RU2227333C1

RU2227333C1 - Scanning probe microscope with automatic cantilever tracking system

Info

Publication number: RU2227333C1
Application number: RU2002121275/28A
Authority: RU
Inventors: ев А.В. Бел; А.В. Беляев; В.В. Жижимонтов; В.А. Быков; С.А. Саунин
Original assignee: Зао "Нт-Мдт"
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2004-04-20
Also published as: RU2002121275A

Abstract

FIELD: cantilever tracking systems using scanning probe microscopes. SUBSTANCE: scanning probe microscope has base-coupled scanner that mounts cantilever for engagement with specimen, first mirror coupled with scanner, and laser optically coupled with first mirror, cantilever, and photodetector. Cantilever motion path is disposed on sphere. First mirror is overhanging from scanner for turning together with cantilever about center of sphere so that reflecting surface of first mirror faces cantilever and functions as central perpendicular to section interconnecting current position of cantilever and center of sphere, and continuation of laser optical axis beyond first mirror crosses center of sphere. EFFECT: enlarged functional capabilities; enhanced tracking precision and reliability, facilitated adjustment of device. 22 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к зондовым микроскопам, обеспечивающим сканирование объектов кантилевером с автоматическим слежением за ним лазерным лучом.The invention relates to probe microscopes, which provide scanning of objects with a cantilever with automatic tracking by a laser beam.

Известен сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) с системой слежения за кантилевером, содержащий пьезосканер с первым кронштейном, на котором установлен кантилевер, сопряженный со сканируемым объектом, а также лазер, закрепленный посредством второго кронштейна на пьезосканере и оптически сопряженный с кантилевером и фотоприемником, установленным в зоне регистрации отраженного от кантилевера луча [1].A scanning probe microscope (SPM) with a cantilever tracking system is known, comprising a piezoscanner with a first bracket on which a cantilever is mounted, paired with a scanned object, and a laser mounted by means of a second bracket on a piezoscanner and optically paired with a cantilever and a photodetector installed in the zone registration of the beam reflected from the cantilever [1].

Недостатки указанного устройства связаны с размещением лазера на пьезосканере, что приводит к усложнению конструкции и юстировки, и, следовательно, к снижению надежности устройства.The disadvantages of this device are associated with the placement of the laser on a piezoscanner, which leads to a complication of design and alignment, and, therefore, to a decrease in the reliability of the device.

Известен также СЗМ с системой слежения за кантилевером, содержащий пьезосканер с кронштейном, на котором установлен кантилевер, сопряженный со сканируемым объектом, плоское зеркало, закрепленное внутри пьезосканера параллельно его оси, а также лазер по крайней мере с одной линзой, оптически сопряженный с плоским зеркалом, кантилевером и фотоприемником, установленным в зоне регистрации отраженного от кантилевера луча [2]. Траектория перемещения кантилевера лежит на сфере, если микроскоп не отслеживает топографию поверхности, или в пределах сферического слоя, толщина которого равна диапазону перемещения сканера перпендикулярно поверхности образца.Also known is an SPM with a cantilever tracking system, comprising a piezoscanner with an arm on which a cantilever is mounted that is paired with a scanned object, a flat mirror mounted inside the piezoscanner parallel to its axis, and a laser with at least one lens that is optically paired with a flat mirror, cantilever and photodetector installed in the registration area of the beam reflected from the cantilever [2]. The trajectory of the cantilever lies on the sphere, if the microscope does not track the topography of the surface, or within a spherical layer whose thickness is equal to the range of movement of the scanner perpendicular to the surface of the sample.

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.The specified device is selected as a prototype of the proposed solution.

Основной недостаток указанного устройства заключается в невозможности слежения за перемещением кантилевера по двум координатам, что снижает функциональные возможности прибора. Второй недостаток связан со сложностью доступа к зеркалу, расположенному внутри используемого обычно трубочного пьезосканера. Это усложняет его юстировку. Кроме этого, внутреннее расположение зеркала ограничивает диапазон его подвижки из-за ограниченных размеров трубочных пьезосканеров (обычно их диаметр составляет величину порядка 5-15 мм), что также ограничивает возможности юстировки. Третий недостаток связан с тем, что зеркало закреплено непосредственно на поверхности пьезокерамики либо на ней же через плоский элемент. Это приводит к тому, что в процессе сканирования при изменении размеров пьезокерамики на зеркало постоянно действуют силы растяжения-сжатия и изгиба (равно как и на пьезокерамику со стороны зеркала), это, в свою очередь, приводит к снижению точности слежения, а также к снижению надежности закрепления зеркала. Четвертый недостаток заключается в том, что лазерное излучение поступает на зеркало непосредственно через пьезосканер, а это увеличивает функциональную нагрузку на зону, противоположную кантилеверу, которая к тому же используется для закрепления пьезосканера и вывода его проводов, что усложняет конструкцию прибора и снижает его надежность.The main disadvantage of this device is the inability to track the movement of the cantilever in two coordinates, which reduces the functionality of the device. The second disadvantage is the difficulty of accessing the mirror located inside the commonly used tube piezoscanner. This complicates its adjustment. In addition, the internal arrangement of the mirror limits the range of its movement due to the limited size of the tube piezoscanners (usually their diameter is about 5-15 mm), which also limits the possibility of adjustment. The third disadvantage is that the mirror is mounted directly on the surface of piezoceramics or on it through a flat element. This leads to the fact that in the process of scanning, when the dimensions of the piezoceramics are changed, the tensile-compression and bending forces constantly act on the mirror (as well as on the piezoceramics from the side of the mirror), this, in turn, leads to a decrease in the tracking accuracy and also to a decrease reliability of fixing the mirror. The fourth drawback is that the laser radiation enters the mirror directly through the piezoscanner, and this increases the functional load on the area opposite to the cantilever, which is also used to fix the piezoscanner and output its wires, which complicates the design of the device and reduces its reliability.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, повышении точности слежения, надежности и упрощении юстировки.The technical result of the invention is to expand the functionality, improve tracking accuracy, reliability and simplify alignment.

Указанный технический результат достигается за счет того, что СЗМ с системой слежения за кантилевером, содержащий сопряженный с основанием сканер с кантилевером, закрепленным на сканере с возможностью взаимодействия с образцом, такой что траектория перемещения кантилевера расположена на сфере, а также содержащий первое зеркало, связанное со сканером, и лазер, оптически сопряженный с первым зеркалом, кантилевером и фотоприемником, имеет консольное закрепление первого зеркала на сканере с возможностью поворота вместе с кантилевером вокруг центра сферы таким образом, что отражающая поверхность первого зеркала обращена в сторону кантилевера и является срединным перпендикуляром к отрезку, соединяющему текущее положение кантилевера и центр сферы, а продолжение оптической оси лазера за первое зеркало проходит через центр сферы.The specified technical result is achieved due to the fact that the SPM with a tracking system for the cantilever, containing a scanner coupled to the base with a cantilever mounted on the scanner with the ability to interact with the sample, such that the cantilever's trajectory is located on the sphere, and also containing the first mirror associated with scanner, and the laser, optically paired with the first mirror, cantilever and photodetector, has a cantilever mounting of the first mirror on the scanner with the possibility of rotation along with the cantilever wok the center of the sphere so that the reflecting surface of the first mirror faces the cantilever and is the median perpendicular to the segment connecting the current position of the cantilever and the center of the sphere, and the continuation of the laser optical axis beyond the first mirror passes through the center of the sphere.

Второй вариант выполнения СЗМ заключается в том, что лазер, первое зеркало и фотоприемник расположены так, что падающий на кантилевер и отраженный от него лучи лежат в плоскости, проходящей через ось сканера.The second embodiment of the SPM is that the laser, the first mirror and the photodetector are located so that the rays incident on the cantilever and reflected from it lie in a plane passing through the axis of the scanner.

Третий вариант выполнения СЗМ заключается в том, что лазер, первое зеркало и фотоприемник расположены так, что плоскость, проходящая через падающий на кантилевер и отраженный от него лучи, расположена под утлом к оси сканера.The third embodiment of the SPM consists in the fact that the laser, the first mirror and the photodetector are located so that the plane passing through the rays incident on the cantilever and reflected from it is located under the angle to the scanner axis.

Четвертый вариант выполнения СЗМ заключается в том, что между кантилевером и фотоприемником установлен оптический элемент таким образом, что фотоприемник расположен в его фокальной плоскости. Вместо оптического элемента может быть установлена оптическая система с различными фокусными расстояниями в двух перпендикулярных направлениях, а ее положение, ориентация и фокусные расстояния подобраны так, что нефункциональные смещения луча на фотоприемнике, вызванные перемещением сканера, минимальны. Оптическая система может состоять из цилиндрической и сферической линз с различными фокусными расстояниями или из двух цилиндрических линз с различными фокусными расстояниями.A fourth embodiment of the SPM is that an optical element is mounted between the cantilever and the photodetector in such a way that the photodetector is located in its focal plane. Instead of an optical element, an optical system can be installed with different focal lengths in two perpendicular directions, and its position, orientation and focal lengths are selected so that the non-functional beam displacements at the photodetector caused by moving the scanner are minimal. An optical system may consist of cylindrical and spherical lenses with different focal lengths or of two cylindrical lenses with different focal lengths.

Пятый вариант выполнения СЗМ заключается в том, что сканер содержит хотя бы одно устройство перемещения кантилевера и первого зеркала параллельно оси сканера, проходящей через кантилевер и центр сферы, и это устройство перемещения состоит из первой и второй частей, при этом основание, первая часть, первое зеркало, вторая часть и кантилевер последовательно сопряжены в указанном порядке, причем направления перемещений кантилевера, вызванных первой и второй частями устройства перемещения, совпадают друг с другом и с направлением перемещения первого зеркала. Величина перемещения первого зеркала первой частью составляет половину величины суммарного перемещения кантилевера, которое вызвано первой и второй частями устройства перемещения.The fifth embodiment of the SPM is that the scanner contains at least one device for moving the cantilever and the first mirror parallel to the axis of the scanner passing through the cantilever and the center of the sphere, and this device for moving consists of the first and second parts, with the base, the first part, the first the mirror, the second part and the cantilever are sequentially conjugated in the indicated order, and the directions of cantilever movements caused by the first and second parts of the movement device coincide with each other and with the direction moved the first mirror. The magnitude of the movement of the first mirror by the first part is half the magnitude of the total movement of the cantilever, which is caused by the first and second parts of the moving device.

В шестом варианте выполнения СЗМ в него введено хотя бы одно второе зеркало, оптически сопряженное с кантилевером и образцом.In the sixth embodiment, the SPM has introduced at least one second mirror optically coupled to the cantilever and the sample.

В седьмом варианте выполнения СЗМ в него введен хотя бы один источник излучения, оптически сопряженный со вторым зеркалом, кантилевером и образцом.In the seventh embodiment of the SPM, at least one radiation source is introduced into it that is optically coupled to a second mirror, cantilever and sample.

В восьмом варианте выполнения СЗМ в него введено хотя бы одно устройство регистрации излучения, оптически сопряженное со вторым зеркалом, кантилевером и образцом.In the eighth embodiment, the SPM includes at least one radiation detection device optically coupled to a second mirror, cantilever and sample.

В девятом варианте выполнения СЗМ в него введен оптический микроскоп, оптически сопряженный со вторым зеркалом, кантилевером и образцом.In the ninth embodiment, an SPM is introduced into it an optical microscope optically coupled to a second mirror, cantilever and sample.

В десятом варианте выполнения СЗМ сканер выполнен с использованием хотя бы одной пьезокерамической трубки.In the tenth embodiment, the SPM scanner is made using at least one piezoceramic tube.

В одиннадцатом варианте выполнения СЗМ сканер содержит хотя бы один подвижный элемент, механически связанный с основанием через шарнир, с возможностью вращения кантилевера и первого зеркала вокруг шарнира хотя бы одним механически связанным движителем. Шарнир может быть выполнен в виде гибкого элемента. Движитель может быть выполнен в виде пьезокерамического, электрострикционного, магнитострикционного элемента или выполнен на основе электромагнита, шагового двигателя или электродвигателя постоянного тока.In the eleventh embodiment, the SPM scanner contains at least one movable element mechanically connected to the base through the hinge, with the possibility of rotation of the cantilever and the first mirror around the hinge by at least one mechanically connected mover. The hinge can be made in the form of a flexible element. The mover can be made in the form of a piezoceramic, electrostrictive, magnetostrictive element, or is based on an electromagnet, a stepper motor, or a direct current electric motor.

На фиг.1 изображена схема СЗМ с системой слежения за кантилевером.Figure 1 shows a diagram of the SPM with a tracking system for the cantilever.

На фиг.2 - четвертый вариант СЗМ с оптическим элементом между кантилевером и фотоприемником.Figure 2 - the fourth variant of the SPM with an optical element between the cantilever and the photodetector.

На фиг.3 - пятый вариант СЗМ с устройством перемещения кантилевера и первого зеркала, состоящим из первой и второй частей.Figure 3 - the fifth variant of the SPM with a device for moving the cantilever and the first mirror, consisting of the first and second parts.

На фиг.4 показаны перемещения первого зеркала 5 и кантилевера 3 вдоль оси сканера и соответствующие положения лазерного луча.Figure 4 shows the movements of the first mirror 5 and cantilever 3 along the axis of the scanner and the corresponding positions of the laser beam.

На фиг.5 изображены шестой - девятый варианты СЗМ со вторым зеркалом и оптическим блоком.Figure 5 shows the sixth to ninth SPM variants with a second mirror and an optical unit.

На фиг.6 изображен десятый вариант СЗМ с пьезокерамической трубкой.Figure 6 shows the tenth version of the SPM with a piezoceramic tube.

На фиг.7 изображен одиннадцатый вариант СЗМ с подвижным элементом, механически связанным с основанием через шарнир и с движителем.Figure 7 shows the eleventh variant of the SPM with a movable element mechanically connected to the base through a hinge and with a mover.

СЗМ с системой слежения за кантилевером (фиг.1.) содержит сканер 1, сопряженный с основанием 2, и кантилевер 3, установленный с возможностью взаимодействия с образцом 4а. Основание содержит систему 4б предварительного сближения зонда и образца (грубого подвода) и держатель образца (не показан, подробно см. в [3]). Кроме того, может присутствовать подвижка образца относительно кантилевера для выбора зоны сканирования, выполненная, например, в виде двухкоординатного стола (также не показана, см. в [5]). Траектория перемещения кантилевера 3, закрепленного на конце сканера 1, расположена на сфере, что обусловлено устройством сканеров, которые могут использоваться в предлагаемой системе слежения. Например, в сканерах на основе пьезотрубок (десятый вариант, фиг.6) сканирование осуществляется в результате изгиба трубки, равномерного по ее длине. Трубка принимает форму дуги окружности, и при малых изгибах это эквивалентно вращению свободного конца трубки и присоединенных к нему частей вокруг центра, расположенного на половине длины изгибающейся части трубки. В сканерах с шарнирным присоединением подвижной части (одиннадцатый вариант, фиг.7) перемещение кантилевера по сфере обусловлено непосредственно вращением вокруг оси или центра шарнира. Первое зеркало 5 с помощью консоли 6 закреплено на сканере 1 с возможностью вращения при сканировании вместе с кантилевером 3 вокруг центра сферы. Отражающая поверхность первого зеркала 5 обращена в сторону кантилевера 3 и является срединным перпендикуляром к отрезку, соединяющему текущее положение кантилевера 3 и центр сферы. Лазер 7 оптически сопряжен с первым зеркалом 5, кантилевером 3, имеющим отражающую поверхность, и фотоприемником 8. Продолжение оптической оси лазера 7 за первое зеркало 5 проходит через центр сферы. С лазером 7 могут быть также сопряжены линза или объектив (не показаны), фокусирующие излучение на кантилевер 3.SPM with a tracking system for the cantilever (Fig. 1.) contains a scanner 1, paired with a base 2, and a cantilever 3, installed with the possibility of interaction with the sample 4A. The base contains a system 4b of preliminary approach of the probe and the sample (coarse approach) and a sample holder (not shown, see details in [3]). In addition, there may be a movement of the sample relative to the cantilever for selecting the scanning zone, made, for example, in the form of a two-coordinate table (also not shown, see [5]). The trajectory of the cantilever 3, mounted on the end of the scanner 1, is located on the sphere, which is due to the arrangement of scanners that can be used in the proposed tracking system. For example, in scanners based on piezotubes (tenth version, Fig. 6), scanning is performed as a result of bending the tube uniformly along its length. The tube takes the form of an arc of a circle, and with small bends this is equivalent to the rotation of the free end of the tube and the parts attached to it around a center located half the length of the bending part of the tube. In scanners with hinged attachment of the movable part (eleventh version, Fig. 7), the movement of the cantilever over the sphere is caused directly by rotation around the axis or center of the hinge. The first mirror 5 using the console 6 is mounted on the scanner 1 with the possibility of rotation during scanning along with the cantilever 3 around the center of the sphere. The reflecting surface of the first mirror 5 is turned towards the cantilever 3 and is the median perpendicular to the segment connecting the current position of the cantilever 3 and the center of the sphere. The laser 7 is optically coupled to the first mirror 5, cantilever 3 having a reflective surface, and a photodetector 8. The extension of the optical axis of the laser 7 beyond the first mirror 5 passes through the center of the sphere. A laser or lens (not shown) focusing the radiation on the cantilever 3 can also be coupled to the laser 7.

Лазер 7 и фотоприемник 8 установлены с возможностью юстировки по трем координатам (например, посредством винтов и возвратных пружин, не показаны). Первое зеркало 5 может иметь юстировку по положению и по углу в двух плоскостях, которая может быть выполнена, например, путем использования тонких пластинок различной толщины с последующим поджимом к ним. Кантилевер 3 на сканере 1 может быть закреплен клеем, припоем, плоской пружиной и т.п. Подробнее указанные элементы описаны в [3]. Сканер 1, лазер 7, фотоприемник 8, а также система 4б предварительного сближения зонда и образца (грубого подвода) подключены к блоку управления 9 (см., например, [3, 5]).The laser 7 and the photodetector 8 are mounted with the possibility of alignment in three coordinates (for example, by means of screws and return springs, not shown). The first mirror 5 may have an alignment in position and angle in two planes, which can be performed, for example, by using thin plates of different thicknesses, followed by pressing them. The cantilever 3 on the scanner 1 can be fixed with glue, solder, a flat spring, etc. These elements are described in more detail in [3]. The scanner 1, laser 7, photodetector 8, as well as the system 4b for preliminary approach of the probe and the sample (coarse approach) are connected to the control unit 9 (see, for example, [3, 5]).

Во втором варианте (см. также фиг.1) лазер 7, первое зеркало 5 и фотоприемник 8 расположены так, что падающий на кантилевер 3 и отраженный от него лучи лежат в плоскости, проходящей через ось сканера 1.In the second embodiment (see also FIG. 1), the laser 7, the first mirror 5 and the photodetector 8 are arranged so that the rays incident on the cantilever 3 and reflected from it lie in a plane passing through the axis of the scanner 1.

В третьем варианте (см. также фиг.1) лазер 7, первое зеркало 5 и фотоприемник 8 расположены так, что плоскость, проходящая через падающий на кантилевер 3 и отраженный от него лучи, расположена под углом к оси сканера 1.In the third embodiment (see also FIG. 1), the laser 7, the first mirror 5 and the photodetector 8 are arranged so that the plane passing through the rays incident on the cantilever 3 and is reflected from it is located at an angle to the axis of the scanner 1.

В четвертом варианте, изображенном на фиг.2, между кантилевером 3 и фотоприемником 8 установлен оптический элемент 10 таким образом, что фотоприемник 8 расположен в его фокальной плоскости. В простейшем случае элемент 10 может представлять собой собирающую линзу. Вместо оптического элемента 10 может быть установлена оптическая система с различными фокусными расстояниями в двух перпендикулярных направлениях, а ее положение, ориентация и фокусные расстояния подобраны расчетом или экспериментально так, что нефункциональные смещения луча на фотоприемнике, вызванные перемещением сканера, минимальны. Для расчета может быть использована программа трассировки лучей в оптических системах (см., например, [6]). Оптическая система может состоять из цилиндрической и сферической линз с различными фокусными расстояниями или из двух цилиндрических линз с различными фокусными расстояниями.In the fourth embodiment, shown in figure 2, between the cantilever 3 and the photodetector 8, an optical element 10 is installed so that the photodetector 8 is located in its focal plane. In the simplest case, the element 10 may be a collecting lens. Instead of the optical element 10, an optical system can be installed with different focal lengths in two perpendicular directions, and its position, orientation and focal lengths are selected by calculation or experimentally so that non-functional beam displacements at the photodetector caused by moving the scanner are minimal. For calculation, a ray tracing program in optical systems can be used (see, for example, [6]). An optical system may consist of cylindrical and spherical lenses with different focal lengths or of two cylindrical lenses with different focal lengths.

В пятом варианте (фиг.3) сканер 1 содержит устройство перемещения кантилевера 3 и первого зеркала 5 параллельно оси сканера 1, проходящей через кантилевер 3 и центр сферы. Устройство перемещения состоит из первой 11 и второй 12 частями, каждая из которых может представлять собой, например, пьезокерамическую трубку. Основание 2, первая часть 11, первое зеркало 5, вторая часть 12 и кантилевер 3 последовательно сопряжены в указанном порядке. Направления (знаки) перемещений кантилевера 3 вдоль оси сканера, вызванные первой 11 и второй 12 частью устройства перемещения, совпадают друг с другом и с направлением перемещения первого зеркала 5. Величина перемещения z1 (фиг.4) первого зеркала 5 первой частью 11 составляет половину величины суммарного перемещения z1+z2 кантилевера 3, которое вызвано первой 11 и второй 12 частями устройства перемещения.In the fifth embodiment (FIG. 3), the scanner 1 comprises a device for moving the cantilever 3 and the first mirror 5 parallel to the axis of the scanner 1 passing through the cantilever 3 and the center of the sphere. The moving device consists of the first 11 and second 12 parts, each of which can be, for example, a piezoceramic tube. The base 2, the first part 11, the first mirror 5, the second part 12 and the cantilever 3 are sequentially paired in this order. The directions (signs) of movements of the cantilever 3 along the axis of the scanner, caused by the first 11 and second 12 parts of the moving device, coincide with each other and with the direction of movement of the first mirror 5. The magnitude of the movement z1 (figure 4) of the first mirror 5 of the first part 11 is half the value the total displacement z1 + z2 of the cantilever 3, which is caused by the first 11 and second 12 parts of the displacement device.

В шестом варианте (фиг.5) в СЗМ введено второе зеркало 14, оптически сопряженное с кантилевером 3 и образцом 4а (остальные элементы СЗМ не показаны). Зеркало предназначено для ввода излучения в область измерения, вывода его из этой области и для оптического наблюдения.In the sixth embodiment (Fig. 5), a second mirror 14 is introduced into the SPM, which is optically coupled to the cantilever 3 and sample 4a (the remaining SPM elements are not shown). The mirror is designed to enter radiation into the measurement region, to bring it out of this region, and for optical observation.

В седьмом - девятом вариантах (фиг.5) в СЗМ введен оптический блок 15, оптически сопряженный со вторым зеркалом 14, кантилевером 3 и образцом 4а.In the seventh - ninth embodiment (Fig. 5), an optical unit 15 is introduced into the SPM, which is optically coupled to a second mirror 14, a cantilever 3 and a sample 4a.

В седьмом варианте оптический блок 15 содержит источник излучения, которое через второе зеркало 14 поступает в область измерения.In the seventh embodiment, the optical unit 15 contains a radiation source, which through the second mirror 14 enters the measurement area.

В восьмом варианте оптический блок 15 содержит устройство регистрации излучения. Устройство регистрации и источник излучения могут использоваться одновременно. Это достигается применением светоделителя (не показан).In an eighth embodiment, the optical unit 15 comprises a radiation detection device. The registration device and the radiation source can be used simultaneously. This is achieved by using a beam splitter (not shown).

В девятом варианте оптический блок 15 содержит оптический микроскоп для наблюдения за областью измерения.In a ninth embodiment, the optical unit 15 comprises an optical microscope for observing the measurement area.

В десятом варианте (фиг.6) сканер 1 выполнен с использованием пьезокерамической трубки 18, которая может осуществлять перемещение кантилевера в плоскости образца и отслеживать рельеф. Одним торцом трубка 18 связана с основанием 2, а на втором конце закреплена консоль 6 с первым зеркалом 5 и кронштейн 19 с кантилевером 3. Пьезокерамическая трубка 18 имеет электроды на внутренней и внешней поверхностях, разделенные хотя бы на одной поверхности на четыре секции для вращения кантилевера 3 и первого зеркала 5 вокруг центра сферы путем изгиба трубки 18. Для перемещения кантилевера вдоль оси трубки 18 на ней могут быть выполнены дополнительные электроды [7].In the tenth embodiment (Fig.6), the scanner 1 is made using a piezoceramic tube 18, which can move the cantilever in the plane of the sample and track the relief. The tube 18 is connected to the base 2 at one end, and the console 6 with the first mirror 5 and the bracket 19 with the cantilever 3 are fixed at the second end. The piezoceramic tube 18 has electrodes on the inner and outer surfaces, divided into at least one surface into four sections for cantilever rotation 3 and the first mirror 5 around the center of the sphere by bending the tube 18. To move the cantilever along the axis of the tube 18, additional electrodes can be made on it [7].

В одиннадцатом варианте (фиг.7) сканер 1 содержит подвижный элемент 20, механически связанный с основанием 2 через шарнир 21с возможностью вращения кантилевера 3 и зеркала 5 вокруг оси или центра шарнира 21. Шарнир 21 может быть выполнен в виде гибкого элемента. Основание 2 или подвижный элемент 20 могут содержать блок перемещения по координате z в направлении зонд - образец (не показан). Подвижный элемент 20 механически связан по крайней мере с одним движителем 22. Движитель 22 может быть выполнен в виде пьезокерамического, электрострикционного, магнитострикционного элемента или выполнен на основе электромагнита, шагового двигателя или электродвигателя постоянного тока. Для преобразования вращения двигателя в перемещение движителя 22 может использоваться, например, винтовая передача (не показана).In the eleventh embodiment (Fig.7), the scanner 1 contains a movable element 20, mechanically connected to the base 2 through the hinge 21 with the possibility of rotation of the cantilever 3 and the mirror 5 around the axis or center of the hinge 21. The hinge 21 can be made in the form of a flexible element. The base 2 or the movable element 20 may contain a block of movement along the z coordinate in the probe - sample direction (not shown). The movable element 20 is mechanically connected with at least one mover 22. The mover 22 can be made in the form of a piezoceramic, electrostrictive, magnetostrictive element or is based on an electromagnet, a stepper motor or a direct current electric motor. To convert the rotation of the engine to the movement of the propulsion device 22, for example, a helical gear (not shown) can be used.

Устройство работает следующим образом. Образец 4а (фиг.1) устанавливают на держатель образца, расположенный на основании 2, а кантилевер 3 - на сканер 1. Сфокусированный лазерный пучок настраивают на кантилевер 3. Фотоприемник 8 устанавливают в зоне отраженного от кантилевера 3 луча. После этого посредством системы грубого подвода осуществляют сближение кантилевера 3 и образца 4а. Отклонение кантилевера 3 образцом 4а, которое фиксирует фотоприемник 8, определяет момент окончания сближения, после чего проводят сканирование образца 4а кантилевером 3 с одновременным слежением за ним лазерным лучом, которое обеспечивает первое зеркало 5. Изображение конца кантилевера 3 в первом зеркале 5 совпадает с центром сферы и остается в центре сферы при сканировании. Продолжение оптической оси лазера 7 проходит через центр сферы, и, следовательно, изображение луча лазера 7, отраженного от первого зеркала 5, проходит через изображение кантилевера 3, а значит, сам отраженный луч попадает собственно на кантилевер 3. Это и объясняет работу системы слежения. Подробнее работу сканирующего зондового микроскопа см. [3, 6].The device operates as follows. Sample 4a (Fig. 1) is mounted on the sample holder located on the base 2, and cantilever 3 is mounted on the scanner 1. The focused laser beam is tuned to the cantilever 3. Photodetector 8 is installed in the region of the beam reflected from the cantilever 3. After that, through the rough supply system, the cantilever 3 and sample 4a are brought closer together. The deviation of the cantilever 3 by the sample 4a, which is fixed by the photodetector 8, determines the moment of approaching, after which the scanning of the sample 4a by the cantilever 3 is carried out with the laser beam tracking it, which provides the first mirror 5. The image of the end of the cantilever 3 in the first mirror 5 coincides with the center of the sphere and remains at the center of the sphere when scanning. The continuation of the optical axis of the laser 7 passes through the center of the sphere, and, therefore, the image of the laser beam 7 reflected from the first mirror 5 passes through the image of the cantilever 3, which means that the reflected beam itself falls on the cantilever 3. This explains the operation of the tracking system. For more details on the operation of a scanning probe microscope see [3, 6].

В процессе работы СЗМ возникают нефункциональные смещения отраженного от кантилевера 3 луча по фотоприемнику 8. Например, если плоскость расположения падающего и отраженного от кантилевера 3 лучей проходит через ось сканера 1, то при сканировании, когда траектория кантилевера лежит в плоскости падения луча, отраженный луч смещается параллельно себе. Для устранения этого смещения устанавливается оптический элемент 10 (фиг.2) так, чтобы фотоприемник 8 находился в фокальной плоскости элемента 10. Другое паразитное смещение (в отсутствие элемента 10) возникает при сканировании в направлении, перпендикулярном плоскости падения луча. Отраженные лучи при разных положениях сканера сходятся в окрестности точки, положение которой зависит от конкретного выбора размеров и углов расположения кантилевера 3 и лазера 7. Эта точка может не совпадать с положением фотоприемника 8, поэтому на фотоприемнике 8 наблюдаются нефункциональные перемещения луча. Для устранения этих перемещений можно применить оптическую систему, которая переносит изображение точки схождения отраженных лучей на фотоприемник 8. Для компенсации нефункциональных перемещений по обоим направлениям можно применить оптическую систему с различными фокусными расстояниями в двух перпендикулярных направлениях.During SPM operation, non-functional displacements of the beam reflected from the cantilever 3 occur along the photodetector 8. For example, if the plane of the incident and reflected rays from the cantilever 3 passes through the axis of the scanner 1, then during scanning, when the cantilever trajectory lies in the plane of incidence of the beam, the reflected beam shifts parallel to yourself. To eliminate this bias, an optical element 10 is installed (FIG. 2) so that the photodetector 8 is in the focal plane of element 10. Another spurious offset (in the absence of element 10) occurs when scanning in a direction perpendicular to the plane of incidence of the beam. The reflected rays at different positions of the scanner converge in the vicinity of the point, the position of which depends on the particular choice of sizes and angles of arrangement of the cantilever 3 and laser 7. This point may not coincide with the position of the photodetector 8, therefore non-functional beam movements are observed on the photodetector 8. To eliminate these movements, you can apply an optical system that transfers the image of the convergence point of the reflected rays to the photodetector 8. To compensate for non-functional movements in both directions, you can apply an optical system with different focal lengths in two perpendicular directions.

При перемещении кантилевера 3 в направлении оси сканера 1 возникает нефункциональное перемещение луча относительно кантилевера. Для устранения этого перемещения в сканере 1 устройство перемещения составлено из первой 11 и второй 12 частей (фиг.3). Первая часть 11 перемещает первое зеркало 5 и кантилевер 3, а вторая часть 12 - только кантилевер 3 относительно первой части. При перемещении первого зеркала 5 на величину z1 отраженный луч смещается на 2 z1 (см. фиг.4). Кантилевер 3 смещается на величину z1+z2. Перемещение z2 вызвано второй частью 12. В результате нефункциональное перемещение луча относительно кантилевера составляет величину 2 z1-(z1+z2)=z1-z2 и отсутствует при равенстве перемещений, вызванных первой 11 и второй 12 частями.When moving the cantilever 3 in the direction of the axis of the scanner 1, non-functional movement of the beam relative to the cantilever occurs. To eliminate this movement in the scanner 1, the movement device is composed of the first 11 and second 12 parts (figure 3). The first part 11 moves the first mirror 5 and cantilever 3, and the second part 12 only cantilever 3 relative to the first part. When the first mirror 5 is moved by z1, the reflected beam shifts by 2 z1 (see Fig. 4). Cantilever 3 is shifted by z1 + z2. The movement of z2 is caused by the second part 12. As a result, the non-functional movement of the beam relative to the cantilever is 2 z1- (z1 + z2) = z1-z2 and is absent when the movements caused by the first 11 and second 12 parts are equal.

Второе зеркало 14 (фиг.5) отражает излучение в область измерения и из нее, делает изображение этой области в виде сверху доступным для наблюдения как невооруженным глазом, так и с помощью оптического микроскопа. Оптический блок 15 сопрягает с исследуемой областью входящие в его состав устройства ввода, вывода излучения и/или оптического наблюдения.The second mirror 14 (Fig. 5) reflects radiation into and out of the measurement region, makes a top-view image of this region accessible for observation both with the naked eye and with an optical microscope. The optical unit 15 mates with the studied area included in its composition of the input device, output radiation and / or optical observation.

В сканере на основе пьезотрубки 18 (фиг.6) при подаче напряжения на электроды пьезотрубка 18 изгибается, при этом консоль 6 с первым зеркалом 5 и кронштейн 19 с кантилевером 3 поворачиваются вокруг центра, расположенного на половине длины изгибающейся части трубки 18. Изображение кантилевера 3 в первом зеркале 5 при любом возможном изгибе пьезотрубки 18 остается в этом центре, что обеспечивает попадание лазерного луча на кантилевер 3 после отражения от первого зеркала 5.In the scanner based on the piezotube 18 (Fig. 6), when the voltage is applied to the electrodes, the piezotube 18 is bent, while the console 6 with the first mirror 5 and the bracket 19 with the cantilever 3 rotate around a center located at half the length of the bending part of the tube 18. Image of the cantilever 3 in the first mirror 5, at any possible bending of the piezotube 18 remains at this center, which ensures that the laser beam hits the cantilever 3 after reflection from the first mirror 5.

Сканер с подвижным элементом 20 (фиг.7) вращает кантилевер 3 и первое зеркало 5 вокруг шарнира 21 при помощи движителя 22.The scanner with a movable element 20 (Fig.7) rotates the cantilever 3 and the first mirror 5 around the hinge 21 using the mover 22.

Использование консоли с закрепленным на ней зеркалом позволяет отслеживать перемещение кантилевера по двум координатам, что расширяет функциональные возможности прибора. Размещение кантилевера таким образом, что его изображение совпадает при сканировании с центром сферы, обеспечивает неподвижность лазерного луча относительно кантилевера.Using the console with a mirror mounted on it allows you to track the movement of the cantilever in two coordinates, which extends the functionality of the device. Placing the cantilever in such a way that its image coincides with the center of the sphere during scanning ensures the immobility of the laser beam relative to the cantilever.

Закрепление зеркала на консоли вне сканера упрощает его юстировку, т.к. при этом облегчен по сравнению с прототипом доступ к нему и увеличен диапазон его перемещения. Кроме этого повышается надежность закрепления зеркала, т.к. оно крепится на металлической основе, а не на пьезокерамике (как у прототипа), изменяющей размеры в процессе сканирования.Fixing the mirror on the console outside the scanner simplifies its adjustment, as while easier compared with the prototype access to it and increased the range of its movement. In addition, the reliability of fixing the mirror increases, because it is mounted on a metal base, and not on piezoceramics (as in the prototype), which resizes during scanning.

Установка лазера с оптической осью вне сканера упрощает конструкцию и повышает надежность прибора по сравнению с прототипом, где излучение от лазера поступает через базовый торец пьезосканера, который используется для закрепления пьезосканера.Installing a laser with an optical axis outside the scanner simplifies the design and increases the reliability of the device compared to the prototype, where the radiation from the laser enters through the base end of the piezoscanner, which is used to fix the piezoscanner.

Расположение лазера, первого зеркала и фотоприемника так, что падающий на кантилевер и отраженный от него лучи лежат в плоскости, проходящей через ось сканера, обеспечивает отсутствие нефункциональных смещений по фотоприемнику.The location of the laser, the first mirror and the photodetector so that the rays incident on the cantilever and reflected from it lie in a plane passing through the axis of the scanner, ensures the absence of non-functional displacements along the photodetector.

Расположение лазера, первого зеркала и фотоприемника так, что плоскость, проходящая через падающий на кантилевер и отраженный от него лучи, расположена под углом к оси сканера, освобождает пространство над кантилевером и обеспечивает возможность более удобного доступа к области измерения, например позволяет легко расположить там второе зеркало для введения и выведения излучения.The arrangement of the laser, the first mirror and the photodetector so that the plane passing through the rays incident on the cantilever and reflected from it is located at an angle to the axis of the scanner, frees up space above the cantilever and provides more convenient access to the measurement area, for example, allows you to easily place the second one there a mirror for introducing and removing radiation.

Использование оптического элемента, сопряженного с фотоприемником, позволяет устранить нефункциональное параллельное смещение отраженного от кантилевера луча по фотоприемнику, возникающее при сканировании.The use of an optical element coupled to the photodetector allows eliminating the non-functional parallel shift of the beam reflected from the cantilever along the photodetector that occurs during scanning.

Применение пар цилиндрическая - сферическая линзы, а также цилиндрическая - цилиндрическая линзы, сопряженных с фотоприемником и имеющих различные фокусные расстояния, позволяет устранить паразитные смещения отраженного от кантилевера луча по фотоприемнику, возникающие при сканировании, по двум направлениям.The use of pairs of cylindrical - spherical lenses, as well as cylindrical - cylindrical lenses, paired with a photodetector and having different focal lengths, eliminates spurious biases of the beam reflected from the cantilever along the photodetector during scanning in two directions.

Введение описанного устройства перемещения кантилевера, разбитого на две части, обеспечивает точное слежение за перемещениями кантилевера в направлении оси сканера.The introduction of the described device for moving the cantilever, divided into two parts, provides accurate tracking of the movements of the cantilever in the direction of the scanner axis.

Уменьшение вышеизложенных нефункциональных смещений лучей позволяет повысить разрешение устройства и уменьшить воздействие кантилевера на образец.Reducing the above non-functional displacements of the rays allows to increase the resolution of the device and reduce the impact of the cantilever on the sample.

Использование второго плоского зеркала, закрепленного на кронштейне, позволяет наблюдать зону измерения и упрощает настройку, а также обеспечивает расширение функциональных возможностей СЗМ за счет возможности ввода и вывода излучения в область расположения кантилевера и оптического наблюдения за этой областью.The use of a second flat mirror mounted on the bracket allows you to observe the measurement zone and simplifies tuning, as well as provides the expansion of the SPM functionality due to the possibility of input and output of radiation into the cantilever region and optical observation of this region.

Применение пьезокерамических трубок для построения сканера в СЗМ со слежением упрощает его конструкцию.The use of piezoceramic tubes to build a scanner in the SPM with tracking simplifies its design.

Применение сканера с подвижным элементом на шарнире и движителем расширяет возможности применения описанной системы слежения.The use of a scanner with a movable element on a hinge and a mover expands the possibilities of using the described tracking system.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент US 5861550, G 01 B 5/28, 1999.1. Patent US 5861550, G 01 B 5/28, 1999.

2. Патент US 5560244, G 01 B 5/28, 1996.2. Patent US 5560244, G 01 B 5/28, 1996.

3. Быков В.А. и др. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. Сенсорные системы. Т.12. - 1998, № 1, с.99-121.3. Bykov V.A. et al. Probe microscopy for biology and medicine. Sensory systems. T.12. - 1998, No. 1, pp. 99-121.

4. Данилов А.И. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. Успехи химии. - 1995, 64 (8), с.818-833.4. Danilov A.I. Scanning tunneling and atomic force microscopy in surface electrochemistry. The success of chemistry. - 1995, 64 (8), pp. 818-833.

5. Патент US 5512808, B 26 D 3/06, 1996.5. Patent US 5512808, B 26 D 3/06, 1996.

6. ZEMAX. Focus Software Incorporated, Tucson, AZ 85731.6. ZEMAX. Focus Software Incorporated, Tucson, AZ 85731.

7. Патент GB 2239554, H 01 L 41/09, 1991.7. Patent GB 2239554, H 01 L 41/09, 1991.

Claims

1. Scanning probe microscope with a cantilever tracking system, comprising a base coupled scanner with a cantilever mounted on the scanner to interact with the sample, a first mirror associated with the scanner, and a laser optically coupled to the first mirror, cantilever and photodetector, the path the cantilever moving is located on the sphere, characterized in that the first mirror is mounted cantilever on the scanner with the possibility of rotation together with the cantilever around the center of the sphere in such a way that The leading surface of the first mirror faces the cantilever and is the median perpendicular to the segment connecting the current position of the cantilever and the center of the sphere, and the continuation of the laser optical axis beyond the first mirror passes through the center of the sphere.

2. The microscope according to claim 1, characterized in that the laser, the first mirror and the photodetector are located so that the rays incident on the cantilever and reflected from it lie in a plane passing through the axis of the scanner.

3. The microscope according to claim 1, characterized in that the laser, the first mirror and the photodetector are located so that the plane passing through the rays incident on the cantilever and reflected from it is located at an angle to the scanner axis.

4. The microscope according to claim 1, characterized in that between the cantilever and the photodetector an optical element is installed so that the photodetector is located in its focal plane.

5. The microscope according to claim 1, characterized in that between the cantilever and the photodetector there is an optical system with different focal lengths in two perpendicular directions, and its position, orientation and focal lengths are selected so that non-functional beam displacements on the photodetector caused by moving the scanner, are minimal.

6. The microscope according to claim 5, characterized in that the optical system consists of cylindrical and spherical lenses with different focal lengths.

7. The microscope according to claim 5, characterized in that the optical system consists of two cylindrical lenses with different focal lengths.

8. The microscope according to claim 1, characterized in that the scanner contains at least one device for moving the cantilever and the first mirror parallel to the axis of the scanner passing through the cantilever and the center of the sphere, and this device for moving consists of the first and second parts, the base being the first a part, a first mirror, a second part and a cantilever are successively conjugated in the indicated order, and the directions of movement of the cantilever caused by the first and second parts of the movement device coincide with each other and with the direction of movement of the first grinned.

9. The microscope according to claim 8, characterized in that the amount of movement of the first mirror by the first part is half the magnitude of the total movement of the cantilever, which is caused by the first and second parts of the movement device.

10. The microscope according to claim 1, characterized in that at least one second mirror is inserted into it, optically conjugated with the cantilever and the sample.

11. The microscope according to claim 1 or 10, characterized in that at least one radiation source is introduced into it that is optically coupled to a second mirror, cantilever and sample.

12. The microscope according to claim 1 or 10, characterized in that at least one radiation detecting device is optically coupled to the second mirror, cantilever and sample.

13. The microscope according to claim 1 or 10, characterized in that an optical microscope is inserted into it, which is optically coupled to a second mirror, a cantilever and a sample.

14. The microscope according to claim 1, characterized in that the scanner is made using at least one piezoceramic tube.

15. The microscope according to claim 1, characterized in that the scanner contains at least one movable element mechanically connected to the base through the hinge, with the possibility of rotation of the cantilever and the first mirror around the hinge by at least one mechanically connected mover.

16. The microscope according to clause 15, wherein the hinge is made in the form of a flexible element.

17. The microscope according to item 15 or 16, characterized in that the mover is made in the form of a piezoceramic displacement element.

18. The microscope according to clause 15 or 16, characterized in that the mover is made in the form of an electrostrictive displacement element.

19. The microscope according to clause 15 or 16, characterized in that the mover is made in the form of a magnetostrictive displacement element.

20. The microscope according to clause 15 or 16, characterized in that the mover is made on the basis of an electromagnet.

21. The microscope according to clause 15 or 16, characterized in that the mover is made on the basis of a stepper motor.

22. The microscope according to clause 15 or 16, characterized in that the propulsion device is made on the basis of a DC motor.