СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП, СОВМЕЩЕННЫЙ С УСТРОЙСТВОМ МЕХАНИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 2004 года по МПК G12B21/20 G02B21/00 H01J37/28 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) рельефа, линейных размеров и физических характеристик поверхности объектов в режимах сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), атомно-силового микроскопа (АСМ) и близкопольного оптического микроскопа (БОМ). Кроме этого, в предложенном устройстве предусмотрена возможность модификации поверхности объекта.

Известен СЗМ с возможностью модификации поверхности объекта, в котором один или несколько зондов приспособлены для механической модификации поверхности объекта и удаления образующихся при этом частиц модифицируемого материала. Исследование поверхности материала и результатов модификации осуществляется методами СЗМ с использованием тех же или других зондов [1].

Недостатки указанного устройства заключаются в том, что механическая модификация поверхности объекта с помощью зонда приводит к ухудшению качества обработки исследуемой поверхности поверхности. Также предложенный метод модификации поверхности не применим к мягким полимерным или биологическим объектам, что ограничивает функциональные возможности устройства.

Известен также СЗМ с возможностью механической модификации поверхности объекта, один или несколько зондов которого имеют острие в форме лезвия, используемое для разрезания частей исследуемых объектов [2]. Этот СЗМ выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Он имеет следующие недостатки:

1. В связи с тем что в известном устройстве один или несколько зондов СЗМ имеют острие в форме лезвия, невозможно использовать для измерений производимые промышленностью стандартные зонды СЗМ, что ограничивает функциональные возможности устройства.

2. В известном устройстве модификация объектов на поверхности ограничена резом в плоскости, перпендикулярной плоскости поверхности объекта, и перемещением частей объектов по поверхности, что ограничивает возможности модификации поверхности и, соответственно, функциональные возможности устройства.

3. Кроме этого, площадь модифицируемого участка поверхности ограничена областью сканирования СЗМ, что также ограничивает возможности модификации поверхности и фунциональные возможности устройства.

4. Используемые в известном устройстве зонды не позволяют использования режимов СТМ и БОМ для анализа модифицируемой поверхности, что также ограничивает функциональные возможности устройства.

Технический результат настоящего изобретения заключается в расширении функциональных возможностей прибора.

Это достигается тем, что в сканирующем зондовом микроскопе, совмещенном с устройством механической модификации поверхности объекта, содержащим корпус, на котором установлено сканирующее устройство по трем координатам с первым держателем зонда, второй держатель объекта, устройство позиционного перемещения зонда относительно объекта, содержащее первый привод, устройство предварительного сближения первого держателя со вторым держателем и устройство модификации поверхности объекта, устройство модификации поверхности объекта выполнено в виде пуансона, сопряженного со вторым механизмом перемещения второго держателя относительно пуансона по криволинейной замкнутой траектории со смещением на толщину механической модификации, соединенным со вторым приводом, при этом второй механизм также включен в состав устройства позиционного перемещения зонда относительно объекта.

Существуют варианты, в которых второй механизм перемещения второго держателя относительно пуансона выполнен в виде балки, установленной посредством однокоординатного шарнира с линейной направляющей по оси балки на корпусе и сопряженной первым концом со вторым держателем, а вторым концом со вторым приводом, первый держатель, второй держатель и пуансон сопряжены с носителем хладагента, а пуансон выполнен в виде ножа.

Возможен вариант, где в состав устройства предварительного сближения первого держателя со вторым держателем дополнительно включен второй механизм перемещения второго держателя относительно пуансона по криволинейной замкнутой траектории, соединенный со вторым приводом.

Существуют также варианты, где в микроскоп введен первый механизм перемещения пуансона вдоль оси, перпендикулярной плоскости объекта, который может быть устройством предварительного сближения первого держателя со вторым держателем.

Кроме этого, возможно расположение плоскости объекта при измерении под углом, большим 90°, к оси сканирующего устройства по трем координатам.

При более углубленном исследовании поверхности первый держатель и второй держатель могут быть сопряжены с устройством физико-химической модификации объекта, которое может быть выполнено в виде источника электромагнитного излучения, источника плазмы, источника газа или источника пара.

На фиг.1 представлена компоновочная схема сканирующего зондового микроскопа, совмещенного с устройством механической модификации поверхности объекта.

На фиг.2 изображен вариант функциональной схемы устройства механической модификации поверхности объекта.

На фиг.3 изображен вариант расположения объекта при измерении.

Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством механической модификации поверхности объекта, содержит корпус 1 (фиг.1), на котором установлено сканирующее устройство 2 по трем координатам с первым держателем 3 зонда 4. Объект 5 закреплен на втором держателе 6, например, с использованием клея. Сканирующее устройство 2 может передвигаться в плоскости объекта 5 с помощью устройства позиционного перемещения 7. Для подвода зонда 4 к поверхности объекта 5 используется устройство предварительного сближения 8 первого держателя 3 со вторым держателем 6. Устройство модификации поверхности объекта содержит пуансон 9, который может быть соединен с первым механизмом 10 перемещения вдоль оси, перпендикулярной плоскости объекта 5. Кроме этого, пуансон 9 сопряжен со вторым механизмом 11 перемещения второго держателя 6 относительно пуансона 9 по криволинейной замкнутой траектории со смещением на толщину механической модификации. В качестве сканирующего устройства 2 по трем координатам может использоваться трубочный пьезоэлектрической сканер. В качестве зонда 4 может использоваться гибкая балка с заостренной иглой на конце, выполненная, например, из кремния или нитрида кремния (для измерений в режиме атомно-силовой микроскопии), заостренная металлическая игла, выполненная, например, из вольфрама или платино-иридиевого сплава (для измерений в режиме сканирующей тунельной микроскопии), или оптическое волокно с заостренным концом (для измерений в режиме ближнепольной оптической микроскопии). Подробнее устройство СЗМ и его элементов описано в [3, 4]. В качестве объекта 5 может использоваться образец биологического или полимерного материала. Устройство позиционного перемещения 7 может быть выполнено в виде первого привода, однокоординатного или двухкоординатного, состоящего из одного или двух микрометрических винтов с перпендикулярными осями и пружинного прижима, сопряженных с платформой (не показаны). В качестве механизированного варианта может использоваться привод, описанный в [5]. Устройство предварительного сближения 8 может быть выполнено на основе инерционного или шагового двигателя (см., например, [6, 7]). Пуансон 9 может быть изготовлен в виде алмазного или стеклянного ножа. Этот механизм может быть как ручным, так и механизированным. Ручной может состоять из передачи винт-гайка, а механизированный быть выполнен на основе шагового двигателя с управлением от внешнего блока (не показан). Второй механизм 11 перемещения второго держателя 6 относительно пуансона 9 может быть выполнен в виде балки 12, установленной посредством шарнира 13 на корпусе 1. Кроме того, внутри шарнира 13 может быть установлена линейная направляющая 14 вдоль оси сканирующего устройства 0₁-0₂ (см., например, [8]). На одном конце балки 12 закреплен второй держатель 6 объекта 5, а второй конец сопряжен при этом со вторым приводом 15. Сканирующее устройство 2 с держателем 3, устройство позиционного перемещения 7, а также устройство предварительного сближения 8 подключены к блоку управления 16. Обычно первый держатель 3 и второй держатель 6 также подключаются к блоку управления 16. Следует заметить, что второй механизм 11, соединенный со вторым приводом 15, включен в состав устройства позиционного перемещения 7. Возможно также включение механизма 11, соединенного со вторым приводом 15, в устройство предварительного сближения 8. При этом привод 15 для обеспечения согласованной работы устройства может быть подключен к блоку управления 16 (фиг.2), который в отличие от известных блоков [3, 4] может выполнять согласованное управление приводом 15 и устройством позиционного перемещения 7. Для этого блок управления 16 может быть снабжен дополнительным выходом для подключения внешнего привода. Согласование работы привода 15 и устройства позиционного перемещения 7 может выполняться с использованием блока процессоров цифровой обработки сигналов (см., например, в [9]). Кроме этого, устройство предварительного сближения 8 первого держателя 3 со вторым держателем 6 может быть механически сопряжено с первым механизмом 10 перемещения пуансона 9 вдоль оси, перпендикулярной плоскости объекта 5.

Следует также заметить, что в некоторых случаях измерения целесообразно располагать плоскость объекта 5 под углом, большим 90°, к оси 0₁-0₂ (фиг.3).

Второй держатель 6 и пуансон 9 могут быть сопряжены с носителем хладагента 17 (фиг.1), в качестве которого может быть использовано устройство, описанное в [10]. Сопряжение может быть осуществлено с использованием гибких медных жгутов 18 и 19. Вместе с этим охлаждение объекта 5 и элементов конструкции может быть осуществлено с помощью наполнения корпуса 1, например, жидким азотом.

Предложенное устройство может быть снабжено блоком 20 физико-химической модификации поверхности объекта 5. В качестве этого блока может быть использован источник электромагнитного излучения, например источник лазерного излучения, источник плазмы, источник газа или источник пара. На корпусе 1 может быть установлено устройство 21 оптического наблюдения поверхности объекта 5. В качестве устройства оптического наблюдения 21 может быть использован оптический микроскоп.

Устройство работает следующим образом. Объект 5 закрепляют на втором держателе 6, после чего приводят в действие второй механизм 11 и производят срез или иную механическую модификацию, например скол, поверхности объекта 5. Далее с помощью второго механизма 11 объект 5 возвращают по криволинейной замкнутой траектории в исходное положение со смещением на толщину следующего среза или толщину механической модификации в сторону зонда. Зонд 4 закрепляют в первом держателе 3 и позиционируют с помощью устройства позиционного перемещения 7 в области поверхности объекта, представляющей интерес для исследования. После этого зонд 4 подводят к поверхности объекта 5 с помощью устройства предварительного сближения 8. Затем выполняют сканирование участка поверхности объекта 5 в выбранном режиме сканирующей зондовой микроскопии. После завершения сканирования зонд 4 отводят от поверхности объекта 5 с помощью сканирующего устройства 2 или устройства предварительного сближения 8 и процесс механической модификации может быть повторен. При необходимости первый механизм 10 можно использовать для оперативного отвода зонда 4 от объекта 5. Используя второй привод 15 можно осуществлять дополнительное перемещение объекта 5 относительно зонда 4 в вертикальной плоскости или отвод объекта 5 от зонда 4. Кроме механической модификации поверхности объекта 5, можно также осуществлять физико-химическую модификацию поверхности объекта 5 с помощью устройства физико-химического воздействия 20, например лазерную абляцию на поверхности, плазменное или химическое травление поверхности или конденсацию на поверхности паров вещества (см., например, в [11, 12]).

Выполнение устройства модификации поверхности объекта в виде пуансона, сопряженного со вторым механизмом перемещения второго держателя относительно пуансона, позволяет производить механическую модификацию всей поверхности объекта, а также позволяет использовать для исследования поверхности любые существующие зонды и режимы работы СЗМ, что расширяет функциональные возможности прибора.

Выполнение перемещения второго держателя по замкнутой траектории со смещением на толщину среза или толщину механической модификации с использованием, например, однокоординатного шарнира с линейной направляющей по оси балки и второго привода облегчает замену объекта за счет возможности увеличения расстояния между первым и вторым держателем, улучшает возможности оптического наблюдения (особенно при расположении плоскости объекта под углом, большим 90°, к оси сканирующего устройства) и воздействия на поверхность объекта после модификации и перед измерением, а также обеспечивает грубое перемещение объекта относительно зонда. Это за счет снижения требований к форме объекта расширяет функциональные возможности прибора.

Выполнение пуансона в виде ножа позволяет производить последовательные срезы объекта и выполнять послойный анализ микроструктуры объекта, что расширяет функциональные возможности прибора.

Сопряжение первого держателя, второго держателя и пуансона с носителем хладагента позволяет модифицировать и исследовать объекты при низких температурах, что расширяет функциональные возможности прибора.

Сочленение устройства позиционного перемещения в плоскости объекта со вторым механизмом перемещения второго держателя по криволинейной траектории, соединенным со вторым приводом, увеличивает диапазон перемещения по одной координате. Вместе с этим такая конфигурация позволяет осуществлять взаимное двухкоординатное перемещение зонда и объекта при однокоординатном выполнении устройства позиционного перемещения зонда относительно объекта.

Введение подвижки пуансона, перпендикулярной плоскости объекта, позволяет регулировать степень модификации поверхности (например, глубину срезов), что расширяет функциональные возможности прибора.

Сопряжение устройства предварительного сближения первого держателя со вторым держателем с первым механизмом перемещения пуансона вдоль оси, перпендикулярной плоскости объекта, также расширяет функциональные возможности прибора за счет увеличения диапазона и скорости отвода зонда от объекта. Этот же эффект возникает от включения второго механизма в состав устройства предварительного сближения.

Сопряжение первого держателя и второго держателя с устройством физико-химической модификации поверхности объекта также расширяет функциональные возможности прибора за счет расширения возможностей модификации исследуемой поверхности.

Выполнение устройства физико-химической модификации объекта в виде источника электромагнитного излучения позволяет осуществлять, например, термическую, фотохимическую и абляционную модификацию поверхности объекта.

Выполнение устройства физико-химической модификации объекта в виде источника плазмы позволяет осуществлять, например, плазменное травление поверхности объекта.

Выполнение устройства физико-химической модификации объекта в виде источника газа позволяет осуществлять, например, химическое травление поверхности объекта.

Выполнение устройства физико-химической модификации объекта в виде источника пара позволяет осуществлять, например, модификацию поверхности объекта за счет конденсации вещества на поверхности.

Литература

1. Патент US 6337479, 2002.

2. Патент US 5461907, 1995.

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

4. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И.Данилов. Успехи химии 64 (8), 1995 г., с.818-833.

5. Патент US 5360974, 1994.

6. Патент RUN 2161343, 1996.

7. Патент RUN 2152103, 1996.

8. Leica Ultracut UCT - Е - brochure, Leica Mikrosysteme GmbH, Vienna Austria, 2001.

9. Системные аналогово-цифровые преобразователи и процессоры сигналов. М.М.Гельман, М.: Мир, 1999.

10. Патент US 4162401, 1979.

11. R.Magerle, Phys. Rev. Lett. 85, 2749 (2000).

12. I.Kink et al. Proceedings of Scanning Probe Microscopy - 2003 conference, 230.

Сканирующий зондовый микроскоп содержит корпус, на котором установлено сканирующее устройство по трем координатам с держателем зонда, держатель объекта, устройство позиционного перемещения зонда относительно объекта, содержащее первый привод, устройство предварительного сближения держателя с держателем объекта и устройство модификации поверхности объекта. Устройство модификации поверхности объекта выполнено в виде пуансона, сопряженного с механизмом перемещения держателя объекта относительно пуансона по криволинейной траектории со смещением на толщину механической модификации, соединенным со вторым приводом. Механизм перемещения держателя объекта включен в состав устройства позиционного перемещения зонда относительно объекта или устройства предварительного сближения держателя зонда с держателем объекта. Механизм перемещения держателя объекта относительно пуансона может быть выполнен в виде балки, установленной на корпусе и сопряженной первым концом с держателем объекта, а вторым концом со вторым приводом. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с устройством механической модификации поверхности объекта, содержащий корпус, на котором установлено сканирующее устройство по трем координатам с держателем зонда, держатель объекта, устройство позиционного перемещения зонда относительно объекта, содержащее первый привод, устройство предварительного сближения держателя с держателем объекта и устройство модификации поверхности объекта, отличающийся тем, что устройство модификации поверхности объекта выполнено в виде пуансона, сопряженного с механизмом перемещения держателя объекта относительно пуансона по криволинейной траектории со смещением на толщину механической модификации, соединенным со вторым приводом, при этом механизм перемещения держателя объекта включен в состав устройства позиционного перемещения зонда относительно объекта или устройства предварительного сближения держателя зонда с держателем объекта.2. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещения держателя объекта относительно пуансона выполнен в виде балки, установленной посредством однокоординатного шарнира с линейной направляющей по оси балки на корпусе и сопряженной первым концом с держателем объекта, а вторым концом со вторым приводом.3. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что держатель зонда, держатель объекта и пуансон сопряжены с носителем хладагента.4. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что пуансон выполнен в виде ножа.5. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что в него введен механизм перемещения пуансона вдоль оси, перпендикулярной плоскости объекта.6. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1 или 5, отличающийся тем, что механизм перемещения пуансона вдоль оси, перпендикулярной плоскости объекта, механически сопряжен с устройством предварительного сближения держателя зонда с держателем объекта.7. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что плоскость объекта при измерении расположена под углом, большим 90°, к оси сканирующего устройства по трем координатам.8. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что держатель зонда и держатель объекта сопряжены с устройством физико-химической модификации объекта.9. Сканирующий зондовый микроскоп по п.8, отличающийся тем, что в качестве устройства физико-химической модификации объекта используют источник электромагнитного излучения.10. Сканирующий зондовый микроскоп по п.8, отличающийся тем, что в качестве устройства физико-химической модификации объекта используют источник плазмы.11. Сканирующий зондовый микроскоп по п.8, отличающийся тем, что в качестве устройства физико-химической модификации объекта используют источник газа.12. Сканирующий зондовый микроскоп по п.8, отличающийся тем, что в качестве устройства физико-химической модификации объекта используют источник пара.