Многозондовый модуль для сканирующего микроскопа

Многозондовый модуль для сканирующего микроскопа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно, к устройствам, обеспечивающим наблюдение, измерение и модификацию поверхности объектов.

Известен кантилевер для сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), содержащий основание, к которому прикреплены несколько балок с иглами, причем балки выполнены разной длины и закреплены на одном краю основания или по краю отверстия, расположенного внутри основания с отрицательными значениями угла между собой [1].

Основным недостатком такого устройства является длительность и сложность процедуры замены кантилевера в случае затупления или поломки зондов, или в случае проведения других измерений, например электромагнитных сил, в той же области образца. Такая процедура требует снятия измерительной головки и ручной установки нового кантилевера. Кроме этого, возникают проблемы попадания зондов кантилевера в одну и ту же область сканирования на образце.

Известен также многозондовый модуль для сканирующего микроскопа, содержащий кассету с зондами, сопряженную с приводом вращения, закрепленным на основании [2].

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Первый недостаток этого устройства заключается в том, что кассета закреплена непосредственно на вращающемся элементе, в частном случае - приводе вращения, а это затрудняет размещение его на пьезосканере, что сужает функциональные возможности устройства.

Второй недостаток этого устройства заключается в использовании в этом устройстве кантилеверов с оптической системой регистрации. Это также сужает функциональные возможности использования данного устройства, из-за невозможности его использования, например, в криостатах.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в многозондовый модуль для сканирующего микроскопа, содержащий кассету с зондами, сопряженную с приводом вращения, закрепленным на основании, введен трубчатый пьезосканер, одним концом закрепленный на основании и содержащий фланец, при этом кассета выполнена в виде набора кронштейнов с зондами, установленных на первом фланце с возможностью подвижек относительно него и взаимодействия с толкателем, сопряженным с приводом вращения, а зонды выполнены в виде кварцевых резонаторов с остриями.

Существуют варианты, в которых кронштейны установлены на фланце посредством плоских пружин, либо через шарниры.

Существуют также варианты, в которых толкатель выполнен в виде упора, установленного в обойме, с возможностью взаимодействия с кронштейнами и фланцем, при этом обойма расположена с возможностью вращения относительно фланца, либо толкатель выполнен в виде первой платформы с тремя опорами, первые концы которых сопряжены с фланцем, а вторые концы расположены с возможностью взаимодействия с кронштейнами, при этом формы профилей вторых концов опор от края до середины изменяются по закону у=1/х².

Существует также вариант, в котором толкатель выполнен в виде второй платформы с тремя роликами, расположенными с возможностью взаимодействия с фланцем и кронштейнами и установленными на второй платформе с возможностью вращения.

Возможен вариант, в котором толкатель сопряжен с приводом вращения с возможностью размыкания с ним.

Возможен также вариант, в котором на фланце закреплен контактный элемент, а кварцевые резонаторы расположены с возможностью взаимодействия с ним электрическими выводами.

На фиг.1 изображен многозондовый модуль для сканирующего микроскопа.

На фиг.2 изображен вариант закрепления кронштейна на фланце.

На фиг.3 - первый вариант изготовления толкателя.

На фиг.4 - второй вариант изготовления толкателя.

На фиг.5 изображено рабочее положение зонда.

На фиг.6 изображен многозондовый модуль в составе СЗМ.

Многозондовый модуль для сканирующего микроскопа содержит трубчатый пьезосканер 1, состоящий из первой пьезотрубки 2, закрепленной первым концом 3 на базовом элементе 4. Второй конец 5 первой пьезотрубки 2 посредством переходника 6 соединен с первым концом 7 второй пьезотрубки 8, на втором конце 9 которой закреплен фланец 10. На фланце 10 установлена кассета 11 с зондами 12, состоящая из набора кронштейнов 13, в которых эти зонды могут быть закреплены посредством клея.

Зонды 12 выполнены в виде кварцевых резонаторов с остриями 14. В одном из вариантов кронштейны 13 установлены на фланце 10 посредством плоских пружин 15. Плоские пружины 15 закреплены на кронштейнах 13 винтами 16 через первые прокладки 17, а на фланце 10 винтами 18 через вторые прокладки 19. Одновременно на фланце 10 посредством винтов 18 установлены стойки 20, на которых закреплен контактный элемент 21 с контактными площадками (не показаны). Кварцевые резонаторы 12 установлены таким образом, что возможно осуществление электрического соединения их выводов 22 с контактными площадками элемента 21.

На фланце 10 установлен также толкатель 23, выполненный, например, в виде обоймы 24 с упором 25. При этом первый упор 25 (например, шар) расположен в отверстии 26 с возможностью вращения обоймы 24, которая установлена во фланце 10 и сопряжена с приводом вращения 27, закрепленным на основании 28. Это сопряжение осуществлено посредством захвата 29, расположенного с возможностью взаимодействия со шлицом 30, выполненным в переходнике 31, соединенном со штоком 32 привода 27. В основании 28 может быть установлена направляющая 33 с возможностью взаимодействия с переходником 31. При этом направляющая 33 может быть закреплена в основании 28 посредством своих буртиков 34 и через упругий элемент 35, который может быть поджат приводом 27.

Базовый элемент 4 может быть соединен с основанием 28 посредством стоек 36.

Следует заметить, что в частном случае сканер может состоять из одной пьезотрубки (не показано).

В одном из вариантов кронштейн 37 (фиг.2) установлен на фланце 10 (шарнирно), посредством оси 38 и захвата 39. При этом на фланце 10 может быть закреплена пружина 40 с возможностью взаимодействия с кронштейном 37 и поджатия его к обойме 24.

Существует вариант, в котором толкатель выполнен в виде первой платформы 41 (фиг.3) с тремя опорами 42, первые концы 43 которых сопряжены с фланцем 10, а вторые 44 расположены с возможностью взаимодействия с кронштейнами 13 (37). При этом формы профилей вторых концов 44 от края до середины могут измеряться по закону у=1/х².

Существует также вариант выполнения толкателя, в котором во второй платформе 45 (фиг.4) установлены три ролика 47 с возможностью вращения и взаимодействия с фланцем 10 и кронштейнами 13 (37) (Запорные кольца для невыпадения роликов не показаны).

Многозондовый модуль 48 (фиг.6) в составе СЗМ 49 может быть установлен на блок предварительного совмещения 50 и сопряжен кассетой с зондами 51 с объектом измерения 52.

Пьезосканер, кварцевые резонаторы (посредством контактного элемента) и привод вращения подключены к блоку управления СЗМ (отдельно не показан).

Устройство работает следующим образом. Вращая обойму 24 (фиг.1), приводом 27 поднимают один из кронштейнов 10 упором таким образом, что острие 14 оказывается выше уровня остальных острий (см. также фиг.5). При этом выводы 22 кварцевых резонаторов 12 касаются контактных площадок элемента 21. От блока управления СЗМ подают переменное напряжение на вводы 22 кварцевых резонаторов 12, возбуждая их на собственной частоте. После этого осуществляют сближение острия 14 с объектом. После сближения производят сканирование поверхности объекта 52. Подробнее работу кварцевых резонаторов в качестве зондов сканирующих микроскопов см. в [3, 4].

После завершения работы одним зондом, например после выхода его из строя, осуществляют отвод объекта 52 от острия 14. Далее вращают обойму 24 и поднимают следующее острие, после чего процесс повторяют.

Выполнение кассеты в виде набора кронштейнов с кварцевыми резонаторами с остриями, установленной на фланце пьезосканера, расширяет функциональные возможности устройства.

Использование плоских пружин упрощает конструкцию, а использование шарниров делает ее более надежной за счет возможности ее использования в высокотехнологических системах, таких как криокамеры, высоковакуумные камеры и т.п.

Использование упора в обойме упрощает конструкцию, а применение платформы с тремя опорами, а также в виде трех роликов повышает точность положения острия.

Описанные эффекты расширяют функциональные возможности устройства.

Сопряжение толкателя с приводом вращения с возможностью размыкания с ним уменьшает механическое влияние привода при сканировании.

Использование контактного элемента позволяет минимизировать количество проводящих проводов и также уменьшает их механическое влияние при сканировании.

Уменьшение механических влияний повышает разрешение устройства.

Источники информации

1. Патент RU 2124251, 1998.

2. Патент RU 2244256, 2005.

3. Патент RU 2008763, 2003.

4. Патент RU 2251071, 2005.

1. Многозондовый модуль для сканирующего микроскопа, содержащий кассету с зондами, сопряженную с приводом вращения, закрепленным на основании, отличающийся тем, что в него введен трубчатый пьезосканер, одним концом закрепленный на основании и содержащий фланец, при этом кассета выполнена в виде набора кронштейнов с зондами, установленных на фланце с возможностью подвижек относительно него и взаимодействия с толкателем, сопряженным с приводом вращения, а зонды выполнены в виде кварцевых резонаторов с остриями.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кронштейны установлены на фланце посредством плоских пружин.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кронштейны установлены на фланце посредством шарниров.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толкатель выполнен в виде упора, установленного в обойме, с возможностью взаимодействия с кронштейнами и фланцем, при этом обойма расположена с возможностью вращения относительно фланца.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толкатель выполнен в виде первой платформы с тремя опорами, первые концы которых сопряжены с фланцем, а вторые концы расположены с возможностью взаимодействия с кронштейнами.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что формы профилей вторых концов опор от края до середины изменяются по закону у=1/х².

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толкатель выполнен в виде второй платформы с тремя роликами, расположенными с возможностью взаимодействия с фланцем и кронштейнами и установленными на второй платформе с возможностью вращения.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толкатель сопряжен с приводом вращения с возможностью размыкания с ним.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на фланце закреплен контактный элемент, а кварцевые резонаторы расположены с возможностью взаимодействия с ним электрическими выводами.