УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ЗОНДОВ Российский патент 2009 года по МПК G01B9/00 

Изобретение относится к устройствам для получения острий на металлических и кварцевых зондах и может быть использовано для первичного изготовления зондов сканирующих зондовых микроскопов, а также для их восстановления.

Известно устройство для изготовления зондов, содержащее держатель заготовки зонда, установленный в устройстве осевого перемещения и сопряженный с резервуаром с травителем, в котором расположен кольцевой электрод [1].

Недостаток этого устройства заключается в том, что из-за травления в резервуаре трудно регулировать высоту зоны травления, что ухудшает качество острия и затрудняет формирование необходимого угла при вершине.

Известно также устройство для изготовления зондов, включающее держатель заготовки зонда, установленный на первом блоке перемещения по координате Z, блок формирования острия зонда, выполненный в виде резервуара с травителем, установленный на втором блоке перемещения по координате Z и в плоскости XY, перпендикулярной координате Z, а также резервуар, расположенный по оси зонда, при этом первый и второй блоки перемещения, а также резервуар размещены на основании [2].

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Первый недостаток этого устройства заключается в том, что травление происходит непосредственно в резервуаре, а это затрудняет регулировку процесса, что приводит к ухудшению качества острия и затрудняет формирование нужного угла при вершине.

Отсутствие средств контроля и механизированных подвижек также ухудшает качество острия из-за сложности эксплуатации.

Задача изобретения заключается в создании устройства для изготовления и контроля зондов, обеспечивающего максимальную остроту зонда при минимальных навыках оператора.

Технический результат изобретения заключается в повышении остроты зонда.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для изготовления и контроля зондов, включающее первый держатель заготовки зонда, установленный на первом блоке перемещения по координате Z, блок формирования острия зонда с травителем, установленный на втором блоке перемещения по координате Z и в плоскости XY, перпендикулярной координате Z, а также резервуар, размещенный по оси заготовки зонда, при этом первый и второй блоки перемещения, а также стакан расположены на основании, введен оптический микроскоп с источником излучения, установленный на основании, и блок управления, содержащий измеритель контрольного сигнала, пропорционального площади сечения заготовки зонда в зоне травления, первый блок перемещения по координате Z выполнен на основе шагового двигателя, сопряженного с передачей и подключенного к блоку управления, блок формирования острия зонда содержит рамочный электрод с травителем, соединенный со вторым держателем, первый резервуар содержит травитель, рамочный электрод расположен с возможностью погружения в травитель первого резервуара и имеет два фиксированных положения: в первом резервуаре и в зоне формирования острия зонда за счет использования первого и второго фиксаторов второго блока перемещения.

Существует вариант, в котором второй фиксатор второго блока перемещения снабжен демпфирующим элементом.

Существует также вариант, в котором в устройство введен второй резервуар с промывочным раствором, а рамочный электрод расположен с возможностью погружения в него.

Возможен вариант, в котором первый держатель заготовки зонда снабжен первым пьезоприводом.

Возможен также вариант, в котором на втором блоке перемещения закреплен второй пьезопривод.

Существуют также варианты, в которых источник излучения микроскопа имеет переменную фокусировку.

Возможен также вариант, в котором в качестве заготовки зонда используют металлическую проволоку или световод.

Кроме этого, возможен вариант, в котором рамочный электрод имеет форму окружности или овала.

Существуют варианты, в которых сечение образующей рамочного электрода имеет форму круга, овала или прямоугольника.

Существуют также варианты, в которых рамочный электрод выполнен из химически стойкого металла, сплава или полиэтилена.

Возможны варианты, в которых и второй держатель рамочного электрода, и сам рамочный электрод изготовлены из капилляра, соединенного со вторым резервуаром с защитной жидкостью, при этом капилляр имеет отверстия в зоне электрода.

Возможны также варианты, в которых измеритель контрольного сигнала выполнен в виде фотоприемника, оптически сопряженного с острием световода, противоположный конец которого оптически сопряжен с источником света, или в виде электронного модуля, состоящего из резистора, включенного последовательно в цепь тока травления, и усилителя напряжения, подключенного к этому резистору.

На фиг.1 изображено устройство для изготовления и контроля зонда в общем виде.

На фиг.2 - форма рамочных электродов и профиль их сечения.

На фиг.3 - капиллярный рамочный электрод.

На фиг.4 - оптический измеритель контрольного сигнала.

На фиг.5 - электрический измеритель контрольного сигнала.

Устройство для изготовления и контроля зондов включает первый держатель 1 заготовки зонда 2, установленный на первом блоке 3 перемещения по координате Z, закрепленный на основании 4. Блок 3 выполнен на основе шагового двигателя 5, сопряженного с передачей винт 6 - гайка 7 (подвижная платформа).

В основании 4 закреплена направляющая 8, сопряженная по скользящей посадке с подвижной платформой 7. На основании 4 установлен также второй блок 9 перемещения по координате Z и плоскости XY, перпендикулярной координате Z. На блоке 9 расположен блок формирования острия зонда, выполненный в виде рамочного электрода 10 с травителем 11, соединенный со вторым держателем 12, закрепленным на блоке 9, например, через электроизолирующий элемент (не показан). (Способ закрепления зондов в отверстиях описан в [3].) По оси заготовки зонда 2 установлен первый резервуар 13 с травителем 14.

Второй блок 9 может быть выполнен в виде цилиндрической направляющей 15 и втулки 16, сопряженной с пружиной 17. Он имеет два фиксированных положения за счет использования первого 18 и второго 19 фиксаторов с демпфером 20. При этом первое фиксированное положение соответствует погружению рамочного электрода 10 в травитель 14 резервуара 13. Второе фиксированное положения блока 9 соответствует положению рамочного электрода 10 с травителем 11 в зоне формирования острия зонда. Втулка 16 имеет возможность вращения на направляющей 15, обеспечивая перемещение рамочного электрода 11 в плоскости XY. При этом на основании 4 может быть расположен второй резервуар 21 с промывочным раствором 22, а рамочный электрод 10 за счет перемещения его в плоскости XY имеет возможность погружаться в него.

Первый держатель 1 заготовки зонда 2 может быть снабжен первым пьезоприводом, выполненным в виде пьезотрубки 23 с наружной 24 и внутренней 25 обкладками, либо снабжен пьезокерамической пластинкой (не показана). На втором блоке перемещения 9 может быть закреплен второй пьезопривод 26, выполненный в виде пьезокерамической пластинки.

Помимо применения оптического микроскопа 27 для контроля процесса травления можно использовать различные блоки измерения контрольного сигнала.

Для контроля острия 42 световода 43 (фиг.4) можно использовать фотоприемник 44, оптически сопряженный с острием 42. Противоположный конец световода 43 при этом оптически сопряжен с источником света 45. Фотоприемник 44 и источник света 45 подключены к измерителю контроля сигнала 46, выход которого соединен с шаговым двигателем 5. Следует заметить, что фиксация световода 43 в пьезотрубке 47 может быть осуществлена с помощью пружины 48, закрепленной внутри пьезотрубки 47. При травлении кварца острие 42 располагают вблизи нижнего мениска 49 травителя 50 внутри рамочного электрода 51.

Второй вариант выполнения измерителя контрольного сигнала 52 (фиг.5) заключается в том, что в него введены резистор 53, включенный последовательно в цепь тока травления, и усилитель напряжения 54, подключенный к этому резистору.

При этом электрическая цепь включает рамочный электрод 55, травитель 56, острие 57 зонда 58 и внутреннюю обкладку 59 пьезотрубки 60. Шаговый двигатель 5 управляется в зависимости от тока цепи, при этом происходит извлечение или опускание зонда 58 в травитель 56.

Более подробно электронные блоки и их исполнительные элементы описаны в [4].

Принцип действия устройства основан на эффекте электрохимического травления вольфрамовой проволоки (заготовки зонда) при прикладывании напряжения между ней и рамочным электродом 10. При этом атомы электрода переходят в раствор и проволока утоньшается. При перетравливании проволоки образуется острие 30.

Для травления вольфрамовой проволоки резервуар 13 наполняют раствором 5% КОН. Электрод 10 погружают в резервуар 13 нажатием на втулку 16. После возврата электрода 10 в исходное положение под действием пружины 17 в нем образуется капля щелочи. Запускают шаговый двигатель 5 и погружают заготовку зонда 2 в щелочь на нужную глубину с учетом того, что перетравливание заготовки произойдет внутри капли. Этот процесс контролируют при помощи микроскопа 27. После остановки шагового двигателя 5 включают напряжение между электродом 10 и заготовкой 2, начинается процесс травления. Если ток переменный, травление сопровождается бурным кипением щелочи. Через несколько минут вольфрамовая проволока перетравливается, а нижняя часть заготовки падает под действием собственного веса в резервуар 13. После этого напряжение травления отключают. Если зонд предназначен для работы СЗМ в полуконтактной силовой моде, то кончик зонда снова погружают в каплю раствора на глубину 20-50 мкм, контролируя глубину погружения микроскопом 27, и вновь включают напряжение травления для придания острию 30 нужной формы. Через 1-2 секунды напряжение отключают, зонд промывают, при необходимости производят проверку качества острия.

Устройство может работать в двух режимах. Первый режим полуавтоматический. В этом случае устройство травления подсоединено к внешнему источнику напряжения (не показан), а управление производит оператор при помощи установленных на корпусе устройства переключателей (не показаны). Напряжение травления формируется от сети переменного тока частотой 50 Гц, 7 В, начальный ток - 100 мА.

Второй режим автоматический. Сигналы управления шаговым двигателем 5 и напряжения различной формы для создания тока травления поступают от управляющего компьютера на плату управления, расположенную в блоке управления 29. Оператор только устанавливает заготовку зонда 2 и формирует каплю щелочи на электроде 10. Процесс управления запускается с компьютера. Алгоритм работы следующий. Шаговый двигатель 5, вращаясь, поднимает заготовку зонда 2 в крайнее верхнее положение. При срабатывании краевого выключателя (не показан) шаговый двигатель 5 останавливается. После этого оператор формирует каплю щелочи на электроде 10. Запускается программа травления. При этом двигатель 5 вращается в обратную сторону и останавливается при погружении заготовки зонда 2 в каплю щелочи до необходимой глубины. После этого на электрод 10 подают напряжение нужной формы и амплитуды, например синусоидальное частотой 50 Гц и амплитудой 7 В. Это напряжение включается прерывисто с паузами 1-2 сек для того, чтобы прерывать нежелательное избыточное «кипение» щелочи, так как при образовании пузырьков уменьшается плотность раствора, а во время паузы эти пузырьки не образуются.

Существует также способ постепенного вытягивания острия 30 из раствора в процессе травления для придания ему нужной формы, что обеспечивается периодическим включением шагового двигателя 5 в паузах между включением напряжения травления. В момент перетравливания вольфрамовой проволоки нижняя часть заготовки отрывается и падает под действиями силы тяжести, при этом ток травления резко изменяется. Блок управления 29 фиксирует этот скачок, и программа включает напряжение травления. Процесс изготовления острия закончен. При необходимости включают пьезотрубку 23 в режиме вибрации для интенсификации процесса травления.

Для чистки электрода 10 его поворачивают на 180° в плоскости XY и опускают в резервуар 21 с промывочным раствором 22. При необходимости включают пьезопривод 26 в режиме вибрации для интенсификации процесса очистки.

Травление кварцевого световода 43 (фиг.4) осуществляют в плавиковой кислоте. При определенном сигнале на фотоприемнике 44, характеризующем острие 42 световода 43 (чем меньше сигнал, тем меньше радиус острия), процесс прекращается после извлечения световода 43 из кислоты и после его промывки во внешнем устройстве (не показано). Фотоприемник 44 и источник света 45 вводят в рабочее положение при помощи устройства, аналогичного блоку 9, и приспособления точной подвижки источника света 45 (не показаны).

Использование капиллярного электрода 36 (фиг.3) может быть целесообразно при применении особенно сильных травителей, таких как плавиковая кислота, которая поднимается по заготовке зонда и травит боковую поверхность заготовки. В этом случае после формирования на электроде 36 капли травителя из резервуара 39 в зону травителя поступает защитная жидкость (например, керосин), который, разливаясь по поверхности травителя, препятствует проникновению его на боковую поверхность зонда.

На основании 1 установлен также оптический микроскоп 27 с источником излучения 28 с переменной фокусировкой, закрепленный на поворотном кронштейне, который с целью упрощения чертежей не показан.

Шаговый двигатель 5 обкладки 24 и 25, рамочный электрод 10 и пьезопривод 26 подключены к блоку управления 29. Острие 30 и электрод 10 через травитель 13 и блок 29 образуют замкнутую электрическую цепь.

В качестве заготовки зонда можно использовать металлическую проволоку: вольфрам, платину, платинородиевый сплав и т.д., либо кварцевый световод.

При использовании световода держатель 1 может быть повернут на 90° относительно показанного на фиг.1 положения (не показано, см. ниже).

Рамочный электрод может иметь форму окружности 31 (фиг.2) или овала 32. Сечение А-А образующей рамочного электрода может иметь форму круга 33, овала 34 или прямоугольника 35.

Возможны варианты выполнения рамочного электрода 10 из химически стойкого материала, сплава или полиэтилена. Это необходимо для возможности использования различных травителей.

Возможен также вариант, в котором образующая 36 (фиг.3) и второй держатель 37 рамочного электрода изготовлены из капилляра 38, соединенного со вторым резервуаром 39 с защитной жидкостью 40.

В капилляре в зоне электрода выполнено отверстие 41.

Все перечисленные технические эффекты повышают качество острия.

Введение в устройство оптического микроскопа с источником излучения и блока управления упрощает контроль и эксплуатацию прибора.

Выполнение первого блока перемещения по координате Z на основе шагового двигателя, подключенного к блоку управления, упрощает процесс формирования острия, позволяет задавать его оптимальные параметры.

Выполнение блока формирования острия в виде рамочного электрода с травителем и расположение его с возможностью погружения в первый резервуар, а также использование первого и второго фиксаторов за счет тонкого слоя периодически обновляемого травителя позволяет осуществлять прецизионную регулировку процесса формирования острия.

Снабжение второго фиксатора демпфирующим устройством уменьшает разбрызгивание травителя в верхнем положении, что упрощает эксплуатацию устройства.

Введение второго резервуара с промывочным раствором позволяет очищать рамочный электрод перед его новым заполнением травителем, что повышает качество травления.

Введение в первый держатель первого пьезопривода и размещение на втором блоке перемещения второго пьезопривода за счет создаваемых ими вибраций позволяет интенсифицировать процесс травления и очистки заготовки зонда и электрода.

Использование источника излучения микроскопа с переменной фокусировкой позволяет помимо наблюдения нагревать зону травления, что также интенсифицирует процесс травления.

Возможность использования металлической проволоки или световода расширяет функциональные возможности устройства.

Применение рамочного электрода в форме овала позволяет перемещать зону травления вдоль длинной оси эллипса, что обновляет травитель без его замены. Это расширяет возможности формирования одного острия.

Выполнение сечения образующей рамочного электрода в форме круга, овала или прямоугольника позволяет за счет разных сил поверхностного натяжения регулировать толщину травителя и форму острия.

Выполнение рамочного электрода из химически стойкого металла, сплава или полиэтилена позволяет использовать различные травители, что расширяет функциональные возможности устройства.

Изготовление рамочного электрода из капилляра, соединенного со вторым резервуаром с защитной жидкостью защищает боковую поверхность заготовки от нефункционального травления.

Выполнение измерителя контрольного сигнала в виде фотоприемника, оптически сопряженного с острием световода, противоположный конец которого оптически сопряжен с источником света, позволяет контролировать качество острия световода.

Выполнение блока измерения контрольного сигнала в виде электронного модуля, состоящего из резистора, включенного последовательно в цепь тока травления, и усилителя напряжения, позволяет контролировать качество металлического зонда.

Все перечисленные первичные технические эффекты также улучшают качество острия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент JP62335913, G01B 7/34, 1992 г.

2. Е.А.Коленко. Технология лабораторного инструмента, с.652-658. С.-Петербург. 1994 г.

3. Патент RU2208845, G01B 5/28, 2003 г.

4. Г.Я.Мирский. Электронные измерения. М., 439 с., 1986 г.

Изобретение относится к устройствам для получения острий на металлических и кварцевых зондах и может быть использовано для первичного изготовления зондов сканирующих зондовых микроскопов, а также для их восстановления. Устройство для изготовления и контроля зондов включает первый держатель заготовки зонда, установленный на первом блоке перемещения по координате Z. Блок формирования острия зонда с травителем, установленный на втором блоке перемещения по координате Z и в плоскости XY, перпендикулярной координате Z, а также резервуар, размещенный по оси заготовки зонда. При этом первый и второй блоки перемещения, а также стакан расположены на основании, введен оптический микроскоп с источником излучения, установленный на основании, и блок управления, содержащий измеритель контрольного сигнала, пропорционального площади сечения заготовки зонда в зоне травления. Первый блок перемещения по координате Z выполнен на основе шагового двигателя, сопряженного с передачей и подключенного к блоку управления, блок формирования острия зонда содержит рамочный электрод с травителем, соединенный со вторым держателем, первый резервуар содержит травитель, рамочный электрод расположен с возможностью погружения в травитель первого резервуара и имеет два фиксированных положения: в первом резервуаре и в зоне формирования острия зонда за счет использования первого и второго фиксаторов второго блока перемещения. Техническим результатом является повышение остроты зонда. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для изготовления и контроля зондов, содержащее первый держатель заготовки зонда, установленный на первом блоке перемещения по координате Z, модуль формирования острия зонда, установленный на блоке перемещения по координате Z и в плоскости XY, перпендикулярной координате Z, включающий первый резервуар с травителем, при этом блоки перемещения расположены на основании, отличающееся тем, что в него введен оптический микроскоп с источником излучения, установленный на основании, и блок управления, блок перемещения по координате Z выполнен на основе шагового двигателя, сопряженного с передачей и подключенного к блоку управления, модуль формирования острия зонда содержит рамочный электрод с травителем и вторым держателем, а также первый резервуар с травителем, при этом рамочный электрод расположен с возможностью погружения в травитель первого резервуара и имеет два фиксированных положения: в первом резервуаре и в зоне формирования острия зонда.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок перемещения по координате Z и в плоскости XY имеет первый и второй фиксаторы, при этом второй фиксатор снабжен демпфирующим элементом.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введен второй резервуар с промывочным раствором, а рамочный электрод расположен с возможностью погружения в него.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый держатель заготовки зонда снабжен первым пьезоприводом.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на блоке перемещения по координате Z и в плоскости XY закреплен второй пьезопривод.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник излучения микроскопа имеет переменную фокусировку.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рамочный электрод имеет форму окружности или овала.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сечение образующей рамочного электрода имеет форму круга, овала или прямоугольника.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что и второй держатель рамочного электрода, и сам рамочный электрод изготовлены из капилляра, соединенного со вторым резервуаром с защитной жидкостью, при этом капилляр имеет отверстия в зоне электрода.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измеритель контрольного сигнала выполнен в виде фотоприемника, оптически сопряженного с острием зонда в виде световода, противоположный конец которого оптически сопряжен с источником света.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измеритель контрольного сигнала выполнен в виде электронного блока, содержащего резистор, включенный последовательно в цепь тока травления, и усилитель напряжения, подключенный к этому резистору.