Сканирующий туннельный микроскоп Советский патент 1993 года по МПК H01J37/285 

Предполагаемое изобретение относится к электронным приборам, предназначенным для исследования физических свойств поверхностей твердых тел с разрешающей способностью порядка размеров атома.

Известны сканирующие туннельные микроскопы, в которых применяются различные пьезоэлементы, например, микроскоп Биннйга и Рорера, микроскоп Хайкина.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является сканирующий туннельный микроскоп, содержащий станину с закрепленными на ней узлом позиционирования образца в виде трех независимых трубчатых пьезокерами- ческих двухкоординатных движителей и узлом перемещения по трем взаимно перпендикулярным координатам измерительной иглы, выполненным в виде пьезбтрубки, на верхнем торце которой размещена игла. Этот микроскоп позволяет позиционировать образец в горизонтальной плоскости и сканировать выбранное место на поверхности образца площадью порядка 1 мкм с разрешающей способностью порядка размеров атома.

Недостатком прототипа является его функциональная ограниченность, заключающаяся в том, что максимальные высоты сканируемых выступов на исследуемых участках поверхности образца не должны превышать 3 мкм. Сканирование более высоких выступов на микроскопе-прототипе невозVI

ю VI

J- Јь Ч)

можно. Такое функциональное ограничение диапазона измерении высот выступов является основным недостатком прототипа, который сочетается со вторым его недостатком: невозможностью проведения сканирования с.прежним разрешением поверхностей тех образцов, масса которых превышает 5г.

Первый недостаток обусловлен тем, что максимальная деформация пьезотрубки со- ставляет порядка нескольких микрометров, а измерительная игла относительно нее жестко фиксирована..

Второй недостаток обусловлен тем, что жесткость конструкции прототипа не может быть произвольно повышена, поскольку при увеличении массы конструкции, ее собственная частота колебаний уменьшается, что отрицательно сказывается на разрешающей способности микроскопа. .

Целью изобретения является ликвидация указанных недостатков прототипа, а именно, расширение его функциональных возможностей путем использования прин- ципа инерционных шаговых движителей как в узле позиционирования образца, так и в узле перемещения измерительной иглы.

. Указанная цель достигается тем, что в заявляемом сканирующем туннельном мик- роскопе, содержащем станину с закреплен- ными на ней узлом позиционирования образца в виде трех независимых трубчатых пьезодвижителей с закрепленными опорными шариками на их верхних торцах и узел перемещения потрем взаимно перпендикулярным координатным осям измерительной иглы, выполненный в виде расположенного в центре станины трубчатого пьезодвижителя с закрепленной на его верхнем торце измерительной иглой, согласно изобретению, узел позиционирования образца до- полнительно содержит кольцо для крепления образца, а верхняя часть одного из трех его пьезодвижителей конструктивно совпадает с верхней частью пьезодвижите- ля иглы и выполнена в виде опирающейся своим кольцеобразным выступом на верхний торец пьезотрубки втулки, в которой размещена кварцевая трубка с вставлен- ным в нее нерезьбовой частью опорным винтом и зафиксированным гайкой в его резьбовой части. Через отверстие в боковой стенке втулки на кварцевую трубку опирается пластинчатая пружина, а в нижней части пьезодвижителя иглы предусмотрена опирающаяся на нижний торец гайки изолирующая втулка, удерживаемая цилиндрической пружиной. Все четыре трубчатые пьезодвижителя зажаты в металлические стаканы с

поперечными прорезями, выполненными в их боковой цилиндрической поверхности.

На фиг. 1 схематически, в аксонометрии, вне масштаба и с условно поднятым кольцом для крепления образца (для удобства изображения) приведена конструкция заявляемого микроскопа (общий вид); на фиг.2 - плоская проекция в разрезе по оси симметрии двухкоординатного пьезодвижителя; на фиг.З - аналогичная проекция трехкоорди- натного пьезодвижителя; на фиг.4 - аналогичная проекция центрального пьезодвижителя, предназначенного для позиционирования измерительной иглы; на фиг.5 - вне масштаба четыре пьезодвижителя, рассеченные горизонтальной плоскостью. (Детали, размещенные в пьезотрубках для удобства изображения на чертеже не показаны); на фиг.6 - принципиальная электрическая блок-схема управления СТМ.

Конструкция заявляемого туннельного микроскопа состоит из станины 1 (фиг.1), представляющей собой плоский титановый диск, на котором укреплены на равных расстояниях (порядка 2 см) от центра и расположенных на радиусах, составляющих между собой углы 120°, два двухкоординат- ных пьезодвижителя 2 и один трехкоорди- натный пьезодвижитель 3. На верхних торцах всех трех пьезодвижителей размещены опорные шарики 4, на которые опирается кольцо 5 с закрепленным на нем исследуемым образцом 6, В центре станины 1 установлен центральный пьезодвижитель 7, выполняющий функции узла перемещения потрем взаимно перпендикулярным координатным осям измерительной иглы 8.

Двухкоординатный пьезодвижитель 2 (фиг.2) представляет собой пьезокерамиче- скую трубку 9, заключенную в титановый корпус, состоящий из основания корпуса 10 и ввернутого в него стакана 11. Основание корпуса 10 в своей нижней части имеет цилиндрический хвостовик с резьбой, при помощи которого пьезодвижитель крепится в соответствующем отверстии станины 1. На внутренней и внешней цилиндрической поверхности пьезотрубки 9 нанесено токопро- водящее покрытие, Причем такое покрытие на внешней поверхности пьезотрубки для осуществления возможности трехмерного перемещения образца выполнено в виде трех изолированных секторов а,Ь и с (фиг.5). Боковая цилиндрическая поверхность стакана 11 имеет три прорези в горизонтальных плоскостях шириной 0,5 мм, верхняя из которых расположена на расстоянии 5 мм от верхнего торца стакана, а вторая и третья прорези расположены ниже на расстояниях 1,5 и 3 мм от первой прорези соответственно. Длина каждой прорези равна 140 дуговых градусов, а оси их симметрии расположены друг относительно друга под углами 120°. Эти прорези уменьшают жесткость боковой поверхности стакана 11 и таким образом позволяют деформировать жестко сопряженную с ним пьезотрубку 9 в любом направлении при подаче напряжения на ее тонкопроводящее покрытие. Приводимые размеры прорезей были подобраны экспериментально и зависят от физических свойств материала стакана 11.

Трехкоординатный пьезодвижитель 3 (см. фиг.З) также представляет собой пьезо- керамическую трубку 9, заключенную в титановый корпус, состоящий из основания корпуса 12 и ввернутого в него стакана 13. Боковая цилиндрическая поверхность стакана 13 имеет точно такие же прорези, как и соответствующая поверхность стакана 11, которые выполняют те же функции. На верхний торец пьезокерамической трубки 9 опирается своим кольцеобразным высту- помвтулкэ 14, в которой размещена кварцевая трубка 15. Через изолирующую прокладку 16 в кварцевую трубку 15 своей нерезьбовой частью вставлен опорный винт 17, который фиксирован гайкой 18. На боковой поверхности втулки 14 закреплена пластинчатая пружина 19, которая через отверстие в боковой стенке втулки 14 опирается на кварцевую трубку 15. Применение пластинчатой пружины в данной конструкции обусловливается необходимостью увеличения силы трения при перемещении кварцевой трубки 15 относительно втулки 14. что в свою, очередь диктуется выбором оптимальных условий для осуществления шагового перемещения движущейся части (детали 4, 15, 16, 17, 18) данного пьезодвит жителя..

Конструкция центрального пьезодви- жителя 7 (фиг.4) полностью совпадает с кон- струкцией пьезодвижителя 3, однако дополнительно включает два элемента. Под нижний торец гайки 18 подведена изолирующая втулка 20, удерживаемая цилиндрической пружиной 21, которая своим нижним витком упирается в дно основания корпуса 12, А вместо опорного шарика на верхнем торце опорного винта укреплена измерительная игла 8. Необходимость создания дополнительного усилия на нижний торец гайки 18 обусловливается тем, что, компенсируя силу тяжести деталей 15, 16, 17 и 18, создаются условия для шагового перемещения измерительной иглы вертикально вверх.

Кроме того, токопроводящее покрытие внешней цилиндрической поверхности пьезокерамической трубки 9А выполнено в виде четырех изолированных секторов е, f, g и h, поскольку в этом случае обеспечивается наиболее оптимальное перемещение от де- 5 формации пьезотрубки по трем взаимно перпендикулярным осям.

Электрическая блок-схема СТМ (фиг.6) состоит из:

источника постоянного напряжения,

0 (ИПН), создаваемого в цепи между острием измерительной иглы и поверхностью образца;

предварительного усилителя (ПУ) туннельного тока;

5 блока обратной связи (БОС) по туннельному току;

генератора пилообразного напряжения (ГПН);

источника постоянного высокого напря0 жения (ИВН), регулируемого в диапазоне от -200 В до+200 В;

блоков электрических переключателей А, В, С и D и условно обозначенных изолированных секторов токопроводящих покры5 тий(7.7е....,2е).

Микроскоп работает следующим образом. С помощью источника постоянного на- пряжения ИПН (фиг.6) между измерительной иглой и образцом подают

0 постоянное напряжение вдиапззоне 0,001- 1 В и начинают приближать образец к измерительной игле.

Переключатель В (фиг,6) устанавливают в положение 1, чтобы соединить три изоли5 рованныхсектора За,3в иЗс(фиг.5)токопро- водящего покрытия внешней поверхности пьезотрубки 9 пьезодвижителя 3 в один внешний электрод. Внутренним электродом служит сплошное токопроводящее покры0 тие 3 на внутренней поверхности той же пьезотрубки 9. Переключатель D устанавливают в положение 2 и, таким образом, на вышеназванные внешний и внутренний электроды пьезотрубки 9 пьезодвижителя 3

5 (фиг.1 и фиг.З} подают пилообразное напряжение амплитудой 250 В и частотой 50 Гц от генератора пилообразного напряжения ГПН (фиг.б). {При этом переключатели А и С устанавливают в произвольное положение).

0 За один период подаваемого напряжения опорный узел, состоящий из деталей 4, 15, 16, 17, 18, благодаря пьезоэффекту (в данном случае эффекту сжатия пьезотрубки под воздействием линейно возрастающего при5 ложенного напряжения) опускается вниз. Таким образом, кольцо 5, опирающееся на три опорных шарика 4, поворачивается вокруг оси, проходящей через опорные шарики двух двухкоординатных пьезодвижителей 2, и поворачивается так. что образец 6 приближзется к игле 8 на расстояние 0,2 мкм. При практически мгновенном падении напряжения до нуля сила инерции опорного узла превышает силу трения покоя между сопряженными поверхностями деталей 14 и 15 (фиг.З), в результате чего опорный узел не меняет положения в пространстве (остается на месте), а пьезотрубка 9 и опирающаяся на нее втулка 14 перемещается вверх, то есть возвращаются в исходное положение. При частоте пилообразного напряжения, равной 50 Гц, средняя скорость перемещения центра образца 6 к острию иглы 8 составляет 0,01 мм/с. При появлении тока между измерительной иглой и образцом блок обратной связи БОС (фиг.6) вырабатывается сигнал, прекращающий подачу пилообразного напряжения. Таким образом, образец оказывается на расстоянии от острия измерительной иглы, не превышающем 1 мкм, что является необходимым условием работы СТМ. Так завершается первый этап подготовки микроскопа к работе, то есть грубого сближения образца с острием иглы.

На втором этапе подготовки микроскопа к работе выбирают исследуемый участок поверхности образца и приближают к нему острие иглы следующим образом. Смотря в оптический микроскоп, выбирают интересующий исследователя участок на поверхности образца и определяют способ и направление перемещения к нему измерительной иглы. Переключатель В переводят в положение 2 и, таким образом, электрически соединяют одноименные (обозначенные одной и той же бук вой) секторы токопроводящих покрытий всех трех пье- зотрубок 9. Переключатель С устанавливают, например, в положение 1, а переключатель переводят в положение 3, что обеспечивает подачу пилообразного напряжения на две группы секторов: (2а+3а) и (2d+3d+2b+3b+2c+3c). В зависимости от номера положения (1,2 или 3) переключателя С кольцо 5 с закрепленным на нем образцом б при включении подачи пилообразного на пряжения от ГПН перемещается водном из трех направлений в горизонтальной плоскости; образующих между собой угол 120°. Это происходит следующим образом.

Под воздействием линейно возрастающего приложенного напряжения три пьё- зотрубки пьезодвижителей 2 и 3 благодаря пьезоэффекту изгибаются одинаковым образом в одном из трех направлений, что ведет к горизонтальному смещению кольца с образцом в том же направлении. При практически мгновенном падении напряжения до нуля три пьезодвижителя быстро выпрямляются, а кольцо с образцом благодаря

своей инерции проскальзывает относительно опорных шариков и сохраняет свое положение в горизонтальной плоскости. За один период пилообразного напряжения кольцо

с образцом смещается в горизонтальной плоскости на расстояние 0,5 мкм. Положение образца относительно измерительной иглы контролируется с помощью оптического микроскопа. С помощью серии последо0 вательных перемещений кольца с образцом в горизонтальной плоскости выбранный для изучения участок поверхности образца подводят к измерительной игле на расстояние 1 мкм. Так заканчивается второй этап под5 готовки СТМ к работе, то есть этап грубого выбора исследуемого участка на поверхности образца.

После этого начинают исследование образца. Для этого с помощью центрального

0 пьезодвижителя измерительную иглу подводят к выбранному участку поверхности образца на расстояние 10 А. Для подведения иглы переключатель А устанавливают в положение 2, а переключатель D в положе5 ние 4. При этом пилообразное напряжение от ГПН подается на внешний электрод пье- зотрубки 9А пьезодвижителя 7, образованный соединенными электрически секторами 7е,. 7f, 7g и 7h токопроводящего покрытия

0 пьезотрубки. Внутренним электродом служит внутренняя поверхность 7d токопроводящего покрытия той же пьезотрубки. При таком положении переключателей происхо-. . дит шаговое перемещение вверх опорного

5 узла, состоящего из сопряженных деталей 8, 15, 16, 17, 18. Работа центрального пьезодвижителя при этом полностью аналогична работе пьезодвижителя 3, Описанной выше.

0 При появлении тока между измерительной иглой и образцом блок обратной связи: БОС (фиг.6) вырабатывает сигнал, прекращающий подачу пилообразного напряжения. После этого переключатель А устанавливают

5 в положение 1, а переключатель С в положение 4. При этом положение переключателей на все три пьезодвижителя узла позиционирования образца подают регулируемое в диапазоне от -200 В до +200 В постоянное

0 напряжение от источника высокого напряжения ИВН (фиг.6}. под действием которого деформации пьёзокерамических трубок обеспечивают вертикальные перемещения кольца с образцом в диапазоне ± 1 мкм. На

5 секторы внешнего токопроводящего покрытия пьезотрубки 9А пьезодвижителя 7 подают электрические сигналы развертки от БОС. Эти сигналы представляют собой изменяющиеся во времени равные и противо- положные по знаку электрическ.ие

Т

напряжения, подаваемые на пары секторов 7е и 7g, 7f и 7h, под действием которых пьезодвижитель 7 изгибается по осям X и Y Предварительный усилитель тока ПУ (фиг.6) измеряет туннельный ток между измери- тельной иглой и образцом, который стабилизируется с помощью блока обратной связи БОС, вырабатывающей электрическое напряжение обратной связи, подающееся на электрод 7 центрального пьезодвижителя. Напряжение обратной связи регистрируют как функцию сигналов развертки и, таким образом, получают карту рельефа изучаемой поверхности.

После завершения исследований пере- ключатель А устанавливают в положение 2, а переключатель D в положение 1 и включают ГПН. При этом измерительная игла 8, закрепленная в опорном узле центрального пьезодвижителя удаляется от поверхности образца.

Авторы считают уместным отметить отсутствие клееных и паяных соединений в конструкции заявляемого микроскопа, а также легкость манипулирования исследуё- мыми образцами, что дает возможность использовать заявляемый СТМ в сверхвысоко- вакуумных установках.

Использование изобретения позволит получать геометрические профили поверхностей металлов и полупроводников, а также карты их электронных свойств в произвольной газовой среде и в условиях сверхвысокого вакуума на участке площадью 1 мкм2 с атомным разрешением в плоскости XY. Разрешение по оси может

. о

достигать 0,1 А. При этом на поверхности образца площадью 1 см можно выбрать интересующий исследователя участок и подвести к нему измерительную иглу на расстояние 0,5 мкм. Эта способность заявляемого СТМ особенно важна для технологических применений,

В Институте физических проблем АН СССР разработаны рабочие чертежи заявляемого микроскопа/по которым был изготовлен один опытный образец, используемый в настоящее время при проведении научных исследований. В эксплуатациисозданный микроскоп зарекомендовал себя как надежный, эффективный и удобный в обслуживании прибор.

Использование: сканирующий туннельный микроскоп относится к электронным приборам для исследования физических свойств поверхностей твердых тел с разрешающей способностью порядка размеров атома. Сущность изобретения: микроскоп содержит станину, узел позиционирования образца и узел перемещения измерительной иглы, один из которых включает три, а другой один трубчатый пьезодвижитель. Пьезодвижитель узла перемещения иглы и по крайней мере один пьезодвижитель узла позиционирования образца выполнены с возможностью пошагового изменения своей высоты путем введения упругоподжа- тых инерционных подвижных штоков, которые могут быть выполнены в виде кварцевых трубок с опорными винтами. Корпуса пьезодвижителей целесообразно выполнять в виде стаканов с поперечными прорезями, симметрично расположенными по окружности и последовательно сдвинутыми по высоте стакана. 6 ил. (/

Фор м у ла изобретения

Фиг.4

6Ы1.Ш

Фиг.З

фиг, 4

0

) 3

%