RU2258901C1

RU2258901C1 - Small-sized scanning probing microscope

Info

Publication number: RU2258901C1
Application number: RU2004126981/28A
Authority: RU
Inventors: С.И. Божко (RU); С.И. Божко; В.А. Быков (RU); В.А. Быков; С.А. Саунин (RU); С.А. Саунин; Д.Ю. Соколов (RU); Д.Ю. Соколов
Original assignee: Зао "Нт-Мдт"
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2005-08-20

Abstract

FIELD: nanoelectronics.

SUBSTANCE: small-sized scanning probing microscope has drive and support flange. The latter is conjugated with connecting member provided with measuring head. Measuring head has sample holder with sample, probe holder with probe, mechanism for putting sample holder and piezoelectric scanner and probe holder together. Mechanism for preliminary putting probe and sample together has drive and differential screw. Differential screw is mounted for interaction with drive by means of rotation transmission unit and with probe holder shifting unit. Differential screw is provided with nut. Nut is conjugated with external thread of nut-screw by threat. Nut-screw is mounted for interaction with rotation transmission unit.

EFFECT: improved efficiency of operation.

8 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию, а более конкретно к устройствам для анализа поверхности объектов на атомарном уровне. Малогабаритный сканирующий зондовый микроскоп (МСЗМ) благодаря малым размерам и высокой помехозащищенности может быть использован в криогенных установках в сочетании с высокоинтенсивными источниками магнитного поля. Кроме этого, МСЗМ может быть использован в вакуумных технологических установках, содержащих большое количество технологических устройств и как следствие минимальную возможность встраивания дополнительного оборудования.The invention relates to nanotechnological equipment, and more particularly to devices for analyzing the surface of objects at the atomic level. Due to its small size and high noise immunity, a small-sized scanning probe microscope (SEM) can be used in cryogenic installations in combination with high-intensity magnetic field sources. In addition, the MSSM can be used in vacuum process plants containing a large number of technological devices and, as a result, the minimum possibility of embedding additional equipment.

Известно решение, в котором криогенный СЗМ содержит опорный фланец с манипуляторами и систему подвеса, сопряженную с головной СЗМ [1]. Головка СЗМ содержит первую платформу с приводами, сопряженными с манипуляторами, а также вторую платформу, соединенную с первой платформой и содержащую держатель образца, расположенный с возможностью взаимодействия с зондом. При этом головка содержит привод, механизм предварительного сближения зонда с образцом, а также устройство их относительного сканирования.A solution is known in which the cryogenic SPM contains a support flange with manipulators and a suspension system associated with the head SPM [1]. The SPM head contains a first platform with drives coupled to the manipulators, as well as a second platform connected to the first platform and containing a sample holder arranged to interact with the probe. In this case, the head contains a drive, a mechanism for preliminary approach of the probe to the sample, and also a device for their relative scanning.

Основной недостаток описанного устройства заключается в сложности системы сближения зонда и образца и, соответственно, недостаточную надежность работы устройства.The main disadvantage of the described device is the complexity of the approximation system of the probe and the sample and, accordingly, the insufficient reliability of the device.

Известен также малогабаритный криогенный зондовый микроскоп, содержащий опорный фланец, сопряженный соединительным элементом с измерительной головкой, включающей держатель образца с образцом, установленным на пьезосканере, держатель зонда с зондом, сопряженным с механизмом предварительного сближения образца с зондом, выполненным в виде шагового пьезодвигателя [2]. Описанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.Also known is a small-sized cryogenic probe microscope containing a supporting flange conjugated by a connecting element with a measuring head, including a sample holder with a sample mounted on a piezoscanner, a probe holder with a probe coupled to a preliminary approximation mechanism of a sample with a probe made in the form of a step piezomotor [2] . The described device is selected as a prototype of the proposed solution.

Первый недостаток этого устройства заключается в его несимметрической конструкции, что может приводить к дрейфам и повышенным нефункциональным колебаниям в рабочем промежутке и, соответственно, к снижению разрешения. Кроме этого, несимметричная конструкция увеличивает поперечные габариты устройства, что в условиях низких температур уменьшает функциональные возможности устройства.The first disadvantage of this device is its asymmetric design, which can lead to drifts and increased non-functional fluctuations in the working interval and, consequently, to a decrease in resolution. In addition, the asymmetric design increases the transverse dimensions of the device, which at low temperatures reduces the functionality of the device.

Кроме этого, применение шагового двигателя в условиях низких температур снижает надежность устройства.In addition, the use of a stepper motor at low temperatures reduces the reliability of the device.

Технический результат изобретения заключается в повышении разрешения и функциональных возможностей предложенного устройства. Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритном сканирующем зондовом микроскопе, содержащем привод, опорный фланец, сопряженный соединительным элементом с измерительной головкой, включающей держатель образца с образцом, держатель зонда с зондом, механизм их предварительного сближения, а также пьезосканер, механизм предварительного сближения зонда с образцом содержит привод, закрепленный на опорном фланце, дифференциальный винт, установленный с возможностью взаимодействия с приводом посредством блока передачи вращения и с блоком перемещения держателя зонда с корпусом, соединенным элементом крепления с пьезосканером с держателем образца, при этом дифференциальный винт содержит гайку, сопряженную резьбой с наружной резьбой винт-гайки, которая своей внутренней резьбой сопряжена с винтом, зафиксированным от проворота относительно гайки и установленным с возможностью взаимодействия с блоком перемещения держателя зонда, причем, винт - гайка установлена с возможностью взаимодействия с блоком передачи вращения.The technical result of the invention is to increase the resolution and functionality of the proposed device. The specified technical result is achieved by the fact that in a small-sized scanning probe microscope containing a drive, a support flange conjugated by a connecting element with a measuring head, including a sample holder with a sample, a probe holder with a probe, a mechanism for their preliminary approximation, as well as a piezoscanner, a mechanism for preliminary approach of the probe with a sample contains a drive mounted on a support flange, a differential screw mounted to interact with the drive through the transmission unit rotation and with a probe holder moving block with a housing connected by a mounting element with a piezoscanner with a sample holder, wherein the differential screw contains a nut mated with an external thread of a screw-nut, which, with its internal thread, is mated to a screw fixed against rotation of the nut and installed with the possibility of interaction with the block of movement of the probe holder, moreover, the screw-nut is installed with the possibility of interaction with the block of transmission of rotation.

Существуют варианты, в которых блок перемещения держателя зонда выполнен в виде каретки с держателем зонда, установленной на линейных направляющих на корпусе с поджимом относительно него, а соединительный элемент между опорным фланцем и измерительной головкой - в виде тонкостенной трубки.There are options in which the probe holder moving block is made in the form of a carriage with a probe holder mounted on linear guides on the housing with a clamp relative to it, and the connecting element between the support flange and the measuring head is in the form of a thin-walled tube.

Существует также вариант, в котором в устройство введены нагреватель, закрепленный на каретке с возможностью взаимодействия с образцом, а также измеритель температуры, закрепленный посредством пружины на каретке с возможностью контакта с образцом.There is also an option in which a heater is mounted in the device, mounted on the carriage with the possibility of interaction with the sample, as well as a temperature meter, mounted by means of a spring on the carriage with the possibility of contact with the sample.

Возможны также варианты, где соединительный элемент выполнен в виде пружинного подвеса и фиксатора, закрепленного на опорном фланце и сопряженного с дифференциальным винтом, элемент фиксации держателя образца содержит винт со втулкой, установленный на рабочем фланце и сопряженный с держателем образца.There are also options where the connecting element is made in the form of a spring suspension and a latch mounted on the support flange and mated to a differential screw, the fixing element of the sample holder contains a screw with a sleeve mounted on the working flange and mated with the sample holder.

Блок перемещения держателя зонда выполнен в виде рычага, на котором закреплен держатель зонда, установленного на корпусе с возможностью вращения и поджима относительно него, а элемент крепления пьезосканера выполнен в виде планки, закрепленной на опорном фланце и содержащей внутреннюю конусную поверхность, сопряженную с наружной конусной поверхностью винта, закрепленного на корпусе.The probe holder moving block is made in the form of a lever, on which the probe holder is mounted, mounted on the housing with the possibility of rotation and pressing relative to it, and the piezoscanner mounting element is made in the form of a strap fixed on the support flange and containing an inner conical surface conjugated with the outer conical surface a screw mounted on the housing.

На фиг.1 изображен общий вид МСЗМ. На фиг.2 - вариант выполнения соединительного элемента. На фиг.3 - вариант крепления держателя образца. На фиг.4 - вариант выполнения блока перемещения держателя зонда. На фиг.5 - вариант крепления пьезосканера. На фиг.6, 7 - вариант выполнения блока передачи вращения. На фиг.8 представлена схема использования МСЗМ в криостате. На фиг.9 - схема использования МСЗМ в высоковакуумной камере.Figure 1 shows a General view of the MSSM. Figure 2 - embodiment of the connecting element. Figure 3 - option mounting sample holder. Figure 4 is an embodiment of a block for moving a probe holder. In Fig.5 is a mounting option piezoscanner. In Fig.6, 7 is an embodiment of a rotation transmission unit. On Fig presents a diagram of the use of MSSM in a cryostat. Figure 9 is a diagram of the use of the MSSM in a high-vacuum chamber.

МСЗМ содержит опорный фланец 1 с приводом 2, в качестве которого может быть использован шаговый двигатель. Привод 2 закреплен на фланце 1, например, через стойки 3. Привод 2 с использованием блока передачи вращения, состоящего из муфты 4, соединенной с валом 5 с первым штифтом 6 (например, упругим), сопряжен с дифференциальным винтом 7. Между валом 5 и фланцем 1 может быть установлено фторопластовое или тоновое уплотнение 8.MSMM contains a support flange 1 with a drive 2, which can be used as a stepper motor. The drive 2 is mounted on the flange 1, for example, through the struts 3. The drive 2 using the rotation transmission unit, consisting of a coupling 4 connected to the shaft 5 with the first pin 6 (for example, elastic), is connected to the differential screw 7. Between the shaft 5 and flange 1 can be installed PTFE or tone seal 8.

Дифференциальный винт 7 закреплен на фланце 1 посредством соединительного элемента, в качестве которого может быть использована тонкостенная трубка 9, изготовленная, например, из нержавеющей стали с толщиной стенок 0,2-0,3 мм. Дифференциальный винт 7 содержит гайку 10, сопряженную с винт-гайкой 11, имеющую наружную резьбу 12 и внутреннюю резьбу 13 с различными шагами, а также два шлица 14. Непосредственное сопряжение штифта с дифференциальным винтом 7 осуществлено через шлицы 14 винт-гайки 11. Внутри винт-гайки 11 установлен винт 15, сопряженный вторым штифтом 16 с двумя пазами 17, выполненными в корпусе 18. Пазы 17, как и шлицы 14, должны иметь минимальную шероховатость в зонах взаимодействия со штифтами 6 и 14. В винте 15 могут быть выполнены выборки 19. Кроме этого, винт 15 может быть поджат к гайке 10 пружинами 20, закрепленными для удобства на штифте 16. Торцевая поверхность 21 винта 15 расположена с возможностью взаимодействия с блоком перемещения держателя зонда. Блок перемещения держателя зонда может быть выполнен в виде каретки 22, установленной в выборке 23 одной поверхностью на трех шаровых опорах 24 (одна не показана) и сопряженной другой поверхностью с пружиной 25, закрепленной на корпусе 18. На каретке 22 установлены захваты 26, расположенные с возможностью взаимодействия с выборками 19. Кроме этого, на каретке 22 расположен держатель 27 зонда 28. В качестве держателя 27 в простейшем случае может использоваться трубка с внутренним диаметром, превышающим диаметр зонда на 0,1-0,2 мм. На корпусе 18 посредством элементов крепления 29 закреплен пьезосканер 30, содержащий опору 31 с отверстиями 32, внешнюю пьезокерамическую трубку 33, соединительный фланец 34 с отверстием 35, внутреннюю пьезокерамическую трубку 36, а также рабочий фланец 37 с держателем образца 38 и элементом фиксации, в качестве которого могут быть использованы пружинные лапки 39. На держателе 38 закрепляют образец 40 с использованием клея или также пружинных лапок (не показаны). Элементы 31, 33, 34, 36 и 37 могут быть соединены посредством низкотемпературного клея. В отдельных случаях использования МСЗМ (см. ниже) снабжают нагревателем 41 и измерителем температуры 42. Они могут быть закреплены на каретке 22. Нагреватель 41 чаще выполняют в виде спирали с возможностью лучевого взаимодействия с поверхностью образца 40. Измеритель 42 может быть термопарой или терморезистором, закрепленным на пружине 43 с возможностью контакта с образцом 40. Возможен вариант и иного расположения элементов 41 и 42, например во фланце 37 (не показано).The differential screw 7 is fixed to the flange 1 by means of a connecting element, which can be used as a thin-walled tube 9, made, for example, of stainless steel with a wall thickness of 0.2-0.3 mm. The differential screw 7 contains a nut 10 mating with a screw nut 11 having an external thread 12 and an internal thread 13 with different steps, as well as two slots 14. The pin is directly connected to the differential screw 7 through the slots 14 of the screw-nut 11. Inside the screw -nuts 11, a screw 15 is installed, coupled by the second pin 16 with two grooves 17 made in the housing 18. The grooves 17, like the slots 14, should have a minimum roughness in the zones of interaction with the pins 6 and 14. In the screw 15, selections 19 can be made . In addition, screw 15 may be pressed to the nut 10 by springs 20, mounted for convenience on the pin 16. The end surface 21 of the screw 15 is located with the possibility of interaction with the block of movement of the probe holder. The movement block of the probe holder can be made in the form of a carriage 22 mounted in a sample 23 with one surface on three ball bearings 24 (one not shown) and the other surface mating with a spring 25 fixed to the housing 18. On the carriage 22, grips 26 are located, located with the possibility of interaction with the samples 19. In addition, the holder 27 of the probe 28 is located on the carriage 22. As a holder 27, in the simplest case, a tube with an inner diameter exceeding the diameter of the probe by 0.1-0.2 mm can be used. A piezoscanner 30 is mounted on the housing 18 by means of fastening elements 29, containing a support 31 with holes 32, an external piezoceramic tube 33, a connecting flange 34 with an opening 35, an internal piezoceramic tube 36, and also a working flange 37 with a sample holder 38 and a fixing element, as which spring tabs 39 can be used. A sample 40 is secured to the holder 38 using glue or spring tabs (not shown). Elements 31, 33, 34, 36, and 37 may be joined by low temperature adhesive. In some cases, the use of the MPSM (see below) is provided with a heater 41 and a temperature meter 42. They can be mounted on the carriage 22. The heater 41 is often made in the form of a spiral with the possibility of radiation interaction with the surface of the sample 40. The meter 42 can be a thermocouple or a thermistor, mounted on the spring 43 with the possibility of contact with the sample 40. A variant of a different arrangement of elements 41 and 42, for example in the flange 37 (not shown).

Соединительные кабели от пьезосканера 30, образца 40, зонда 28, нагревателя 41 и измерителя 42 могут проходить в первом варианте внутри корпуса 18 через отверстие 43 и, соответственно, внутри трубки 9 герметичного разъема 44. Во втором варианте кабель от пьезосканера 30 может проходить снаружи элементов 18 и 9 до герметичного разъема 45. В этом случае кабель от сканера 30 может быть вклеен с наружной стороны элементов 18 и 9. В случае использования в качестве измерителя температуры 42 термопары ее выводы должны проходить и уплотняться непосредственно через фланец 1. Разъемы 44 и 45, а также привод 2 подключены к блоку управления (не показан). Более подробно основные элементы зондовых микроскопов описаны в [3, 4, 5].The connecting cables from the piezoscanner 30, sample 40, probe 28, heater 41 and meter 42 can pass in the first embodiment inside the housing 18 through the hole 43 and, accordingly, inside the tube 9 of the sealed connector 44. In the second embodiment, the cable from the piezoscanner 30 can pass outside the elements 18 and 9 to the sealed connector 45. In this case, the cable from the scanner 30 can be glued on the outside of the elements 18 and 9. In the case of using thermocouples as a temperature meter 42, its terminals should pass and be sealed directly through 1. The flange connectors 44 and 45, and actuator 2 are connected to a control unit (not shown). The main elements of probe microscopes are described in more detail in [3, 4, 5].

Существует вариант, в котором вместо тонкостенной трубки 9 в качестве соединительного элемента используют пружинный подвес 46 (фиг.2), а во фланце 1 закреплены фиксаторы, содержащие стержни 47, расположенные в отверстиях 48 гайки 10. Причем стержни 47 содержат конусные упоры 49, сопряженные с ловителями 50, выполненными в отверстиях 48.There is an option in which, instead of a thin-walled tube 9, a spring suspension 46 is used as a connecting element (Fig. 2), and in the flange 1 there are fasteners containing rods 47 located in the holes 48 of the nut 10. Moreover, the rods 47 contain conical stops 49, conjugated with catchers 50 made in the holes 48.

Существует также вариант, в котором в качестве элемента фиксации держателя образца 38 может быть использован винт 51 (фиг.3) со втулкой 52, прижимающей носитель 53 к рабочему фланцу 54, закрепленному на внутренней пьезотрубке 36 пьезосканера 30. В этом случае можно использовать обнижение 55 в носителе 53 со вставками 56, сопряженными с шариками 57, закрепленными в рабочем фланце 54. Винт 51 может быть установлен на втулке 52 невыпадающе, а втулка 52 закреплена на фланце 45, например, клеем.There is also an option in which a screw 51 (FIG. 3) with a sleeve 52, pressing the carrier 53 against the working flange 54, mounted on the inner piezotube 36 of the piezoscanner 30 can be used as a fixing element for the sample holder 38. In this case, an abatement 55 in the carrier 53 with inserts 56 interfaced with the balls 57 fixed in the working flange 54. The screw 51 can be mounted on the sleeve 52 captive, and the sleeve 52 is fixed on the flange 45, for example, with glue.

В отдельных случаях возможно использование магнитных захватов для закрепления зондов и образцов (см., например, [6]).In some cases, it is possible to use magnetic grippers for fixing probes and samples (see, for example, [6]).

Второй вариант блока перемещения держателя зонда может быть выполнен в виде рычажного блока перемещения (фиг.4). В нем торцевая поверхность 21 винта 15 сопряжена с рычагом 58, закрепленным на оси 59 в корпусе 18. При этом целесообразно использовать фиксатор рычага, выполненный, например, в виде плоской пружины 60, закрепленной на корпусе 18 и сопряженной с цилиндрической поверхностью 61 рычага 58.The second variant of the block of movement of the probe holder can be made in the form of a lever block of movement (figure 4). In it, the end surface 21 of the screw 15 is coupled to a lever 58 mounted on an axis 59 in the housing 18. In this case, it is advisable to use a lever lock made, for example, in the form of a flat spring 60, mounted on the housing 18 and mating with a cylindrical surface 61 of the lever 58.

На винте 15 закреплен кронштейн 62 с толканием 63. Держатель 64 зонда 65 установлен на рычаге 58 с возможностью взаимодействия с образцом 40, закрепленным прижимами 66 на держателе 67, соединенным со внутренней пьезотрубкой 36 пьезосканера 30.A bracket 62 with a pushing 63 is fixed on the screw 15. The holder 64 of the probe 65 is mounted on the lever 58 with the possibility of interaction with the sample 40, fixed by clamps 66 on the holder 67, connected to the internal piezotube 36 of the piezoscanner 30.

Вариант элемента крепления 29 (фиг.1) может представлять собой планку 68 (фиг.5), закрепленную на опоре 31 винтом 69 и соединенную с корпусом 18 посредством винта 70 с наружной конусной поверхностью 71. При этом в планке 68 выполнена внутренняя конусная поверхность 72, сопряженная с наружной конусной поверхностью 71 винта 70.A variant of the fastening element 29 (Fig. 1) may be a bar 68 (Fig. 5) fixed to the support 31 by a screw 69 and connected to the housing 18 by means of a screw 70 with an outer conical surface 71. In this case, the inner conical surface 72 is made in the bar 68 mated to the outer conical surface 71 of the screw 70.

Блок передачи вращения (фиг.6, фиг.7) от привода 2 к винт-гайке 11 также может содержать с-образные элементы 73 (функциональный аналог первого штифта) с разведенными в разные стороны концами 74 и 75 и прямолинейным участком 76, установленным в отверстии вала 77 с возможностью вращения. Концы 74 и 75 расположены с возможностью взаимодействия со шлицами 14. Вал 77 может иметь утонение 78, размещенное в обжимной посредством фланца 79 втулке 80, выполненной из фторопласта или витона. Вал 77 может быть установлен с возможностью взаимодействия с направляющей 81 со втулкой 82. Следует заметить, что применение предложенного устройства в криостатах требует выполнение вала 77 длиной порядка 1 м. При этом зона взаимодействия направляющей 81 с валом 77 должна быть максимально приближена к элементу 73. Длину утонения 78 целесообразно уменьшать, чтобы минимизировать ее деформацию вращения.The rotation transmission unit (Fig. 6, Fig. 7) from the drive 2 to the screw-nut 11 may also contain c-shaped elements 73 (a functional analogue of the first pin) with the ends 74 and 75 separated in different directions and a straight section 76 installed in the shaft bore 77 is rotatable. The ends 74 and 75 are arranged to interact with the splines 14. The shaft 77 may have a thinning 78 located in a sleeve 80 crimped by a flange 79 made of fluoroplastic or viton. The shaft 77 can be installed with the possibility of interaction with the guide 81 with the sleeve 82. It should be noted that the use of the proposed device in cryostats requires the implementation of the shaft 77 with a length of about 1 m. In this case, the interaction zone of the guide 81 with the shaft 77 should be as close as possible to the element 73. The length of the thinning 78 is advisable to reduce in order to minimize its deformation of rotation.

Применение МСЗМ 83 (фиг.8) в криостате 84 допускает использование соленоида 85, установленного в емкости 86 с крионосителем 87. Подробно различные типы криостатов см. в [7, 8, 9, 10]. В этом случае возможно использование блоков перемещения держателя зонда, представленных на фиг.1 и фиг.4.The use of ISMM 83 (Fig. 8) in a cryostat 84 allows the use of a solenoid 85 installed in a tank 86 with a cryocarrier 87. For details on various types of cryostats, see [7, 8, 9, 10]. In this case, it is possible to use the blocks of movement of the probe holder shown in figure 1 and figure 4.

При применении блока, изображенного на фиг.4, магнитные силовые линии будут направлены параллельно поверхности образца 40, а при использовании блока по фиг.1 - перпендикулярно.When using the block shown in figure 4, the magnetic lines of force will be directed parallel to the surface of the sample 40, and when using the block of figure 1 - perpendicularly.

При использовании МСЗМ 83 (фиг.9) в высоковакуумной камере 88 охлаждение зоны измерений, например, опорного фланца 37 может осуществляться через гибкие хладопроводы 89, соединенные с криогенным вводом 90.When using the MPSM 83 (Fig. 9) in the high-vacuum chamber 88, the cooling of the measurement zone, for example, the support flange 37, can be carried out through flexible cold leads 89 connected to the cryogenic inlet 90.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Закрепляют образец 40 (фиг.1) на держателе 38, который устанавливают на рабочий фланец 37. Закрепляют зонд 28 в держателе 27. В первом варианте установку зондов и образцов осуществляют в отсоединенном положении пьезосканера 30 от корпуса 18. Соединяют пьезосканер 30 с корпусом 18 посредством элементов 29. После этого устанавливают МСЗМ 73 (фиг.8) в криостат 74 и формируют в зоне измерений требуемую температуру. По достижении рабочей температуры включают привод 2 и осуществляют вращение винт-гайки 11. При перемещении винт-гайки 11 по внешней резьбе 12 в сторону к образцу одновременно осуществляется перемещение винта 15 в сторону от образца по внутренней резьбе 13. В том случае, если шаг резьбы 12 превышает шаг резьбы 13, осуществляется суммарное перемещение винта 15 к образцу 40. Обычно разность шагов 12 и 13 резъб делают в пределах 0,1-0,15 мкм. Винт 15 от проворачивания фиксируется штифтом 16 в пазах 17. Пружины 20 осуществляют поджим винта 15 к гайке 10, уменьшая при этом резьбовые люфты. Поверхность 21 винта 15 взаимодействует с кареткой 22 и осуществляет ее перемещение по опорам 24 к образцу 40 до контакта измерителя 42 с образцом 40 и далее до возникновения рабочего промежутка между зондом 28 и образцом 40. Следует заметить, что пружина 43 не должна оказывать существенного влияния на перемещение образца 40 при сканировании. После этого размыкают поверхность 21 и каретку 22.The sample 40 (Fig. 1) is fixed on the holder 38, which is mounted on the working flange 37. The probe 28 is fixed in the holder 27. In the first embodiment, the probes and samples are installed in the disconnected position of the piezoscanner 30 from the housing 18. The piezoscanner 30 is connected to the housing 18 by elements 29. After that, the MSZM 73 (Fig. 8) is installed in the cryostat 74 and the required temperature is formed in the measurement zone. When the operating temperature is reached, the drive 2 is turned on and the screw-nut 11 is rotated. When the screw-nut 11 is moved along the external thread 12 towards the sample, the screw 15 is simultaneously moved away from the sample along the internal thread 13. In case the thread pitch 12 exceeds the thread pitch 13, the total movement of the screw 15 to the sample 40 is carried out. Typically, the difference between the steps 12 and 13 of the threads is made in the range of 0.1-0.15 microns. The screw 15 from turning is fixed by a pin 16 in the grooves 17. The springs 20 tighten the screw 15 to the nut 10, while reducing the threaded backlash. The surface 21 of the screw 15 interacts with the carriage 22 and moves it along the supports 24 to the sample 40 until the meter 42 contacts the sample 40 and then until the working gap between the probe 28 and the sample 40 occurs. It should be noted that the spring 43 should not significantly affect moving sample 40 during scanning. After that, the surface 21 and the carriage 22 are opened.

При необходимости нагреватели 41 регулируют температуру зоны измерения. Далее осуществляют сканирование образцом 40 относительно зонда 28 и получают требуемую информацию. В описанной конфигурации нагрев и измерение температуры образца 40 происходит на его рабочей поверхности в непосредственной близости от зоны измерения. В том случае, если нагреватель и измеритель температуры расположены во фланце 37 (не показано). Нагрев образца 40 и измерение его температуры происходит косвенно путем нагрева и измерения температуры обратной стороны носителя 38.If necessary, heaters 41 adjust the temperature of the measurement zone. Next, the sample 40 is scanned relative to the probe 28 and the required information is obtained. In the described configuration, heating and temperature measurement of the sample 40 occurs on its working surface in the immediate vicinity of the measurement zone. In the event that the heater and temperature meter are located in flange 37 (not shown). The sample 40 is heated and its temperature is measured indirectly by heating and measuring the temperature of the back of the carrier 38.

Более подробно процессы измерения в зондовой микроскопии см. в [4].For more detailed measurement processes in probe microscopy, see [4].

Отвод зонда 22 от образца 40 осуществляют вращением винта 15 в обратную сторону и передачей усилия выборкой 19 на захвате 26.The probe 22 is withdrawn from the sample 40 by rotating the screw 15 in the opposite direction and transferring the force to the sample 19 on the grip 26.

Специфика работы дифференциального винта 7 при использовании подвеса 46 (фиг.2) заключается в следующем. Включают привод 2, вал 5 штифтом 6 поворачивает гайку 10 по углу. Одновременно, благодаря взаимодействию конусных штифтов 49 с ловителями 50, происходит осевая фиксация гайки 10 относительно фланца 1. После этого работа дифференциального винта осуществляется как описано выше. Следует заметить, что резьбу 12 между гайкой 10 и винт-гайкой 11 необходимо выполнять без зазора, чтобы обеспечить фиксацию гайки 10 на стержнях 47. Фиксацию носителя 53 по фиг.3 производят, вставляя отвертку во втулку 52 и закрепляя носитель 55 на фланце 54. Подвод зонда 65 к образцу 40 (фиг.4) осуществляют перемещением винта 15 в противоположную сторону от образца 40. При этом толкатель 63 взаимодействует с рычагом 15, который, вращаясь на оси 59 против часовой стрелки, осуществляет сближение зонда 65 с образцом 40. Соответственно, при отводе зонда 65 от образца 40 поверхность 21 толкает рычаг 58 по часовой стрелке. Пружина 60 осуществляет фиксацию рычага 58 в рабочем положении. Закрепление пьезосканера 30 (фиг.1) на корпусе 18 с помощью планок 68 (фиг.5) производят благодаря взаимодействию конусных поверхностей 71 и 72 и осевому прижатию опоры 31 к корпусу 18.The specifics of the differential screw 7 when using the suspension 46 (figure 2) is as follows. Drive 2 is turned on, shaft 5 with pin 6 rotates nut 10 in an angle. At the same time, due to the interaction of the taper pins 49 with the catchers 50, the nut 10 is axially fixed relative to the flange 1. After that, the operation of the differential screw is carried out as described above. It should be noted that the thread 12 between the nut 10 and the screw-nut 11 must be performed without a gap in order to fix the nut 10 on the rods 47. The carrier 53 in FIG. 3 is fixed by inserting a screwdriver into the sleeve 52 and fixing the carrier 55 on the flange 54. The probe 65 is supplied to the sample 40 (Fig. 4) by moving the screw 15 in the opposite direction from the sample 40. In this case, the pusher 63 interacts with the lever 15, which, rotating on the axis 59 counterclockwise, brings the probe 65 closer to the sample 40. Accordingly when probe 65 is retracted from sample 40 surface 21 pushes lever 58 clockwise. The spring 60 fixes the lever 58 in the working position. The piezoscanner 30 (Fig. 1) is fixed on the housing 18 using the slats 68 (Fig. 5) due to the interaction of the conical surfaces 71 and 72 and the axial pressing of the support 31 to the housing 18.

Передачу вращения по фиг.6, фиг.7 осуществляют следующим образом. Привод 2 вращает вал 77. Один из отогнутых концов 74 вступает во взаимодействие с одним из шлицов 14. (Одновременного касания концами 74 и 75 не произойдет из-за того, что всегда существуют погрешности изготовления и сборки изделия). После этого осуществляется проворот с-образного элемента в отверстии вала 77 до касания второго отогнутого конца 75 шлица 14 и вращение винт-гайки 11.The rotation transmission of Fig.6, Fig.7 is as follows. The drive 2 rotates the shaft 77. One of the bent ends 74 interacts with one of the slots 14. (Simultaneous contact with the ends 74 and 75 will not occur due to the fact that there are always errors in the manufacture and assembly of the product). After that, the c-shaped element is rotated in the hole of the shaft 77 until the second bent end 75 of the slot 14 touches and the screw-nut 11 is rotated.

Следует заметить, что использование с-образного элемента 73 с разведенными в разные стороны концами 74 и 75 обеспечивает более равномерное силовое взаимодействие вала 77 и винт-гайки 11.It should be noted that the use of the c-shaped element 73 with the ends 74 and 75 separated in different directions provides a more uniform force interaction between the shaft 77 and the screw-nut 11.

Использование направляющей 81 уменьшает нефункциональное перемещение вала 77.The use of the guide 81 reduces the non-functional movement of the shaft 77.

Использование утонения 78 позволяет оптимизировать усилие его зажима при достаточной герметичности устройства.The use of thinning 78 allows you to optimize the clamping force with sufficient tightness of the device.

При использовании МСЗМ 13 в криостате 84 его размещают внутри емкости 86, уплотняют фланец 1, формируют требуемую температуру и осуществляют измерения. Внутри емкости 86 может быть установлен соленоид 85 для проведения измерений в магнитном поле. В случае использования заливного криостата, в котором крионосителем является, например, жидкий гелий, необходимость применения нагревателя 43 и измерителя 42 отпадает. В вакуумной камере 88 (фиг.9) использование нагревателя 43 и измерителя 42 целесообразно.When using the MSZM 13 in the cryostat 84, it is placed inside the tank 86, the flange 1 is sealed, the required temperature is formed and measurements are made. Inside the vessel 86, a solenoid 85 may be mounted for making measurements in a magnetic field. In the case of using a jellied cryostat in which the cryogenic carrier is, for example, liquid helium, the use of a heater 43 and a meter 42 is no longer necessary. In the vacuum chamber 88 (Fig. 9), the use of a heater 43 and a meter 42 is advisable.

В вакуумной камере 88 охлаждение фланца 37 может происходить через гибкие медные хладопроводы 89, соединенные c криогенным вводом 90.In the vacuum chamber 88, the cooling of the flange 37 can occur through flexible copper cold leads 89 connected to a cryogenic inlet 90.

Выполнение механизма предварительного сближения, содержащего дифференциальный винт, установленный с возможностью взаимодействия с блоком перемещения держателя зонда, благодаря возможности выбора оптимального шага перемещения повышает надежность работы МСЗМ.The implementation of the preliminary approach mechanism containing a differential screw mounted with the possibility of interaction with the block of movement of the probe holder, due to the possibility of choosing the optimal step of movement increases the reliability of the MSSM.

Использование каретки, установленной на своих линейных направляющих, за счет стабилизации подвода зонда к образцу также повышает надежность работы МСЗМ.The use of a carriage mounted on its linear guides, by stabilizing the supply of the probe to the sample, also increases the reliability of the MSSM.

Выполнение соединительного элемента в виде точностной трубки, с одной стороны, уменьшает теплоотвод от зоны измерений, с другой - имея невысокую жесткость, уменьшает вероятность заклинивания в блоке передачи вращения, повышая надежность работы устройства.The implementation of the connecting element in the form of a precision tube, on the one hand, reduces heat removal from the measurement zone, on the other hand, having low stiffness, reduces the likelihood of jamming in the rotation transmission unit, increasing the reliability of the device.

Введение нагревателя и измерителя температуры расширяет функциональные возможности прибора.The introduction of a heater and a temperature meter expands the functionality of the device.

Выполнение соединительного элемента в виде пружинного подвеса и фиксатора, с одной стороны, уменьшает теплоотвод от зоны измерений и вибрации, с другой - уменьшает вероятность заклинивания в блоке передачи вращения.The implementation of the connecting element in the form of a spring suspension and retainer, on the one hand, reduces heat dissipation from the measurement zone and vibration, on the other hand, reduces the likelihood of jamming in the rotation transmission unit.

Использование винта со втулкой для фиксации носителя уменьшает вероятность разрушения пьезосканера.Using a screw with a sleeve to fix the carrier reduces the likelihood of destruction of the piezoscanner.

Выполнение блока перемещения держателя зонда рычажным расширяет функциональные возможности прибора.The execution of the block of movement of the probe holder lever extends the functionality of the device.

Выполнение элемента крепления пьезосканера в виде планки с внутренней конусной поверхностью, сопряженной с наружной конусной поверхностью винта, повышает надежность жесткого соединения пьезосканера с корпусом.The implementation of the mounting element of the piezoscanner in the form of strips with an inner conical surface mating with the outer conical surface of the screw increases the reliability of the hard connection of the piezoscanner with the housing.

Кроме этого, осесимметричная конструкция, описанная отличительными признаками, значительно устойчива к дрейфам и нефункциональным колебаниям в рабочем зазоре, что повышает разрешение прибора. Осесимметричная конструкция позволяет также уменьшить габариты устройства, что позволяет его размещать в соленоидах, установленных в криостатах. Диаметр описанного устройства удалось довести до 13,3 мм, что позволило его разместить в соленоиде с внутренним диаметром 18 мм. Это, соответственно, расширяет функциональные возможности устройства.In addition, the axisymmetric design described by the distinguishing features is significantly resistant to drifts and non-functional fluctuations in the working gap, which increases the resolution of the device. The axisymmetric design also allows to reduce the dimensions of the device, which allows it to be placed in solenoids installed in cryostats. The diameter of the described device was brought up to 13.3 mm, which allowed it to be placed in a solenoid with an internal diameter of 18 mm. This, accordingly, extends the functionality of the device.

ЛИТЕРАТУРА.LITERATURE.

1. Криогенная высоковакуумная установка для проведения сканирующей туннельной микроскопии. И.Н. Хлюстиков, B.C. Эдельман.1. Cryogenic high-vacuum installation for scanning tunneling microscopy. I.N. Khlyustikov, B.C. Edelman.

2. Патент US 5410910, G 01 B 5/28,1995. ПТЭ, 1996 г., № 1, с.158-165.2. Patent US 5410910, G 01 B 5 / 28.1995. PTE, 1996, No. 1, pp. 158-165.

3. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А.Быков.3. Probe microscopy for biology and medicine. V.A. Bykov.

Сенсорные системы т.12, 31, 1998 г., с.99-121.Sensor systems Vol. 12, 31, 1998, pp. 99-121.

4. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхностью. А.И.Данилов, Успехи химии 64 (8), 1995 г., с.818-833.4. Scanning tunneling and atomic force microscopy in surface electrochemistry. A.I. Danilov, Advances in Chemistry 64 (8), 1995, p. 818-833.

5. Scanning tunneling microscope instrumentation. Y.Kyk, P.Sulverman. Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), No. 2, 165-180.5. Scanning tunneling microscope instrumentation. Y. Kyk, P. Sulverman. Rev. Sci. Instrum. 60 (1989), No. 2, 165-180.

6. Патент US 4162401, G 01 N 23/00, 1979 г.6. Patent US 4162401, G 01 N 23/00, 1979.

7. Патент US 3747365, F 25 B19/00, 1973 г.7. Patent US 3747365, F 25 B19 / 00, 1973.

8. Патент US 4689970, F 25 B19/00, 1987 г.8. Patent US 4689970, F 25 B19 / 00, 1987

9. Патент US 735127, F 25 B 9/00, 1988 г.9. Patent US 735127, F 25 B 9/00, 1988

10. Патент US 4689970, F 25 B 19/00,1987 г.10. Patent US 4689970, F 25 B 19 / 00.1987.

Claims

1. A small-sized scanning probe microscope containing a drive, a support flange, coupled by a connecting element with a measuring head, including a sample holder with a sample, a probe holder with a probe, a mechanism for their preliminary approach, and also a piezoscanner, characterized in that the mechanism for preliminary approach of the probe with the sample contains a drive mounted on a support flange, a differential screw mounted to interact with the drive by means of a rotation transmission unit and with a movement unit for the probe holder with a housing connected by a fastening element with a piezoscanner with a sample holder, wherein the differential screw contains a nut mated with an external thread of a screw-nut, which, with its internal thread, is mated to a screw fixed against rotation of the nut and installed to interact with the unit moving the probe holder, moreover, the screw-nut is installed with the possibility of interaction with the rotation transmission unit.

2. The device according to claim 1, characterized in that the block for moving the probe holder is made in the form of a carriage with a probe holder mounted on linear guides on the housing with a clamp relative to it.

3. The device according to claim 1, characterized in that the connecting element between the support flange and the measuring head is made in the form of a thin-walled tube.

4. The device according to claim 1, characterized in that a heater is inserted into it, mounted on the carriage with the possibility of interaction with the sample, as well as a temperature meter, mounted by means of a spring on the carriage with the possibility of contact with the sample.

5. The device according to claim 1, characterized in that the connecting element is made in the form of a spring suspension and a latch mounted on a support flange and paired with a differential screw.

6. The device according to claim 1, characterized in that the introduced element of the fixing of the sample holder, containing a screw with a sleeve mounted on the working flange and paired with the sample holder.

7. The device according to claim 1, characterized in that the block for moving the probe holder is made in the form of a lever on which the probe holder is mounted, mounted on the housing with the possibility of rotation and pressing relative to it.

8. The device according to claim 1, characterized in that the mounting element of the piezoscanner is made in the form of a strap fixed to the support flange and containing an inner conical surface mating with the outer conical surface of the screw mounted on the housing.