными на плите, и прижима плиты, установленного на платформе с возможностью взаимодействия с плитой, сканер выполнен в виде пьезотрубки и содержит пружинный многоконтактный ловитель держателя зонда, система подвеса состоит из пружин растяжения, закрепленных на фланце с одной стороны и на плите с другой, и магнитного гасителя, состоящего из набора магнитов, закрепленных на платформе, и медных пластин и набора магнитов, установленных неподвижно относительно фланца с возможностью магнитного взаимодействия с магнитами платформы, а объектный блок содержит направляющие с двумя подвижными пластинами, на одной из которых установлен первый ловитель держателя объекта, а на второй - второй ловитель держателя объекта, сопряженный со вторым нагревателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12