RU1797149C - Сканирующий туннельный микроскоп - Google Patents

Abstract

Использование: сканирующий туннельный микроскоп относитс  к электронным приборам дл  исследовани  физических свойств поверхностей твердых тел с разрешающей способностью пор дка размеров атома. Сущность изобретени : микроскоп содержит станину, узел позиционировани  образца и узел перемещени  измерительной иглы, один из которых включает три, а другой один трубчатый пьезодвижитель. Пьезодвижитель узла перемещени  иглы и по крайней мере один пьезодвижитель узла позиционировани  образца выполнены с возможностью пошагового изменени  своей высоты путем введени  упругоподжа- тых инерционных подвижных штоков, которые могут быть выполнены в виде кварцевых трубок с опорными винтами. Корпуса пьезодвижителей целесообразно выполн ть в виде стаканов с поперечными прорез ми, симметрично расположенными по окружности и последовательно сдвинутыми по высоте стакана. 6 ил. (/

Description

Предполагаемое изобретение относитс  к электронным приборам, предназначенным дл  исследовани  физических свойств поверхностей твердых тел с разрешающей способностью пор дка размеров атома.

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

Наиболее близким к за вл емому устройству по технической сущности и достигаемому результату (прототипом)  вл етс  сканирующий туннельный микроскоп, содержащий станину с закрепленными на ней узлом позиционировани  образца в виде трех независимых трубчатых пьезокерами- ческих двухкоординатных движителей и узлом перемещени  по трем взаимно перпендикул рным координатам измерительной иглы, выполненным в виде пьезбтрубки, на верхнем торце которой размещена игла. Этот микроскоп позвол ет позиционировать образец в горизонтальной плоскости и сканировать выбранное место на поверхности образца площадью пор дка 1 мкм с разрешающей способностью пор дка размеров атома.

Недостатком прототипа  вл етс  его функциональна  ограниченность, заключающа с  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  вл етс  основным недостатком прототипа, который сочетаетс  со вторым его недостатком: невозможностью проведени  сканировани  с.прежним разрешением поверхностей тех образцов, масса которых превышает 5г.

Первый недостаток обусловлен тем, что максимальна  деформаци  пьезотрубки со- ставл ет пор дка нескольких микрометров, а измерительна  игла относительно нее жестко фиксирована..

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

Целью изобретени   вл етс  ликвидаци  указанных недостатков прототипа, а именно, расширение его функциональных возможностей путем использовани  прин- ципа инерционных шаговых движителей как в узле позиционировани  образца, так и в узле перемещени  измерительной иглы.

. Указанна  цель достигаетс  тем, что в за вл емом сканирующем туннельном мик- роскопе, содержащем станину с закреплен- ными на ней узлом позиционировани  образца в виде трех независимых трубчатых пьезодвижителей с закрепленными опорными шариками на их верхних торцах и узел перемещени  потрем взаимно перпендикул рным координатным ос м измерительной иглы, выполненный в виде расположенного в центре станины трубчатого пьезодвижител  с закрепленной на его верхнем торце измерительной иглой, согласно изобретению , узел позиционировани  образца до- полнительно содержит кольцо дл  креплени  образца, а верхн   часть одного из трех его пьезодвижителей конструктивно совпадает с верхней частью пьезодвижите- л  иглы и выполнена в виде опирающейс  своим кольцеобразным выступом на верхний торец пьезотрубки втулки, в которой размещена кварцева  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 опираетс  пластинчата  пружина, а в нижней части пьезодвижител  иглы предусмотрена опирающа с  на нижний торец гайки изолирующа  втулка, удерживаема  цилиндрической пружиной . Все четыре трубчатые пьезодвижител  зажаты в металлические стаканы с

поперечными прорез ми, выполненными в их боковой цилиндрической поверхности.

На фиг. 1 схематически, в аксонометрии, вне масштаба и с условно подн тым кольцом дл  креплени  образца (дл  удобства изображени ) приведена конструкци  за вл емого микроскопа (общий вид); на фиг.2 - плоска  проекци  в разрезе по оси симметрии двухкоординатного пьезодвижител ; на фиг.З - аналогична  проекци  трехкоорди- натного пьезодвижител ; на фиг.4 - аналогична  проекци  центрального пьезодвижител , предназначенного дл  позиционировани  измерительной иглы; на фиг.5 - вне масштаба четыре пьезодвижител , рассеченные горизонтальной плоскостью . (Детали, размещенные в пьезотрубках дл  удобства изображени  на чертеже не показаны); на фиг.6 - принципиальна  электрическа  блок-схема управлени  СТМ.

Конструкци  за вл емого туннельного микроскопа состоит из станины 1 (фиг.1), представл ющей собой плоский титановый диск, на котором укреплены на равных рассто ни х (пор дка 2 см) от центра и расположенных на радиусах, составл ющих между собой углы 120°, два двухкоординат- ных пьезодвижител  2 и один трехкоорди- натный пьезодвижитель 3. На верхних торцах всех трех пьезодвижителей размещены опорные шарики 4, на которые опираетс  кольцо 5 с закрепленным на нем исследуемым образцом 6, В центре станины 1 установлен центральный пьезодвижитель 7, выполн ющий функции узла перемещени  потрем взаимно перпендикул рным координатным ос м измерительной иглы 8.

Двухкоординатный пьезодвижитель 2 (фиг.2) представл ет собой пьезокерамиче- скую трубку 9, заключенную в титановый корпус, состо щий из основани  корпуса 10 и ввернутого в него стакана 11. Основание корпуса 10 в своей нижней части имеет цилиндрический хвостовик с резьбой, при помощи которого пьезодвижитель крепитс  в соответствующем отверстии станины 1. На внутренней и внешней цилиндрической поверхности пьезотрубки 9 нанесено токопро- вод щее покрытие, Причем такое покрытие на внешней поверхности пьезотрубки дл  осуществлени  возможности трехмерного перемещени  образца выполнено в виде трех изолированных секторов а,Ь и с (фиг.5). Бокова  цилиндрическа  поверхность стакана 11 имеет три прорези в горизонтальных плоскост х шириной 0,5 мм, верхн   из которых расположена на рассто нии 5 мм от верхнего торца стакана, а втора  и треть  прорези расположены ниже на рассто ни х 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 позвол ют деформировать жестко сопр женную с ним пьезотрубку 9 в любом направлении при подаче напр жени  на ее тонкопровод щее покрытие. Приводимые размеры прорезей были подобраны экспериментально и завис т от физических свойств материала стакана 11.

Трехкоординатный пьезодвижитель 3 (см. фиг.З) также представл ет собой пьезо- керамическую трубку 9, заключенную в титановый корпус, состо щий из основани  корпуса 12 и ввернутого в него стакана 13. Бокова  цилиндрическа  поверхность стакана 13 имеет точно такие же прорези, как и соответствующа  поверхность стакана 11, которые выполн ют те же функции. На верхний торец пьезокерамической трубки 9 опираетс  своим кольцеобразным высту- помвтулкэ 14, в которой размещена кварцева  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 пластинчата  пружина 19, котора  через отверстие в боковой стенке втулки 14 опираетс  на кварцевую трубку 15. Применение пластинчатой пружины в данной конструкции обусловливаетс  необходимостью увеличени  силы трени  при перемещении кварцевой трубки 15 относительно втулки 14. что в свою, очередь диктуетс  выбором оптимальных условий дл  осуществлени  шагового перемещени  движущейс  части (детали 4, 15, 16, 17, 18) данного пьезодвит жител ..

Конструкци  центрального пьезодви- жител  7 (фиг.4) полностью совпадает с кон- струкцией пьезодвижител  3, однако дополнительно включает два элемента. Под нижний торец гайки 18 подведена изолирующа  втулка 20, удерживаема  цилиндрической пружиной 21, котора  своим нижним витком упираетс  в дно основани  корпуса 12, А вместо опорного шарика на верхнем торце опорного винта укреплена измерительна  игла 8. Необходимость создани  дополнительного усили  на нижний торец гайки 18 обусловливаетс  тем, что, компенсиру  силу т жести деталей 15, 16, 17 и 18, создаютс  услови  дл  шагового перемещени  измерительной иглы вертикально вверх.

Кроме того, токопровод щее покрытие внешней цилиндрической поверхности пьезокерамической трубки 9А выполнено в виде четырех изолированных секторов е, f, g и h, поскольку в этом случае обеспечиваетс  наиболее оптимальное перемещение от де- 5 формации пьезотрубки по трем взаимно перпендикул рным ос м.

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

источника посто нного напр жени ,

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

предварительного усилител  (ПУ) туннельного тока;

5 блока обратной св зи (БОС) по туннельному току;

генератора пилообразного напр жени  (ГПН);

источника посто нного высокого напр 0 жени  (ИВН), регулируемого в диапазоне от -200 В до+200 В;

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

Микроскоп работает следующим образом . С помощью источника посто нного на- пр жени  ИПН (фиг.6) между измерительной иглой и образцом подают

0 посто нное напр жение 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- вод щего покрыти  внешней поверхности пьезотрубки 9 пьезодвижител  3 в один внешний электрод. Внутренним электродом служит сплошное токопровод щее 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 пьезодвижител  3

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

0 За один период подаваемого напр жени  опорный узел, состо щий из деталей 4, 15, 16, 17, 18, благодар  пьезоэффекту (в данном случае эффекту сжати  пьезотрубки под воздействием линейно возрастающего при5 ложенного напр жени ) опускаетс  вниз. Таким образом, кольцо 5, опирающеес  на три опорных шарика 4, поворачиваетс  вокруг оси, проход щей через опорные шарики двух двухкоординатных пьезодвижителей 2, и поворачиваетс  так. что образец 6 приближзетс  к игле 8 на рассто ние 0,2 мкм. При практически мгновенном падении напр жени  до нул  сила инерции опорного узла превышает силу трени  поко  между сопр женными поверхност ми деталей 14 и 15 (фиг.З), в результате чего опорный узел не мен ет положени  в пространстве (остаетс  на месте), а пьезотрубка 9 и опирающа с  на нее втулка 14 перемещаетс  вверх, то есть возвращаютс  в исходное положение. При частоте пилообразного напр жени , равной 50 Гц, средн   скорость перемещени  центра образца 6 к острию иглы 8 составл ет 0,01 мм/с. При по влении тока между измерительной иглой и образцом блок обратной св зи БОС (фиг.6) вырабатываетс  сигнал, прекращающий подачу пилообразного напр жени . Таким образом, образец оказываетс  на рассто нии от остри  измерительной иглы, не превышающем 1 мкм, что  вл етс  необходимым условием работы СТМ. Так завершаетс  первый этап подготовки микроскопа к работе, то есть грубого сближени  образца с острием иглы.

На втором этапе подготовки микроскопа к работе выбирают исследуемый участок поверхности образца и приближают к нему острие иглы следующим образом. Смотр  в оптический микроскоп, выбирают интересующий исследовател  участок на поверхности образца и определ ют способ и направление перемещени  к нему измерительной иглы. Переключатель В перевод т в положение 2 и, таким образом, электрически соедин ют одноименные (обозначенные одной и той же бук вой) секторы токопровод щих покрытий всех трех пье- зотрубок 9. Переключатель С устанавливают , например, в положение 1, а переключатель перевод т в положение 3, что обеспечивает подачу пилообразного напр жени  на две группы секторов: (2а+3а) и (2d+3d+2b+3b+2c+3c). В зависимости от номера положени  (1,2 или 3) переключател  С кольцо 5 с закрепленным на нем образцом б при включении подачи пилообразного на пр жени  от ГПН перемещаетс  водном из трех направлений в горизонтальной плоскости; образующих между собой угол 120°. Это происходит следующим образом.

Под воздействием линейно возрастающего приложенного напр жени  три пьё- зотрубки пьезодвижителей 2 и 3 благодар  пьезоэффекту изгибаютс  одинаковым образом в одном из трех направлений, что ведет к горизонтальному смещению кольца с образцом в том же направлении. При практически мгновенном падении напр жени  до нул  три пьезодвижител  быстро выпр мл ютс , а кольцо с образцом благодар 

своей инерции проскальзывает относительно опорных шариков и сохран ет свое положение в горизонтальной плоскости. За один период пилообразного напр жени  кольцо

с образцом смещаетс  в горизонтальной плоскости на рассто ние 0,5 мкм. Положение образца относительно измерительной иглы контролируетс  с помощью оптического микроскопа. С помощью серии последо0 вательных перемещений кольца с образцом в горизонтальной плоскости выбранный дл  изучени  участок поверхности образца подвод т к измерительной игле на рассто ние 1 мкм. Так заканчиваетс  второй этап под5 готовки СТМ к работе, то есть этап грубого выбора исследуемого участка на поверхности образца.

После этого начинают исследование образца . Дл  этого с помощью центрального

0 пьезодвижител  измерительную иглу подвод т к выбранному участку поверхности образца на рассто ние 10 А. Дл  подведени  иглы переключатель А устанавливают в положение 2, а переключатель D в положе5 ние 4. При этом пилообразное напр жение от ГПН подаетс  на внешний электрод пье- зотрубки 9А пьезодвижител  7, образованный соединенными электрически секторами 7е,. 7f, 7g и 7h токопровод щего покрыти 

0 пьезотрубки. Внутренним электродом служит внутренн   поверхность 7d токопровод щего покрыти  той же пьезотрубки. При таком положении переключателей происхо-. . дит шаговое перемещение вверх опорного

5 узла, состо щего из сопр женных деталей 8, 15, 16, 17, 18. Работа центрального пьезодвижител  при этом полностью аналогична работе пьезодвижител  3, Описанной выше.

0 При по влении тока между измерительной иглой и образцом блок обратной св зи: БОС (фиг.6) вырабатывает сигнал, прекращающий подачу пилообразного напр жени . После этого переключатель А устанавливают

5 в положение 1, а переключатель С в положение 4. При этом положение переключателей на все три пьезодвижител  узла позиционировани  образца подают регулируемое в диапазоне от -200 В до +200 В посто нное

0 напр жение от источника высокого напр жени  ИВН (фиг.6}. под действием которого деформации пьёзокерамических трубок обеспечивают вертикальные перемещени  кольца с образцом в диапазоне ± 1 мкм. На

5 секторы внешнего токопровод щего покрыти  пьезотрубки 9А пьезодвижител  7 подают электрические сигналы развертки от БОС. Эти сигналы представл ют собой измен ющиес  во времени равные и противо- положные по знаку электрическ.ие

Т

напр жени , подаваемые на пары секторов 7е и 7g, 7f и 7h, под действием которых пьезодвижитель 7 изгибаетс  по ос м X и Y Предварительный усилитель тока ПУ (фиг.6) измер ет туннельный ток между измери- тельной иглой и образцом, который стабилизируетс  с помощью блока обратной св зи БОС, вырабатывающей электрическое напр жение обратной св зи, подающеес  на электрод 7 центрального пьезодвижител . Напр жение обратной св зи регистрируют как функцию сигналов развертки и, таким образом, получают карту рельефа изучаемой поверхности.

После завершени  исследований пере- ключатель А устанавливают в положение 2, а переключатель D в положение 1 и включают ГПН. При этом измерительна  игла 8, закрепленна  в опорном узле центрального пьезодвижител  удал етс  от поверхности образца.

Авторы считают уместным отметить отсутствие клееных и па ных соединений в конструкции за вл емого микроскопа, а также легкость манипулировани  исследуё- мыми образцами, что дает возможность использовать за вл емый СТМ в сверхвысоко- вакуумных установках.

Использование изобретени  позволит получать геометрические профили поверхностей металлов и полупроводников, а также карты их электронных свойств в произвольной газовой среде и в услови х 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 исследовател  участок и подвести к нему измерительную иглу на рассто ние 0,5 мкм. Эта способность за вл емого СТМ особенно важна дл  технологических применений,

В Институте физических проблем АН СССР разработаны рабочие чертежи за вл емого микроскопа/по которым был изготовлен один опытный образец, используемый в насто щее врем  при проведении научных исследований. В эксплуатациисозданный микроскоп зарекомендовал себ  как надежный, эффективный и удобный в обслуживании прибор.

Фор м у ла изобретени 

Claims (3)

1. Сканирующий туннельный микро-скоп , содержащий станину с закрепленным на ней узлом позиционировани  образца в виде трех независимых трубчатых пьезод- вижителей с опорными шариками, закрепленными на их верхних торцах, и узел перемещени  измерительной иглы по трем взаимно перпендикул рным координатным ос м, выполненный в виде расположённого в центре станины дополнительного трубчатого пьезодвижител , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и воспроизводимости условий исследований, пьезодвижитель узла перемещени  измерь тельной иглы и по крайней мере один пьезодвижитель узла позиционировани  образца выполнены с возможностью пошагового изменени  своей высоты путем введени  упругоподжэтых инерционных подвижных штоков, установленных во втулках во внутренних полост х пьезодвижителей, при этом кажда  втулка опираетс  своим кольцеобразным выступом на верхний торец пьезотрубок, а в боковой стенке втулок выполнено отверстие, в котором размещена пластинчата  пружина.

2. Микроскоп по п.1, о т л и ч а ю щ и й- с   тем, что подвижные штоки пьезодвижителей выполнены в виде кварцевых трубок, в которые вставлены опорные винты фиксированные гайками, опирающимис  на цилиндрические пружины.

3. Микроскоп по п.1, о т л и ч а ю щ и й- с   тем, что корпуса пьезодвижителей выполнены в виде стаканов с поперечными прорез ми, симметрично расположенными по окружности и последовательно сдвинутыми по высоте стакана.

Фиг.4

6Ы1.Ш

Фиг.З

фиг, 4

0

) 3

%