RU2254640C1 - Координатный стол - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим перемещения объекта по трем координатам (X, Y, Z) и точную повторяемость положений объекта при его переустановке, например для перемещения образцов, держателей образцов, зондов и других элементов в сканирующей зондовой микроскопии. Изобретение направлено на обеспечение широкого диапазона перемещения по всем трем координатам с возможностью быстрой замены образцов и зондов и сохранения их первоначального положения. Координатный стол содержит платформу, на которой посредством устройства перемещения с первыми направляющими установлены первая каретка, вторая каретка с основанием и держатель объекта с возможностью перемещения по первой и второй взаимно перпендикулярным координатам. Введены вторые направляющие, закрепленные на первой каретке, третьи направляющие, закрепленные на второй каретке, третья каретка, установленная посредством третьих направляющих на второй каретке, содержащая ферромагнитный вкладыш и держатель объекта. Устройство перемещения с первыми направляющими выполнено в виде трехкоординатного пьезодвигателя, вторая каретка установлена на вторых направляющих, на платформе установлен первый магнит с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате, перпендикулярной плоскости первой и второй координат. На второй каретке установлен второй магнит с возможностью взаимодействия с первым магнитом и ферромагнитным вкладышем третьей каретки. Вторые направляющие могут быть выполнены в виде трех первых сферических опор. Третья каретка может содержать три вторые сферические опоры. Третьи направляющие изготовлены в виде стоек, на первых концах которых выполнено по одной гладкой поверхности, а на вторых концах - по две V-образно расположенных гладких поверхности. При этом стойки установлены с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате на второй каретке и расположены возможностью взаимодействия первыми концами с тремя первыми сферическими опорами, а вторыми концами - со вторыми сферическими опорами. Три стойки могут быть установлены на второй каретке таким образом, что линии пересечения их V-образно расположенных гладких поверхностей расположены под углами друг к другу либо параллельно друг другу. Второй магнит установлен с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим перемещения объекта по трем координатам (X, Y, Z) и точную повторяемость положений объекта при его переустановке. Например, устройство может быть использовано для перемещения образцов, держателей образцов, зондов и других элементов в сканирующей зондовой микроскопии.

Известен координатный стол, состоящий из основания, каретки и направляющих с роликами, расположенных вдоль координат X, Y [1].

Первый недостаток указанного устройства заключается в невозможности быстрого снятия каретки с платформы, что затрудняет замену образца. Второй недостаток связан со сложностью конструкции направляющих с роликами, что не позволяет создать компактное устройство. Третьим недостатком является отсутствие возможности перемещения каретки по третьей координате Z.

Известен координатный стол, где платформа и каретка выполнены в виде одной детали, а направляющими являются тонкие перемычки в виде плоских пружин [2].

Недостатками указанного устройства являются невозможность снятия каретки с платформы, малый ход координатного стола и отсутствие возможности перемещения каретки по третьей координате Z.

Известен также координатный стол, содержащий платформу, на которой посредством четырех плоских пружин закреплена первая каретка с возможностью перемещения по первой координате (X). Внутри первой каретки также с помощью четырех плоских пружин закреплена вторая каретка с возможностью перемещения по второй координате (Y), перпендикулярной координате X. Плоские пружины в данном устройстве выполняют роль направляющих. Первая и вторая каретки расположены с возможностью взаимодействия с первым и вторым пьезоприводами, а также с первым и вторым пружинными упорами, закрепленными на платформе координатного стола.

Первым недостатком указанного устройства является малый ход кареток координатного стола, связанный с использованием пьезоприводов и плоских пружин. Второй недостаток заключается в отсутствии возможности замены объекта с сохранением его первоначального положения, что бывает необходимым при использовании координатного стола в сложных технологических устройствах, например в сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ). Третий недостаток состоит в отсутствии возможности перемещения кареток по третьей координате Z.

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

Задачей изобретения является создание координатного стола, позволяющего использовать его, например, в сканирующей зондовой микроскопии для перемещения образцов и зондов по трем координатам, с возможностью быстрой замены образцов и зондов, с сохранением их первоначального положения.

Технический результат изобретения заключается в увеличении диапазона перемещения объектов по двум координатам в плоскости образца (X, Y), в возможности перемещения объектов по координате Z, перпендикулярной плоскости образца, и в обеспечении точной повторяемости положений объекта при его переустановке.

Указанный технический результат достигается тем, что в координатный стол, содержащий платформу, на которой посредством устройства перемещения с первыми направляющими установлены первая каретка, вторая каретка с основанием и держатель объекта с возможностью перемещения по первой и второй взаимно перпендикулярным координатам, введены вторые направляющие, закрепленные на первой каретке, третьи направляющие, закрепленные на второй каретке, третья каретка, установленная посредством третьих направляющих на второй каретке, содержащая ферромагнитный вкладыш и держатель объекта, устройство перемещения с первыми направляющими выполнено в виде трехкоординатного пьезодвигателя, вторая каретка установлена на вторых направляющих, на платформе установлен первый магнит с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате, перпендикулярной плоскости первой и второй координат, на второй каретке установлен второй магнит с возможностью взаимодействия с первым магнитом и ферромагнитным вкладышем третьей каретки.

Существует вариант, в котором вторые направляющие выполнены в виде трех первых сферических опор.

Существует также вариант, в котором третья каретка содержит три вторые сферические опоры, третьи направляющие изготовлены в виде стоек, на первых концах которых выполнено по одной гладкой поверхности, а на вторых концах - по две V-образно расположенных гладких поверхности, при этом стойки установлены с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате на второй каретке и расположены с возможностью взаимодействия первыми концами с тремя первыми сферическими опорами, а вторыми концами - со вторыми сферическими опорами.

Возможен вариант, в котором три стойки установлены на второй каретке таким образом, что линии пересечения их V-образно расположенных гладких поверхностей расположены под углами друг к другу либо параллельно друг другу.

Возможен также вариант, в котором второй магнит установлен с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате.

На фиг.1 и 2 изображены виды координатного стола сбоку и сверху. На фиг.3 изображен вариант использования координатного стола в составе СЗМ.

Координатный стол содержит платформу 1 (фиг.1), на которой закреплены первые направляющие 2, а также первый, и второй, и третий приводы по взаимно перпендикулярным первой (X), второй (Y) и третьей (Z) координатам соответственно. Приводы и направляющие 2 в данном конкретном случае выполнены в виде пьезодвигателя 3 (пьезосканера). Например, это может быть трехкоординатная секционно-разделенная пьезотрубка. (Подробно см. в [4, 5, 6]).

Кроме этого, на платформе 1 закреплен первый магнит 4, расположенный с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате Z. Для этого может быть использован винт 5 с закрепленным на конце, например, с помощью клеевого шва 6 первым магнитом 4. Существует вариант, в котором первый магнит 4 установлен на винте 5 с возможностью подвижки в плоскости первой и второй координат. Для обеспечения плоскопараллельного перемещения первого магнита 4 в плоскости XY на винте 5 может быть выполнено два упругих шарнира 7. Незначительное перемещение по координате Z при этом в данном случае пренебрежительно мало. Дополнительная подвижка магнита 4 может быть обеспечена клеевым швом 6 на основе пластичного клея (например, ВГО-1).

На пьезосканере 3, в состав которого входят направляющие 2, установлена первая каретка 8 с отверстием 9. На первой каретке 8 закреплены (например, вклеены) вторые направляющие 10, которые могут быть выполнены в виде трех первых сферических опор, изготовленных, например, из стали ШХ15. На вторых направляющих 10 установлена вторая каретка 11 с основанием 12 и вторым магнитом 13. Для этого могут быть использованы третьи направляющие 14, закрепленные во второй каретке 11. Второй магнит 13 расположен с возможностью взаимодействия с первым магнитом 4 и может быть установлен в отверстие 15, второй каретке 11 при помощи втулки 16. Закрепление магнита 13 во втулке 16 может осуществляться посредством клеевого шва 17, а закрепление втулки 16 в каретке 11 - при помощи стопорного винта 18. Существует вариант, в котором третьи направляющие 14 выполнены в виде стоек 19 с гладкими поверхностями 20 на их первых концах, расположенных с возможностью взаимодействия со вторыми направляющими 10. Вторые концы стоек 19 могут быть выполнены в виде V-образных гладких поверхностей 21. Стойки 19 могут быть установлены в сквозных отверстиях второй каретки 11 с образованием выемок 22 и закреплены посредством стопорных винтов (не показаны), клея и т.п. Выемки 22 формируют ограниченное пространство для перемещения каретки 11 по вторым направляющим 10. Гладкие поверхности 20 и 21 на первых и вторых концах стоек 19 могут быть образованы, например, накладками из поликора, приклеенными к первым и вторым концам стоек 19 (не показано).

На второй каретке 11 посредством третьих направляющих 14 установлена третья каретка 23, содержащая держатель 24 объекта 25 и ферромагнитный вкладыш 26. Причем ферромагнитный вкладыш 26 и второй магнит 13 расположены с возможностью взаимодействия друг с другом. Держатель 24 объекта 25 может быть установлен на каретке 23, например, с использованием винтов (не показано), клея и т.п. (Тоже относится к закреплению объекта 25 на держателе 24). Возможен вариант, когда в качестве держателя объекта 25 используется непосредственно третья каретка 23. Ферромагнитный вкладыш 26 может быть закреплен на каретке 23 с использованием винтов (не показано), клея и т.п. Третья каретка 23 может содержать три вторые сферические опоры 27, изготовленные, например, из стали ШХ15, вмонтированные в третью каретку 23 и взаимодействующие с третьими направляющими 14. Стойки 19 при этом могут быть установлены таким образом, что линии пересечения 28 их V-образных поверхностей 21 будут сориентированы под углами друг другу либо параллельно.

Координатный стол 29 в составе СЗМ 30 (фиг.3) может быть установлен на плиту 31 и сопряжен объектом 25 с зондом 32, закрепленным на пьезосканере 33. Подробнее состав СЗМ см. в [4, 5, 6, 7]. На фиг.3 изображен вариант, в котором в качестве объекта 25 используют исследуемый образец. Однако существует вариант, где в качестве объекта 25 может быть использован держатель с зондом (не показано). На пьезосканере 33 при этом будет закреплен исследуемый образец.

Устройство работает следующим образом.

Держатель 24 с образцом 25 закрепляют на третьей каретке 23, которую устанавливают на стойки 19. При этом линии пересечения 28 стоек 19 расположены под углом друг к другу. После этого осуществляют подвод зонда 32 к образцу 25 и его исследование (см. подробно в [5, 6, 7]). Далее при необходимости исследования другой зоны образца 25 подают пилообразные напряжения на пьезосканер 3 и осуществляют двухкоординатное (X, Y) перемещение второй каретки 11 по вторым направляющим 10. Подробнее использование пилообразных напряжений для перемещения объектов см. в [8, 9]. После завершения исследования образца 25 или его модификации производят отвод зонда 32 от поверхности образца 25, вынимают каретку 23 из СЗМ и при необходимости осуществляют технологические воздействия на образец 25, такие как травление резиста, напыление слоев, ионная имплантация и т.п. [10, 11].

Далее каретка 23 с образцом 25 может быть установлена на стойки 19 для проведения следующих технологических операций с использованием СЗМ. Погрешность установки при этом в предложенном координатном столе, имеющем сферические опоры 27, расположенные на ⌀14 мм, не превышала 1 мкм.

В том случае, если в качестве объекта 25 используют зонд СЗМ, каретку 23 снимают для переустановки или заточки зонда. После этого каретку 23 возвращают на место, сохраняя положение зонда по координатам X, Y относительно образца.

При использовании координатного стола в составе вакуумного СЗМ описанные переустановки зондов и образцов будут осуществляться с использованием вакуумных манипуляторов [12, 13].

При перемещениях каретки 11 по направляющим 10 благодаря шарнирам 7 возможна подвижка по координатам X, Y магнита 4 вслед за магнитом 13, что уменьшит усилия возврата каретки 11 в центральное положение.

Положения магнитов 4, 13 и вкладыша 26 по координате Z выбираются таким образом, чтобы, с одной стороны, происходило интересующее перемещение каретки 11, а с другой, не возникало ее нефункциональное смещение при установке каретки 23.

В том случае, если линии пересечения 29 стоек 19 параллельны друг другу, имеется возможность осуществлять точное инерционное перемещение каретки 23 по одной координате. В этом случае целесообразно посредством установки магнитов 4 и 13 обеспечить неподвижное положение каретки 11 относительно каретки 8, чтобы при инерционном перемещении каретки 23 по стойкам 19 не возникало нефункциональных смещений поверхностей 20 по направляющим 10. Точность перемещения каретки 23 при этом будет определяться точностью расположения V-образных элементов 21 и сферических поверхностей 27.

Введение вторых направляющих, закрепленных на первой каретке, третьих направляющих, закрепленных на второй каретке, третьей каретки, установленной посредством третьих направляющих на второй каретке, содержащих ферромагнитный вкладыш и держатель объекта, позволяет увеличить диапазон перемещения объектов.

Выполнение устройства перемещения с первыми направляющими в виде трехкоорднтного пьезодвигателя, а также применение ферромагнитного вкладыша, первого и второго магнитов обеспечивают трехкоординатное перемещение, а также инерционные перемещения объектов.

Введение третьей каретки, содержащей ферромагнитный вкладыш и установленной вместе с держателем объекта на второй каретке, обеспечивает возможность снятия третьей каретки с держателем объекта, точную фиксацию держателя с объектом за счет возможности взаимодействия ферромагнитного вкладыша третьей каретки и второго магнита.

Выполнение вторых направляющих в виде трех первых сферических опор повышает точность плоско-параллельного перемещения второй каретки относительно первой за счет уменьшения влияния сил трения.

Выполнение третьих направляющих в виде стоек, установленных во второй каретке и взаимодействующих с третьей кареткой и первой, снижает влияние нанодрейфов за счет уменьшения количества поверхностей соприкосновения между направляющими и держателем объекта.

Выполнение на первых концах стоек по одной гладкой поверхности, а на вторых концах по две V-образно расположенных гладких поверхности и взаимодействие их с первыми и вторыми сферическими опорами обеспечивают точную переустановку объектов.

Установка стоек на второй каретке таким образом, что линии пересечения их гладких поверхностей расположены под углами друг к другу, сводит к минимуму нефункциональное перемещение второй каретки относительно первой.

Установка стоек на второй каретке таким образом, что линии пересечения их гладких поверхностей расположены параллельно друг другу, позволяет инерционно перемещать третью каретку в плоскости XY вдоль линий пересечения гладких поверхностей.

Установка второго магнита с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате позволяет регулировать силу взаимодействия с ферромагнитным вкладышем третей каретки, т.е. увеличивать или уменьшать силу прижима третьей каретки к третьим направляющим, что позволяет перемещать каретку с держателем объекта.

Литература

1. Патент US №5561299, Jnt.C1.6 H 01 J 37/20, 01.10.1996.

2. Патент US №5051594, Jnt.C1.5 G 21 K 5/10, 24.09.1991.

3. Патент US №5360974, Jnt.C1.5 G 21 K 5/0, 01.11.1994.

4. Патент RU №2199171, H 01 L 41/09, 20.02.2003.

5. Y.Kuk, P.Sulverman. Scanning tunneling microscope instrumentation. Rev.Sci. Instrum 60 (1989) №2, 165-180.

6. Зондовая микроскопия для биологии и медицины В.А.Быков и др. Сенсорные системы, т. 12, №1, 1998 г., с.99-121.

7. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И.Данилов, Успехи химии 64(8), 1995 г., с.818-833.

8. Патент US №5214342, Jnt. C1.5 H 01 L 41/08, 25.05.1993.

9. Решение о выдаче от 11.12.2003 по заявке №2002/26069/28(027808).

10. Моряков О.С. Элионная обработка. М., Высшая школа, 1990, 128 с.

11. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М., "Советское радио", 1980, 423 с.

12. Патент RU №2158454, H 01 J 37/26, 27.10.2000.

13. Патент US №5157256, H 01 J 37/26, 1991.

Claims (6)

1. Координатный стол, содержащий платформу, на которой посредством устройства перемещения с первыми направляющими установлены первая каретка, вторая каретка с основанием и держатель объекта с возможностью перемещения по первой и второй взаимно перпендикулярным координатам, отличающийся тем, что в него введены вторые направляющие, закрепленные на первой каретке, третьи направляющие, закрепленные на второй каретке, третья каретка, установленная посредством третьих направляющих на второй каретке, содержащая ферромагнитный вкладыш и держатель объекта, устройство перемещения с первыми направляющими выполнено в виде трехкоординатного пьезодвигателя, вторая каретка установлена на вторых направляющих, на платформе установлен первый магнит с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате, перпендикулярной плоскости первой и второй координат, на второй каретке установлен второй магнит с возможностью взаимодействия с первым магнитом и ферромагнитным вкладышем третьей каретки.

2. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что вторые направляющие выполнены в виде трех первых сферических опор.

3. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что третья каретка содержит три вторые сферические опоры, третьи направляющие изготовлены в виде стоек, на первых концах которых выполнено по одной гладкой поверхности, а на вторых концах по две V-образно расположенные гладкие поверхности, при этом стойки установлены с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате на второй каретке и расположены с возможностью взаимодействия первыми концами с тремя первыми сферическими опорами, а вторыми концами со вторыми сферическими опорами.

4. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что три стойки установлены на второй каретке таким образом, что линии пересечения их V-образно расположенных гладких поверхностей расположены под углами друг к другу.

5. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что три стойки установлены на второй каретке таким образом, что линии пересечения их V-образно расположенных гладких поверхностей расположены параллельно друг к другу.

6. Координатный стол по п.1, отличающийся тем, что второй магнит установлен с возможностью перемещения и фиксации по третьей координате.

Images