ITRM940167A1 - Apparecchiatura per microscopia basata su sonde a scansione. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per l'invenzione industriale dal titolo APPARECCHIATURA PER MICROSCOPIA

BASATA SU SONDE A SCANSIONE

L'invenzione presentata è relativa ad un'apparecchiatura per microscopia basata su sonde a scansione, particolarmente idonea per misure topologiche e del campo elettromagnetico di superficie.

L'esigenza di sviluppare un'apparecchiatura che permettesse di utilizzare tecniche diverse, come TSTM" (Scanning Tunneling Microscope), l'AFM (Atomic Force Microscope), ha portato gli inventori ad ideare un'apparecchiatura "flessibile". Con l'espressione "flessibile" si intende un'apparecchiatura che permette di applicare, appunto, tecniche diverse, come veniva accennato prima, sullo stesso campione in studio o su campioni con caratteristiche diverse come isolanti, semiconduttori, metalli, solidi, liquidi, composti biologici, ecc. senza rimuovere il campione in studio dalla sua posizione di esame.

Per quanto sia a conoscenza degli Inventori, tutti i sistemi sviluppati a livello mondiale per microscopia a sonda a scansione sono limitati a specifiche realtà d'analisi: alcuni fimzionano in aria, altri nel vuoto, alcuni utilizzano l'effetto "tunnel", altri l'effetto "forza atomica", alcuni hanno campi di esplorazione molto piccoli con alta risoluzione, altri hanno campi più grandi, ma bassa risoluzione.

Il risultato più significativo delTinveuzione, e che certamente permette di segnare un passo avanti nella specifica tecnica, risiede soprattutto nel fatto che essa è concepita in modo tale da permettere più tipi di misure sullo stesso campione e più tipi di misure su campioni con caratteristiche diverse.

Dopo l'applicazione di tecniche di microscopia utilizzanti le tecniche "Tunneling", si sono dimostrate possibili ed utili anche altre tecniche come quella della "forza atomica"; tecniche che si sono diffuse come complementari e qualche volta sostitutive della tradizionale tecnica della microscopia elettronica.

I vantaggi comportati dall'invenzione presentata, e per la quale si richiede copertura brevettale, sono inoltre i seguenti:

ambiente unico di lavoro che può, di volta in volta, essere modificato a seconda delle necessità: esposizione a gas, a gas inerti, al vuoto, ecc.; perfetta intercambiabilità delle sonde, anche di tipo diverso (da "Tunneling" a "forza atomica");

alta risoluzione spaziale, anche con grandi campi di misura, con possibilità di analizzale differenti porzioni del campo in esame.

Detta apparecchiatura fornisce, oltre alla necessaria stabilità meccanica e riproducibilità durante la misura, anche un'atmosfera controllata intorno al campione, come ad esempio nel caso del Gas Inerte o dell’Alto Vuoto. Essa presenta una struttura di avvicinamento sonda-campione, ad alta velocità, con uno stadio di movimentazione χ,γ,ζ, completamente automatico, inoltre.

una struttura di scansione ad elementi piezoelettrici pre-caricati e non con i tre movimenti disaccoppiati e non, un preamplificatore posizionato all'intemo dello stadio di movimentazione x,y,z„ con un circuito di contro reazione completamente digitale. Vi è inoltre la possibilità di cambiare facilmente, con una struttura pre-allineata, il tipo di sonda da utilizzare, a seconda della necessità di indagine, testa "Tunneling", testa a "forza atomica", ecc.

L'invenzione può essere collocata nel campo scientifico delle tecniche di microscopia e trova applicazioni in quello dell'analisi microscopica e sub-microscopica di superfici specialmente di campioni organici e non, di metalli e non; dove sia richiesta una caratterizzazione di ricoprimenti; dove siano. richieste analisi di micro-rugosità e di riconoscimento di micro-strutture, anche di tipo magnetico. Per es. per il controllo della fabbricazione dei semiconduttori e nella fabbricazione dei ricoprimenti sottili, con materiali metallici e/o isolanti.

Come risulta agli Inventori da un'attenta analisi della letteratura del campo specifico, le tecniche di microscopia a sonda a scansione sono complementari e migliorative della microscopia elettronica e delle indagini a raggi X.

Tali tecniche possono essere usate in biologia per lo studio di cellule e di processi cellulari, nella scienza dei materiali per caratterizzare nuovi complessi organici ed inorganici, leghe ed interfacce di semiconduttori.

Il trovato qui descritto rappresenta una versione dell'invenzione attualmente preferita dagli Inventori. Ci si riferisce in particolare alle configurazioni dell'insieme e alle parti che la costituiscono, alle dimensioni, alle opportune dislocazioni degli elementi che la compongono, come per esempio flange e portelli che possono essere uno o più.

Per es. il sistema di smorzamento, che può essere costituito da un numero a piacere di molle, oppure le molle possono essere sostituite da materiali elasiici, e via dicendo.

Ciò significa che l'invenzione può essere realizzata con configurazione a piacere. Gli elementi che la costituiscono possono essere uno o più, senza che si perdano quelle caratteristiche innovative che ne rappresentano originalità e ne giustificano quindi la sua brevettabilità. Si ribadisce che il punto centrale della sua innovatività risiede nella sua versatilità applicativa.

L'invenzione viene ora descritta in riferimento ad una versione, attualmente preferita dagli Inventori, come accennato in precedenza, ed in base alle Figure riportate al solo scopo illustrativo e non limitativo.

Fig. 1 - Rappresentazione schematica dell'apparecchiatura per microscopia. Fig. 2 - Rappresentazione schematica del gruppo testa di misura porta-campione del tipo "STM" (Scanning Tunneling Microscope - microscopio a scansione di barriera).

Fig. 3 - Rappresentazione schematica del gruppo testa di misura del tipo "AFM" (Atomic Force Microscope - microscopia a forza atomica).

Fig. 4 - Rappresentazione schematica dello scanner.

Fig. 5 - Vista in pianta della placca di ceramica (elemento indicato con 25 nella Fig. 4.

in Fig. 1 sono visibili i seguenti elementi:

C camera

1 porta campione

2 scanner

3 sistema di movimentazione x, y, z.

4 contenitore dell'insieme 1, 2, 3

5 molle

6 colonnine di sostegno delle molle

7 microscopio ottico

8 portello di supporto apparecchiatura

9 guarnizione

10 passante collegamenti elettrici

1 1 valvola di svuotamento dell'intercapedine

12 guide per scorrimento portello

13 intercapedine

14 supporti di scorrimento

15 flangia di servizio

30 elementi antivibranti

In Fig. 2 è riportata una testa di tipo "STM" (Scanning Tunnelly Microscope). In essa sono visibili:

1 porta campione

16 contenitore della testa di scansione

17 punta di scansione

18 preamplificatore che legge la misura

19 cerniera di collegamento al particolare 4 (base)

La Fig. 3, come accennato prima, riporta una testa di tipo AFM (Atomic Force Microscope). In essa sono visibili :

1 porta campione

19 cerniera

20 laser

2 1 "cantilever" (espressione usata nello specifico linguaggio che indica una micropunta elastica suscettibile alle repulsioni, infatti segue, durante l'operazione, il profilo a livello atomico del campione)

22 specchio

23 rivelatore.

La Fig. 4, riporta lo "scanner". In essa sono visibili:

1 porta campione

24 piezo per movimentazione "z"

25 piezo per movimentazione V ed y

26 base di supporto

27 supporto piezo per movimentazione "z" e collegamento a massa (-) 28 collegamento elettrico (+) piezo (V)

29 collegamenti elettrici applicati ai quattro settori della placca 25.

La Fig. 5 riporta la vista in pianta dell'elemento 25, cioè il piezo per la movimentazione V ed "y", si tratta di una placca, preferibilmente di materiale ceramico piezoelettrico, divisa in quattro settori simmetrici e separati uno dall'altro, ad ognuno dei quali può essere applicata una tensione diversa che può modificare la geometria della placca stessa.

L'invenzione è dunque essenzialmente costituita da : una camera metallica C a doppia parete 13 per isolare dall'esterno il gruppo testa di misura-portacampione 1, con un portello (8) di facile apertura e chiusura che permette l'accesso all'area porta-campione, completo di finestra ottica e microscopio ottico (7) per l'osservazione del campione e di passanti elettrici per controllo e comandi.

Sul corpo della camera C sono presenti delle flange 15, per rendere controllabile do controllata l'atmosfera intorno al campione.

L'apparecchio è provvisto di:

- un sistema taratole di smorzamento 30, 5, 6, delle vibrazioni esterne su cui è montato il gruppo testa (per es. Fig. 2) porta-campione, con blocco comandabile dall'esterno.

H gruppo testa di misura porta-campione è composto a sua volta da:

una base fornita di tre motori elettrici che non si ritiene opportuno descrivere, trattandosi di prodotti reperibili sul mercato, agenti su tre slitte micrometriche per il posizionamento, nello spazio x, y, z;

di un gruppo di scansione piezoelettrico con movimentazione ultramicrometrica x, y, z, al cui interno è alloggiato il porta-campione, con fissaggio del medesimo con sistema magnetico o di altro tipo opportuno;

- un coperchio a cerniera regolabile che alloggia, a seconda delle necessità, la struttura di misura ad effetto"Tunneling" o ad effetto "forza atomica";

elettronica di controllo;

un sistema di controllo dei motori elettrici e dei cristalli

piezoelettrici;

un sistema per acquisire, amplificare, visualizzare memorizzare i segnali.

L'invenzione, per la quale si richiede la copertura brevettuale, è di facile utilizzo. H campione da esaminare si monta a portello 8 aperto con il gruppo motori - testa in blocco mediante comando. Si monta sulla cerniera 19 la testa STM oppure la testa AFM, a seconda del tipo di misura che si vuole eseguire. Si chiude il portello 8 e si sceglie rambiente di misura: vuoto, atmosfera controllata, ecc., utilizzando un adeguato sistema montato sulla flangia 15. Si blocca il gruppo di misura tramite il comando. Si sceglie la parte del campione da osservare tramite il microscopio ottico e, agendo sulla leva comando motori, sita sull'unità di controllo dei motori elettrici x,y,z. Si posiziona quindi il controllo del motore z in automatico ed il controllo passa al computer che a sua volta agisce sul gruppo scanner.

Nel caso della misura STM, il computer regola la tensione applicata al cristallo piezoelettrico z, in modo che resti costante la corrente di "tunneling" tra la micropunta e la superficie del campione, mentre vengono variate le tensioni applicate alla placca x, y dello scanner per completare la mappatura spaziale.

Tutti i dati vengono analizzati e memorizzati dal computer che, in tempo reale, ricostruisce l'immagine topologica delle superficie in esame. Ulteriori informazioni legate al campo elettromagnetico di superficie possono essere ottenute utilizzando variazioni della tensione elettrica applicata al campione ed alla micropunta. Nel caso della misura AFM, il computer acquisisce, tramite il rivelatore, la variazione angolare del fascio laser riflesso dal "cantilever", la cui micropunta è repulsa dalle foize atomiche di superficie^ Anche il questo caso, maitre sai sposta il campione tramite la placca dello scanner, si visualizza e si memorizza rimmagine del campione.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. . Apparecchiatura per microscopia, da utilizzare in particolare per misure topologiche e del campo elettromagnetico di superficie, caratterizzata dal fatto di essere costituita essenzialmente - da una camera preferibilmente metallica (C) a doppia parete (13), dotata di un portello (8) supporto apparecchiatura, completo di finestra ottica e microscopio ottico (7), di passanti elettrici (10), di flange (15) di servizio; - da un sistema tarabile di smorzamento (5), (6) delle vibrazioni esterne su cui è montato il gruppo testa (16) porta-campione, con blocco comandabile dall'esterno; - da strumenti elettronici.
2. 2 . Apparecchiatura per microscopia, da utilizzare in particolare per misure topologiche e del campo elettromagnetico di superficie, secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto che il gruppo testa di misura porta-campione (1) è a sua volta costituito da una base fornita di tre motori elettrici agenti su tre slitte micrometriche (3) per il posizionamento, nello spazio x,y,z, di un gruppo di scansione piezoelettrico con movimentazione ultra-micrometrica x, y, z, al cui interno è alloggiato il porta-campione, (1) con fissaggio del medesimo con sistema magnetico e non; da un coperchio a cerniera regolabile che alloggia la struttura di misura ad effetto "Tunneling" o ad effetto "forza atomica"
3. 3. Apparecchiatura per microscopia, da utilizzare in particolare per misure topologiche, del campo elettromagnetico di superficie, secondo la Riv.l, caratterizzato dal fatto che la finestra ottica con relativo microscopio ottico, permettono di scegliere la zona del campione da visualizzare.
4. 4. Apparecchiatura per microscopia, da utilizzare in particolare per misure topologiche, del campo elettromagnetico, secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto che i passanti elettrici (10) collegati ai sistemi di comando e controllo posti all'esterno consentono la misura mentre il campione è in atmosfera controllata.
5. 5. Apparecchiatura per microscopia, da utilizzare in particolare per misure topologiche e del campo elettromagnetico di superficie, secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto che le flange (15) di servizio permettono di svuotare la camera dell'aria e di controllarne successivamente il tipo di ambiente
6. 6. Apparecchiatura per microscopia, da utilizzare in particolare per misure topologiche, del campo elettromagnetico di superficie, secondo la Riv.l, caratterizzato dal fatto che il sistema tarabile di smorzamento delle vibrazioni e a sua volta costituito da elementi elastici da regolare a seconda delle masse in gioco.
7. 7. Apparecchiatura per microscopia, da utilizzare in particolare per misure topologiche, del campo elettromagnetico di superficie, secondo le Riw. precedenti, caratterizzato dal fatto di effettuare misure topologiche su superimi di campioni con caratteristiche diverse, oppure sullo stesso campione utilizzando tecniche diverse come STM, AFM, ecc., essendo ideata (detta apparecchiatura) in modo di permettere misure del campione in ambiente controllato.