Устройство для исследования топографии проводящей поверхности Советский патент 1992 года по МПК H01J37/285 

электродная система выполнена в виде трех электродов 5-7. Первый электрод 5 соединен через коммутатор 8 с первым выходом блока 9 управления туннельным промежутком, второй выход которого соединен с входом встроенного АЦГ блока 10 регистрации топографии с управляющим вычислителем, а вход соединен с выходом блока 11 измерения .туннельного тока, который соединен с острием 2 и образцом 3.

Кроме того, устройство содержит усилитель 12 напряжения, первый выход которого соединен с третьим электродом 7 и через блок 13 компенсации и коммутатора 8 - с вторым электродом 6 пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка, а второй выход соединен с входом встроенного АЦП блока 10 регистрации.

Блок 13 компенсации представляет собой усилитель переменного тока, обладающий минимальным сдвигом фазы выходного напряжения в рабочем диапазоне частот пьезозлемента.

Блок 9 управления включает логарифмический усилитель для линеаризации входного напряжения, пропорционального величине туннельного тока, схему сравнения в виде линейного усилителя с дифференциальным входом и корректирующие цепи для обеспечения стабилизации туннельного тока.

Вход усилителя 12 напряжения соединен через кoм yтaтop 5 с выходом встроенного ЦАП блока 10 регистрации. Коммутатор 8 представляет собой многоканальный электронный коммутатор, управляемый вычислителем блока 10 регистрации и реализующий работу устройства в двух режимах: грубого и точного регулирования.

Устройство работает следуюйдим образом.

Включается первый режим работы устройства - режим грубого регулирования. В этом режиме с помощью коммутатора 8 вход усилитель 12 напряжения соединен с первым выходом блока 9 управления, а электроды 5 и б заземлены.

На острие 23 от блока 11 измерения туннельного тока подается постоянное напряжение в несколько десятков милливольт, и с помощью средства 4 предварительного подвода образец 3 перемещается к острию 2 до момента появления туннельного тока.

Величина туннельного тока, снимаемого с образца 3. усиливается блоком 11 измерения туннельного тока, сравнивается в блоке 9 управления с заданной величиной. Ошибка сравнения через коммутатор 8 поступает на усилитель 12 напряжения, где

усиливается и поступает в виде сигнала на электрод 7 пьезоэлемента координаты Z. В результате этого острие 2 отходит от образца 3 настолько, что величина туннельного

тока, которая очень сильно зависит от расстояния между острием 2 и образцом, становится равной заданной величине. Выходное напряжение на втором выходе усилителя 12 напряжения измеряется вычислителем блока 10 регистрации с помощью встроенного АЦП и представляет собой функцию топографии исследуемой поверхности образца 3 при сканировании этой поверхности путем подачи развертывающих напряжений с выходов встроенных ЦАП блок 10 на электродные системы пьезоэлементов координат X, Y.

Таким образом, в этом режиме контур

автоматического регулирования образуют: острие 2, ту :нельный промежуток, образец 3,блок 11 измерения туннельного тока, блок 9 управления, усилитель 12 напряжения и электрод 7.

Данный режим повторяет работу известного устройства, однако позволяет осматривать большие площади с большими перепадами высот рельефа исследуемой поверхности, образца 3, но при этом разрешение координаты Z составляет несколько нанометров.

Этот режим предназначен для начального исследования поверхности.

Получив начальное топографическое

изображение поверхности, можно выбрать нужный участок исследуемой поверхности и перейти на второй режим работы устройства - режим точного регулирования.

В этом режиме первый электрод 5 с помощью коммутатора 8 соединяется с первым выходом блока 9 управления, второй электрод 6 соединяется с выходом блока 13 компенсации, а вход усилителя 12 напряжения соединяется с выходом встроенного

ЦАП блока 10 регистрации.

В момент перехода на второй режим с выхода встроенного ЦАП на вход усилителя 12 направления поступает сигнал, под действием которого последний формирует максимальное управляющее напряжение на третьем электроде 7. вследствие чего пьезоэлемент координаты Z максимально сжимается, а острие 2 отодвигается от образца 3 и выходит из зоны регулирования туннельного тока. При этом выходное напряжение

блока 9 управления минимально. Но, так как диапазон перемещения вершины пьезоэлемента по координате Z при подаче управляющего напряжения на первый электрод 5 ЗJ aчитeльнo меньше, чем при подаче управляющего напряжения на электрод (в 32-64 раза), то туннельный ток не возникает.

После этого под управлением вычисли теля блока 10 напряжение с входа усилителя 12 напряжения плавно уменьшается, вследствие чего острие 2 плавно приближается к поверхности образца 3 до момента появления туннельного тока.

С этого момента работает контур точного автоматического регулирования, состоящий из острия 2, туннельного промежутка, образца 3, блоха 11 измерения туннельного тока блока 9 управления и электрода 5. После этого может быть осуществлено сканирование поверхности образца 3. При этом устройство может работать в двух подрежимах.

В первом подрежиме третий электрод 7 находится под действием постоянного по величине напряжения и весь диапазон регулирования ограничен диапазоном перемещения вершины пьезоэлемента координаты Z, управляемого первым электродом 5,

Во втором подрежиме работают два электрода 5 и 7, причем управляющее напряжение на электроде 7 изменяет положение острия 2, если управляющее напряжение, подаваемое на электрод 5, выходит на заданные пределы, которые оцениваются вычислителем с выхода блока 9 управления.

Введение блока 13 компенсации и второго электрода 6 на пьезоэлементе координаты Z компенсирует перемещения острия 2, вызванные пульсацией и возмущениями выходного напряжения усилителя 12 напряжения, подаваемого на третий электрод 7, под дейртвием нестабильности источников питания и внешних возмущающих воздействий.

Однако, если второй электрод 6 постоянно соединен с выходом блока 13 компенсации, резко уменьшается рабочий диапазон частот контура, работающего на третий электрод 7. Для устранения этого недостатка введен самостоятельный ключ в коммутаторе 8, который позволяет отключать второй электрод 6 от выхода блока 13 компенсации в периоды времени, когда под управлением вычислителя изменяется выходное напряжение усилителя 12 напряжения, подаваемое на третий электрод 7,

Предлагаемое устройство позволяет производить исследования проводящих по верхностей твердых тел со следующими характеристиками: при относительной чувствительности пьезоэлемента координаИМ

ты Z 0,3 р --- чувствительность поD tvM

следнего При длине третьего электрода 7 10

мм составляетj г, .... . В этом случае диаВ ММ

пазон перемещения острия по координате Z при диапазоне управляющего напряжения,

5 подаваемого на этот электрод, 500 В составит 1,5 мкм.

Диапазон перемещения острия по координате Z при управлении первым электродом 5 определяется требуемой точностью

10 (разрешением) измерения и разрядностью предоставления информации в измерительном АЦП. При разрешении 0,01 нм и 11-ти верных разрядах при 12-разрядном представлении информации диапазон перемещения острия по координате Z при управлении первым электродом 5 составит -20 нм.

Уровень пульсаций выходного напряжения усилителя 12 напряжения зависит от

0 конкретной аппаратуры, и уровня внешних возмущающих воздействий. Практически этот уровень не превышает 0,1% от диапазона выходного напряжения усилителя и при диапазоне 500 В составит 0,5 В. В этом

5 случае диапазон перемещения острия, вызванный пульсациями выходного напряжения блока высоковольтного напряжения, составит 1,5 нм. Для компенсации этих паразитных перемещений острия длина второго электрода 6 при диапазоне управляющего напряжения на выходе блока 13 компенсации 5 В должна составлять 1 мм.

Таким образом, при относительной чув5 ствительности пьезоэлемента координаты

11 а

Z, равной 0,3 в, и выбранных диапазонах управляющих напряжений, подаваемых на электроды 5-7, обеспечивается

0 диапазон регулирования по координате Z 1 мкм при точности измерения топографии исследуемой поверхности 0,01 нм.

Экспериментальные исследования предлагаемого устройства для исследования топографии проводящей поверхности образца показали, что, по сравнению с известным, устройство обеспечивает более широкий диапазон регулирования и при этом достигается высокая точность измере0 ния топографии поверхности.

Формула изобретения Устройство для исследования топографии проводящей поверхности, содержащее 5 пьезоэлектрический привод измерительного острия, включающий взаимно перпендикулярно ориентированные по трем координатам пьезоэлементы с управляющими электродными системами, держатель образца со средством его подвода к острию.

а также последовательно соединенные блок измерения туннельного тока и блока управления туннельным промежутком, выходы которого соединены с управляющей электродной системой пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка и блоком регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, отличающееся тем. что. с целью повышения точности регистрируемых параметров поверхности, оно снабжено усилителем напряжения, блоком компенсации и коммутатора, при зтом управляющая электродная система пьезозлемента регулирования туннельного промежутка выполнена

в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электроов, первый из которых, расположенный ближе к острию, соединен с выходом блока

управления через первый канал коммутатора, второй электрод минимальной протяженности Соединен с выходом блока компенсации через второй канал коммутатора, третий электрод максимальной протяженности соединен с входом блока компенсации и первым выходом усилителя напряжения, вход которого соединен через ретий канал коммутатора с выходом блока регистрации, а второй выход соединен с

входом блока регистрации.

Изобретение относится к структурным исследованиям поверхности с использованием туннельного эффекта. Целью изобретения является повышение точности регистрируемых параметров за счет расширения диапазона регулирования перемеще- 'ния измерительного острия при сохранении разрешения. Устройство содержит пьезоэлектрический привод острия, включающий взаимно перпендикулярно ориентированные по трем координатам пьезоэлементы с управляющими электродными системами, а также блоки измерения туннельного тока, управления туннельным промежутком, регистрации топографии, усилитель напряжения, коммутатор и блок компенсации. Электродная система пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов. Наиболее удаленный от острия имеет максимальную протяженность и обеспечивает ражим грубого регулирования, ближайший к острию электрод и средний минимальной протяженности обеспечивают режим точного регулирования. Переключение режимов осуществляется коммутатором, управляемым от вычислителя блока регистрации. 1 ил.СОсИзобретение относится к структурным исследованиям поверхности с использованием вакуумного туннельного эффекта и может быть использовано для получения топографии проводящих поверхностей, а также изучения физико-технологических свойств твердых тел,Целью изобретения является повышение точности регистрируемых параметров поверхности.На чертеже представлена блок-схема устройства.Устройство для исследования топографии проводящей поверхности содержитпьезоэлектрический привод 1 для перемещения закрепленного на его вершине измерительногоострия2по взаимно-перпендикулярным координатам X,Y,Z относительно поверхности образца 3, средство 4 предварительного подвода держателя образца к острию, например микрометрическая пара, обеспечивающее перемещение образца 3 по координате Z.Пьезоэлектрический привод 1 состоит из пьеэоэлементов с управляющими электродными системами, например в виде треноги. На пьезозлементе координаты Z регулирования туннельного промежуткаXIО Ч)Ь.ю ю>&

у .Z Xtjf