СКАНЕР ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫЙ Российский патент 2001 года по МПК G12B21/20 

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим сканирование образца относительно зонда в широком диапазоне температур.

Известен термокомпенсированный сканер, содержащий X, Y,Z сканирующий пьезоэлемент с держателем носителя объекта, соединенный с симметрично расположенным набором пьезоэлементов, которые в свою очередь подсоединены к основанию [1].

Недостатки указанного устройства заключаются в том, что невозможно проводить активную термокомпенсацию, что снижает разрешающую способность и функциональные возможности. Второй недостаток заключается в отсутствии демпфирующих элементов, что снижает разрешающую способность. Третий недостаток заключается в подсоединении гибких теплопроводов к сканирующим частям сканера. Это усложняет конструкцию, снижает надежность, разрешающую способность и теплоотвод.

Известен также пьезосканер (в дальнейшем сканер), содержащий сканирующий пьезоэлемент с держателем носителя объекта, закрепленный на фланце, который соединен с компенсатором термодрейфа, установленным на держателе, соединенным с зондом, при этом зонд, компенсатор дрейфа и сканирующий пьезоэлемент подключены к основной и дополнительной следящей системе [2].

Недостатки указанного устройства заключаются в несимметричности конструкции, что приводит к боковым термодрейфам и снижению разрешающей способности и функциональных возможностей. Второй недостаток заключается в отсутствии демпфирующих элементов, что снижает разрешающую способность. Третий недостаток заключается в отсутствии активного теплоотвода, что также ухудшает разрешающую способность.

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

Это достигается тем, что в термокомпенсированный сканер, содержащий сканирующий пьезоэлемент с держателем носителя объекта, компенсатор термодрейфа, зонд, основную и дополнительную следящие системы, введен нагреватель, две термопары, упругое разделительное кольцо, кольцо с хладопроводом, первый и второй теплоносители, термокомпенсатор выполнен в виде компенсирующего элемента и соединен с кольцом и фланцем соответственно с противоположенных концов, кольцо соединено упруго с держателем объекта, который в свою очередь через упругое соединительное кольцо соединен с фланцем, причем нагреватель установлен на фланце с возможностью взаимодействия с носителем объекта, а термопары: первая - с возможностью взаимодействия с держателем объекта, а вторая - со сканирующим пьезоэлементом, причем хладопровод соединен с криостатом, а первый теплоноситель размещен между держателем объекта и фланцем, а второй теплоноситель - между сканирующим пьезоэлементом и термокомпенсатором.

На чертеже изображен термокомпенсированный пьезосканер.

Термокомпенсированный сканер содержит фланец 1 с нагревателем 2, выводы которого 3 и 4 закреплены через изоляторы 5 посредством планок 6 на фланце 1, на котором закреплены термопара 7. (Вариант закрепления термопары подробно не показан с целью упрощения графических материалов. В простейшем случае два ее вывода могут быть закреплены через изоляторы и планки, аналогично нагревателю 2). Держатель 8 носителя 9 объекта 10 содержит отверстия 11 и 12, в которых соответственно размещены нагреватель 2 и термопара 7. Пружина 13 и упор 14 закреплены на держателе 8. Держатель 8 соединен с фланцем 1 посредством упругого кольца 15 и накладок 16. Внутри держателя 8 расположен неподвижный отражатель 17 и поворотные в разных плоскостях отражатели 18 и 19, изображенные без детализации конструкции. В держателе 8 также закреплена трубка 20 и установлены шарики 21. Термокомпенсатор закреплен на фланце 1 и состоит из трубы 22, компенсирующего элемента 23 и экрана 24. Сканирующий элемент 25 посредством упругого шарнира 26 скреплен с держателем 8 и кольцом 27. Между кольцами 27 и 28 закреплены теплопроводы (хладопроводы) 29 другими кольцами, соединенными посредством кольца 30 с фланцем 1 и далее с криостатом 31. Упругое кольцо 15 разделяет замкнутую полость 32 и открытую полость 33. Внутри полости 32 в зоне края пьезотрубки 25 закреплена термопара 34. Внутри полости 32 расположен теплоноситель 35, а внутри полости 33 - теплоноситель 36. Над объектом 10 установлен зонд, соединенный через кронштейны 38 и 39 и грубый привод 40 с фланцем 1 (изображены условно).

Нагреватель 2 целесообразно выполнять из вольфрамовой проволоки, соединенной с блоком управления медными приводами.

Выводы 3 и 4 располагаются центрально - симметрично на фланце 1.

Термопары 7 и 34 могут быть вольфрам - рениевые. Объект 10 может крепиться к носителю 9 пружинными лапками (не показаны). Закрепление носителя 9 на держателе 8 может быть осуществлено, либо двумя пружинами 13 и одним упором 14, либо одной пружиной 13 и двумя упорами 14.

Упругое кольцо 15 для сверхвысоковакуумного исполнения должно быть выполнено из сверхвысовакуумного витона. Отражатели 17, 18 и 19 целесообразно выполнять из тантала. Профиль отражателя 17 может иметь эллиптическую, сферическую или иную поверхность для оптимального нагрева образца. Экраны 18 и 19 могут иметь, как оперативную возможность изменения угла (винтовой шток с контргайкой), так и установочную. Трубу 20, фланец 1, держатель 8, кольца 27 и 28, шарнир 26 целесообразно выполнять из одного и того же материала с коэффициентом температурного расширения, близким к КТР пьезокерамики пьезоэлемента 2 (например, из титана).

В качестве компенсирующего элемента может быть использован вместо нагревателя (см. [2]), набор пьезоэлементов (см. [3]). Возможно также объединение нагревателя и пьезоэлементов.

Компенсирующий элемент 23, выполненный в виде нагревательного элемента, может быть изготовлен из вольфрамовой проволоки, размещенной в керамических втулках. Экран 24 может быть сделан из тантала, из меди с отражающим покрытием и т.п. Хладопроводы 29 могут быть изготовлены из медной проволоки. Следует заметить, что хладопроводы 29 от кольца 27 могут идти как на фланец 1, так и непосредственно на криостат 31, в простейшем случае состоящим, например, из сосуда с двойными стенками, наполненного жидким азотом. Использование криостата целесообразно для сверхвысоковакуумного исполнения сканера. Для воздушного варианта криостат может иметь более высокую температуру и не обязательно заливаться жидким азотом. В простейшем случае это может быть массивная металлическая болванка. В качестве теплоносителя 35 целесообразно использовать непроводящий материал: стекловолокно, вакуумное масло и т.п. Теплоноситель 36 может быть проводящим: вольфрамовый порошок, тонкая медная проволока и т.п.

Устройство работает следующим образом. На держатель 8 закрепляют носитель 9 с объектом 10. Термопара 7 может быть расположена в отверстии 12 носителя 8, внутри экрана 17 без касания с объектом 10, как на фиг. 1, с касанием объекта 10, с касанием носителя 9. В любом случае термопара 7 должна быть прокалибрована на действительную температуру рабочей поверхности объекта с помощью самостоятельного изменения температуры рабочей поверхности (термопарный измеритель, пирометр и т.д.).

Во время нагрева образца 10 основная следящая система контролирует термодрейф устройства, а дополнительная следящая система, нагревая элемент 23, компенсирует термодрейф.

В случае использования набора пьезоэлементов, управление ими осуществляется универсальный блок 41 (см. [4]).

Отличие блока 41 от следящих систем прототипа заключается в управлении нагревателем и контроле термопарами температуры объектов. Блок управления подробно не описан. В простейшем случае термопары могут быть подключены к тестеру, а нагреватель - к источнику питания, например ЛИПС II-80, и управляется вручную.

Наличие нагревателя и первой термопары позволяет производить нагрев объекта с одновременным измерением температуры, что расширяет функциональные возможности, повышает надежность (в случае аварийного увеличения температуры произойдет остановка нагрева), а также повышает разрешающую способность при конкретной температуре, благодаря постоянному измерению температуры в процессе измерения.

Вторая термопара повышает надежность устройства, так как позволяет останавливать процесс нагрева при достижении критической температуры сканирующего элемента.

При этом, благодаря ее использованию, процесс нагрева объекта может идти до максимально возможной температуры, что расширяет функциональные возможности прибора, а также повышает разрешающую способность, благодаря возможности использования сканирующего элемента в оптимальных тепловых режимах.

Упругое разделительное кольцо позволяет разделить первую и вторую полости, что позволяет использовать в качестве первого теплоносителя проводящий материал, а в качестве второго - непроводящий, что увеличивает теплоотвод от держателя носителя объекта и улучшает термокомпенсацию и соответственно разрешение. При этом повышается также надежность устройства за счет тепловой оптимизации работы сканирующего элемента, а также расширяются функциональные возможности за счет использования пьезоэлементов из различных марок пьезокерамики. Вместе с этим упругое разделительное кольцо в совокупности с первым и вторым теплоносителем изменяет добротность сканирующего элемента, что повышает разрешение прибора.

Наличие хладопровода, соединенного с кольцом и криостатом, позволяет отсечь нефункциональное тепло нагревательного элемента от сканирующего элемента, что улучшает компенсацию термодрейфа и приводит, в свою очередь, к повышению разрешения. Надежность при этом повышается за счет оптимизации тепловых режимов работы сканирующего элемента, а функциональные возможности - за счет использования различных пьезокерамических материалов. Использование в качестве термокомпенсатора набора элементов, способных изменять линейные размеры, позволяет повышать разрешающую способность, расширяет функциональные возможности за счет использования большей номенклатуры материалов объекта с различными коэффициентами термического расширения. Повышение надежности обусловлено уменьшением вероятности нефункционального контакта объекта с зондом. Использование упругого закрепления держателя носителя объекта на сканирующем элементе, а также использование упругого разделительного кольца повышает надежность закрепления держателя и уменьшает добротность сканирующего элемента, что повышает разрешающую способность. Функциональные возможности повышаются при этом за счет использования сканирующих элементов различной толщины.

Трубка 20 позволяет открыть герметичную полость 32 для сверхвысоковакуумного варианта, кроме этого, тонкий внутренний капилляр удлиняет путь диффундирующего масла (в случае его использования), нижний конец трубки масла при этом не касается, что препятствует замасливанию устройства.

Литература
1. К.Н. Ельцов и др. "Сверхвысоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп с измеряемой температурой образца", Зондовая микроскопия - 98. Материалы всероссийского совещания, Нижний Новгород, 1998, с. 112.

2. А.О. Голубок и др. "Сканирующий зондовый микроскоп с активной компенсацией Z дрейфа", Зондовая микроскопия - 98. Материалы всероссийского совещания, Нижний Новгород, 1998, с. 192.

3. Пьезоприводы ППУ-9÷ППУ-14 V/O ELECTRONINTORG.

4. В.А. Быков и др. Сканирующий туннельный микроскоп и головка для него. Патент RU 2069056.

Использование: нанотехнологическое оборудование, устройства, обеспечивающие сканирование образца относительно зонда в широком диапазоне температур. Сущность изобретения заключается в том, что в сканер термокомпенсированный, содержащий фланец, сканирующий пьезоэлемент с держателем носителя объекта, основную и дополнительную следящие системы, введены нагреватель, две термопары, упругое разделительное кольцо, кольцо с хладопроводом, первый и второй теплоносители. Термокомпенсатор выполнен в виде набора пьезоэлементов и соединен с фланцем и кольцом соответственно с противоположных концов, кольцо соединено упруго с держателем носителя объекта, который, в свою очередь, через упругое разделительное кольцо соединен с фланцем, причем нагреватель установлен на фланце с возможностью взаимодействия с носителем объекта, а термопары первая - с возможностью взаимодействия с держателем объекта, а вторая - со сканирующим пьезоэлементом, причем хладопровод соединен с криостатом, первый теплоноситель размещен между держателем объекта и фланцем, а второй теплоноситель - между пьезоэлементом и термокомпенсатором. Техническим результатом изобретения является повышение разрешающей способности измерения, расширение функциональных возможностей и повышение надежности устройства. 1 ил.

Сканер термокомпенсированный, содержащий термокомпенсатор, фланец, сканирующий пьезоэлемент с держателем носителя объекта, основную и дополнительную следящие системы, отличающийся тем, что в него введен нагреватель, две термопары, упругое разделительное кольцо, кольцо с хладопроводом, криостат, первый и второй теплоносители, термокомпенсатор выполнен в виде набора пьезоэлементов и соединен с фланцем и кольцом соответственно с противоположных концов, кольцо соединено упруго с держателем носителя объекта, который, свою очередь, через упругое разделительное кольцо соединен с фланцем, причем нагреватель установлен на фланце с возможностью взаимодействия с носителем объекта, а термопары первая - с возможностью взаимодействия с держателем объекта, а вторая - со сканирующим пьезоэлементом, причем хладопровод соединен с криостатом, а первый теплоноситель размещен между держателем объекта и фланцем, а второй теплоноситель - между пьезоэлементом и термокомпенсатором.