RU2380785C2

RU2380785C2 - Ultrahigh-vacuum transport system

Info

Publication number: RU2380785C2
Application number: RU2006141271/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Божко (RU); Сергей Иванович Божко; Дмитрий Юрьевич Соколов (RU); Дмитрий Юрьевич Соколов
Original assignee: ЗАО "Нанотехнология-МДТ"
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2010-01-27
Also published as: RU2006141271A

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention can be used in loading and unloading of probes and samples in scanning probe microscopes operated in vacuum and limited visual access into reloading area. Proposed transport system comprises loading chamber with first manipulator with gripper and second manipulator with probe and sample cartridges, said chamber being coupled with measurement chamber. The latter comprises first probe carrier holder and second sample carrier holder. Note that probe carrier and sample carrier cartridge is linear one, while first manipulator gripper is coupled with first probe carrier holder and second sample carrier holder.

EFFECT: higher reliability.

6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к вакуумной технике и предназначено для проведения операций по перемещению объектов внутри вакуумных систем. Изобретение может быть использовано для осуществления загрузки и выгрузки зондов и образцов в сканирующих зондовых микроскопах, эксплуатируемых в условиях вакуума с ограниченным визуальным доступом к зоне перегрузки.The invention relates to vacuum technology and is intended for operations to move objects inside vacuum systems. The invention can be used to load and unload probes and samples in scanning probe microscopes operated under vacuum with limited visual access to the overload zone.

Известна сверхвысоковакуумная транспортная система для сканирующих зондовых микроскопов (СЗМ), содержащая линейный поворотный манипулятор, кассету для зондов и образцов и прецизионный манипулятор для установки зондов в позицию измерения [1, 2].Known ultra-high vacuum transport system for scanning probe microscopes (SPM), containing a linear rotary manipulator, a cartridge for probes and samples and a precision manipulator for installing the probes in the measurement position [1, 2].

Недостатки указанного устройства заключаются в сложности и соответственно в низкой надежности устройства, связанной с расположением кассеты в зоне измерения, что приводит также к сложности адаптации и перенастраиваемости этой системы.The disadvantages of this device are the complexity and, accordingly, the low reliability of the device associated with the location of the cassette in the measurement zone, which also leads to the difficulty of adapting and reconfiguring this system.

Известна также сверхвысоковакуумная транспортная система для сканирующих зондовых микроскопов, содержащая линейный поворотный манипулятор с магнитным захватом, состыкованный с загрузочной камерой, установочный линейный манипулятор качания, снабженный механическим захватом, карусельную кассету зондов и образцов с поворотным манипулятором, состыкованные с камерой хранения зондов и образцов и измерения, которая, в свою очередь, соединена с загрузочной камерой [3].Also known is an ultrahigh-vacuum transport system for scanning probe microscopes, comprising a linear rotary manipulator with a magnetic grip docked with a loading chamber, a linear mounting rocking arm equipped with a mechanical grip, a carousel cartridge of probes and samples with a rotary manipulator, docked with a chamber for storing probes and samples and measuring , which, in turn, is connected to the boot chamber [3].

Недостатки указанного устройства заключаются в ограниченных функциональных возможностях транспортной системы, связанной с использованием магнитного захвата, что, в свою очередь, накладывает ограничение на магнитные исследования, а также ограничивает выбор материалов держателя. Второй недостаток заключается в сложности конструкции, что определяется наличием как магнитного захвата, так и механического. Сложность конструкции приводит соответственно к снижению надежности всей системы и усложнению эксплуатации.The disadvantages of this device are the limited functionality of the transport system associated with the use of magnetic capture, which, in turn, imposes a limitation on magnetic research, and also limits the choice of holder materials. The second disadvantage is the complexity of the design, which is determined by the presence of both magnetic capture and mechanical. The complexity of the design, respectively, leads to a decrease in the reliability of the entire system and the complexity of operation.

Известна транспортная система для сканирующих зондовых микроскопов, включающая первый манипулятор с захватом, состыкованный с загрузочной и измерительной камерами. При этом захват сопряжен с первым носителем зондов и вторым носителем образцов, расположенными с возможностью взаимодействия с первым и вторым держателями загрузочной камеры и третьим и четвертым держателями измерительной камеры. Первый и второй держатели содержат первый и второй ловители и первый и второй упоры соответственно и сопряжены со вторым манипулятором, установленным на загрузочной камере [4].Known transport system for scanning probe microscopes, including the first manipulator with a grip, docked with loading and measuring cameras. In this case, the capture is paired with the first probe carrier and the second sample carrier, arranged to interact with the first and second holders of the loading chamber and the third and fourth holders of the measuring chamber. The first and second holders contain the first and second catchers and the first and second stops, respectively, and are paired with a second manipulator mounted on the loading chamber [4].

Основной недостаток этого устройства заключается в отсутствии средства автоматической установки носителей зондов и образцов в держатели, что снижает надежность работы устройства, особенно в случае ограниченного взаимного доступа к зоне перегрузки.The main disadvantage of this device is the lack of a means of automatically installing the probe carriers and samples in the holders, which reduces the reliability of the device, especially in the case of limited mutual access to the overload zone.

Задача изобретения заключается в создании универсальной транспортной системы для осуществления загрузки-выгрузки зондов и образцов в условиях ограниченного визуального доступа, например в вакуумных криостатах.The objective of the invention is to create a universal transport system for loading and unloading probes and samples in conditions of limited visual access, for example in vacuum cryostats.

Технический результат заключается в повышении надежности эксплуатации транспортной системы.The technical result is to increase the reliability of the operation of the transport system.

Указанный технический результат достигается тем, что в сверхвысоковакуумной транспортной системе, содержащей загрузочную камеру с установленными на ней первым манипулятором с захватом и вторым манипулятором с кассетой для носителей зондов и носителей образцов, при этом загрузочная камера состыкована с измерительной камерой, содержащей первый держатель носителей зондов и второй держатель носителей образцов, кассета для носителей зондов и носителей образцов выполнена линейной, а захват первого манипулятора сопряжен с первым держателем носителей зондов и вторым держателем носителей образцов.The indicated technical result is achieved in that in an ultrahigh-vacuum transport system comprising a loading chamber with a first manipulator with a grip and a second manipulator with a cassette for probe carriers and sample carriers, the loading chamber is docked with a measuring chamber containing a first probe carrier holder and the second holder of sample carriers, the cassette for carrier of probes and sample carriers is linear, and the capture of the first manipulator is paired with the first holder a probe carrier and a second sample carrier holder.

Возможен вариант, в котором захват содержит цилиндрическую поверхность с конусной образующей, второй держатель содержит цилиндрическую направляющую с конусным ловителем, при этом цилиндрическая поверхность расположена с возможностью взаимодействия с цилиндрической направляющей, а конусная образующая - с конусным ловителем.A variant is possible in which the gripper comprises a cylindrical surface with a conical generatrix, the second holder comprises a cylindrical guide with a conical catcher, while the cylindrical surface is arranged to interact with the cylindrical guide, and the conical generator with the conical catcher.

Существует вариант, в котором захват содержит две планки, установленные на нем с возможностью фрикционной фиксации, при этом на планках установлены зацепы с возможностью пружинной подвижки относительно планок.There is an option in which the gripper contains two slats mounted on it with the possibility of frictional fixation, while hooks are mounted on the slats with the possibility of spring movement relative to the slats.

Существует также вариант устройства, содержащего возвратный механизм, захваты содержат первые выступы, носители зондов и образцов имеют крышки со вторыми выступами, а планки выполнены с клиньями, при этом первые выступы расположены с возможностью взаимодействия со вторыми выступами, клинья - с крышками, а возвратный механизм - с планками.There is also a variant of the device containing the return mechanism, the grippers contain the first protrusions, the carriers of the probes and samples have covers with second protrusions, and the strips are made with wedges, while the first protrusions are arranged to interact with the second protrusions, the wedges have covers, and the return mechanism - with slats.

Возможен также вариант, в котором носитель образцов имеет конусную образующую, расположенную с возможностью взаимодействия с конусным ловителем.A variant is also possible in which the sample carrier has a cone generatrix arranged to interact with the cone trap.

Существует также вариант, в котором носитель зондов имеет контактные площадки, а первый держатель - пружину и упор, установленные с возможностью взаимодействия с контактными площадками.There is also an option in which the carrier of the probes has contact pads, and the first holder has a spring and an abutment installed with the possibility of interaction with the contact pads.

На фиг.1 изображена сверхвысоковакуумная транспортная система в общем виде.Figure 1 shows the ultrahigh-vacuum transport system in general.

На фиг.2 - вариант выполнения захвата.Figure 2 - embodiment of the capture.

Сверхвысоковакуумная транспортная система (фиг.1) содержит загрузочную камеру 1, на которой закреплены первый линейный манипулятор 2 с захватом 3, второй линейный манипулятор 4 с кассетой 5, в которой установлены носители 6 зондов 7 (показан один) и носители 8 образцов 9 (также показан один). Загрузочная камера 1 через шлюз 10 соединена с измерительной камерой 11, в которой установлено измерительное устройство 12 с первым держателем 13 носителя 6 зонда 7, и второй держатель 14 носителя 8 образца 9. Держатель 14 содержит цилиндрическую направляющую 15 и конусный ловитель 16, установленный с возможностью взаимодействия с захватом 3. Захват 3 при этом содержит цилиндрическую поверхность 17 и конусную образующую 18. На захвате 3 установлены две планки 19, например, на разрезных пружинных осях 20 с возможностью поворота и фрикционной фиксации на них.The ultra-high vacuum transport system (Fig. 1) contains a loading chamber 1 on which a first linear manipulator 2 with a gripper 3 is fixed, a second linear manipulator 4 with a cassette 5, in which are mounted the carriers 6 of the probes 7 (one shown) and the carriers 8 of the samples 9 (also shown one). The loading chamber 1 through the gateway 10 is connected to the measuring chamber 11, in which the measuring device 12 is installed with the first holder 13 of the carrier 6 of the probe 7, and the second holder 14 of the carrier 8 of the sample 9. The holder 14 contains a cylindrical guide 15 and a cone catcher 16, installed with the possibility interacting with the gripper 3. The gripper 3 thus comprises a cylindrical surface 17 and a conical generatrix 18. Two grips 19 are mounted on the gripper 3, for example, on split spring axes 20 with the possibility of rotation and friction fixing on x

Планки 19 имеют клинья 21, плоские пружины 22, зацепы 23 и упоры 24. Пружины 22 могут быть выполнены в виде отдельных плоских элементов.The straps 19 have wedges 21, flat springs 22, hooks 23 and stops 24. The springs 22 can be made in the form of separate flat elements.

Носитель 6 зонда 7 может быть выполнен цилиндрическим с отверстиями 25. Держатель 13 может иметь электроизолированные пружину 26 и упор 27. Носитель 8 образца 9 выполняют цилиндрическим с отверстиями 28 (аналог отверстий 25) с конусной образующей 29.The carrier 6 of the probe 7 can be made cylindrical with holes 25. The holder 13 can have an electrically insulated spring 26 and a stop 27. The carrier 8 of the sample 9 is cylindrical with holes 28 (analogous to the holes 25) with a conical generatrix 29.

В загрузочной камере может быть установлен возвратный механизм 30. Сканирующее устройство 12 установлено на фланце 31, герметично (не показано) соединенным с камерой 11. Также на фланце 31 посредством переходника 32 закреплен держатель 14. В кассете 5 гнездо для носителя 6 может содержать пружину 33 и упор 34, а гнездо носителя 8 быть аналогом держателя 14.A return mechanism 30 can be installed in the loading chamber. The scanning device 12 is mounted on a flange 31, hermetically (not shown) connected to the chamber 11. Also, a holder 14 is fixed on the flange 31 by means of an adapter 32. In the cassette 5, the media slot 6 may comprise a spring 33 and emphasis 34, and the media socket 8 to be an analogue of the holder 14.

В одном из вариантов (фиг.2) захват 3 дополнительно содержит направляющие 35 с полозьями 36 и упорами 37. Направляющие 35 при этом закреплены на планках 19 и расположены с возможностью взаимодействия с выборками 38, выполненными в крышке 39. Зацепы 23 могут иметь первые выступы 40, расположенные с возможностью взаимодействия со вторыми выступами 41 крышки 39. Кроме этого, зацепы 23 содержат гладкие поверхности 42. Следует заметить, крышки 39 с выступами 41 на носителях 6 и 8 одинаковы.In one embodiment (FIG. 2), the gripper 3 further comprises guides 35 with runners 36 and stops 37. The guides 35 are fixed on the straps 19 and are arranged to interact with the samples 38 made in the cover 39. The hooks 23 may have first protrusions 40, arranged to interact with the second protrusions 41 of the cover 39. In addition, the hooks 23 contain smooth surfaces 42. It should be noted that the covers 39 with the protrusions 41 on the carriers 6 and 8 are the same.

Зонд 7, выполненный, например, в виде кварцевого резонатора с иглой 43, проводниками 44 может быть соединен с контактными площадками 45 и 46, закрепленными через изоляторы 47 на носителе 6 с возможностью взаимодействия с пружиной 26 и упором 27, через которые можно подавать и снимать электрические сигналы с зонда 7.The probe 7, made, for example, in the form of a quartz resonator with a needle 43, conductors 44 can be connected to pads 45 and 46, mounted through insulators 47 on the carrier 6 with the possibility of interaction with the spring 26 and the stop 27, through which you can feed and remove electrical signals from probe 7.

Измерительное устройство 12, включающее систему предварительного сближения зонда 7 и образца 9, а также блок анализа (не показаны), может представлять собой сканирующий зондовый микроскоп.The measuring device 12, including a preliminary approximation system of the probe 7 and sample 9, as well as an analysis unit (not shown), can be a scanning probe microscope.

Камера 1 сопряжена со средствами откачки 48, а измерительная камера 11 размещена в гелиевом криостате 49. Подробно элементы системы, такие как 2, 4, 10, 12, 48, описаны в [1, 2, 3, 4, 5, 6].The chamber 1 is coupled to the pumping means 48, and the measuring chamber 11 is located in a helium cryostat 49. Details of the system elements, such as 2, 4, 10, 12, 48, are described in [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Транспортная система работает следующим образом. Манипулятор 2, используя захват 3, а именно раздвигаемые благодаря плоским пружинам 22 зацепы 23, и пользуясь отверстиями 2, вынимают носитель 7 из кассеты 5. После открытия шлюза 10 осуществляют перенос носителя 6 в измерительную камеру 11 и его установку в держатель 13. Введение носителя 6 под пружину 26 осуществляется благодаря дальнейшему перемещению захвата 3 вниз и после взаимодействия клиньев 21 со стенками носителя 6. При этом происходит разведение планок 19 и ориентация в этом положении благодаря осям 20, после чего зацепы 23 выводят из отверстий 25. Одновременно конусная образующая 18 захвата 3, соприкасаясь с конусным ловителем 16, ограничивает перемещение захвата 3 вниз. После этого возможно перемещение захвата 3 вверх для переноса носителя 8 с образцом 9 в зону измерения. Для этого за счет взаимодействия упоров 23 с механизмом 30 планки 19 возвращают в исходное положение.The transport system operates as follows. The manipulator 2, using the gripper 3, namely, the hooks 23, which are extended thanks to the flat springs 22, and using the holes 2, remove the carrier 7 from the cartridge 5. After opening the gateway 10, the carrier 6 is transferred to the measuring chamber 11 and installed in the holder 13. Introduction of the carrier 6 under the spring 26 is carried out by further moving the gripper 3 down and after the interaction of the wedges 21 with the walls of the carrier 6. In this case, the strips 19 are breached and oriented in this position due to the axes 20, after which the hooks 23 are removed from the hole Cone 25. Simultaneously the generator 18 grip 3 come into contact with the tapered catcher 16, restricts the movement of grip 3 downwards. After that, it is possible to move the gripper 3 up to transfer the carrier 8 with the sample 9 into the measurement zone. To do this, due to the interaction of the stops 23 with the mechanism 30 of the strap 19 is returned to its original position.

Захват носителя 8 и извлечение его из кассеты осуществляют аналогично захвату носителя 6. А именно: зацепы 23, используя плоские пружины 22, вводят в отверстие 28 и извлекают носитель 8 из гнезда. После этого его перемещают в камеру 11 и устанавливают в держатель 14 на конусную образующую 18. Размыкание захвата 3 с носителем 8 осуществляется аналогично описанному выше.The capture of the carrier 8 and its removal from the cartridge is carried out similarly to the capture of the carrier 6. Namely: the hooks 23, using flat springs 22, are inserted into the hole 28 and the carrier 8 is removed from the slot. After that, it is moved into the chamber 11 and installed in the holder 14 on the conical generatrix 18. The opening of the gripper 3 with the carrier 8 is carried out similarly to that described above.

Специфика работы захвата по фиг.2, 3 заключается в следующем. После касания контактных площадок 45 и 46 пружины 26 и упора 27 полозья 36 попадают в выборки 38 и скользят по ним до касания по ним упорами 37 крышки 39. Благодаря этому носитель 6 фиксируется между пружиной 26 и упором 27 с одновременным электрическим контактом с ними.The specifics of the capture in figure 2, 3 is as follows. After touching the pads 45 and 46 of the spring 26 and the stop 27, the runners 36 fall into the samples 38 and slide on them until they touch the stops 37 of the cover 39. Due to this, the carrier 6 is fixed between the spring 26 and the stop 27 with simultaneous electrical contact with them.

Извлечение носителя 7 происходит благодаря взаимодействию первых 40 и вторых 41 выступов.The removal of the carrier 7 occurs due to the interaction of the first 40 and second 41 protrusions.

После загрузки зонда 7 и образца 9 в измерительную камеру 11 происходит их сближение и последующее сканирование поверхности образца 9 зондом 7. Сканирование осуществляет устройство 12, а управление этим процессом - блок анализа, входящий в состав сканирующего зондового микроскопа.After loading the probe 7 and sample 9 into the measuring chamber 11, they come closer and then scan the surface of the sample 9 with the probe 7. Scanning is performed by the device 12, and this process is controlled by the analysis unit, which is part of the scanning probe microscope.

Выполнение кассеты для носителей образцов линейной, а захвата первого манипулятора - сопряженным с первым держателем носителей зондов и вторым держателем носителей образцов за счет уменьшения количества передач объектов и непосредственного взаимодействия захвата первого манипулятора с первым и вторым держателями, повышает надежность устройства.The execution of the cartridge carrier for sample carriers is linear, and the capture of the first manipulator is paired with the first holder of probe carriers and the second holder of sample carriers by reducing the number of transfers of objects and the direct interaction of the capture of the first manipulator with the first and second holders, increases the reliability of the device.

Снабжение захвата цилиндрической поверхностью с конусной образующей, расположенной с возможностью взаимодействия с цилиндрической направляющей и конусным ловителем, обеспечивает точное позиционирование захвата относительно первого держателя и соответственно большую надежность загрузки и выгрузки носителей зондов.Providing the capture with a cylindrical surface with a conical generatrix, located with the possibility of interaction with the cylindrical guide and the cone trap, provides accurate positioning of the capture relative to the first holder and, accordingly, greater reliability of loading and unloading of probe carriers.

Выполнение планок с возможностью фрикционной фиксации на захвате и зацепов с пружинной подвижкой относительно планок повышает надежность передачи носителей зондов и носителей образцов.The execution of the straps with the possibility of frictional fixation on the grip and hooks with spring movement relative to the straps increases the reliability of the transmission of probe carriers and sample carriers.

Введение возвратного механизма, взаимодействующего с планками первых выступов, взаимодействующих со вторыми, а клиньев - с крышкой, вводят дополнительные фиксируемые перемещения элементов захвата, что и повышает надежность его работы.The introduction of a return mechanism interacting with the slats of the first protrusions interacting with the second, and the wedges with the cover, introduce additional fixed movements of the gripping elements, which increases the reliability of its operation.

Снабжение носителя образцов конусной образующей, взаимодействующей с конусным ловителем за счет точной ориентации носителей образцов, повышает надежность их загрузки-выгрузки.The supply of the sample carrier with a cone generatrix interacting with the cone catcher due to the exact orientation of the sample carriers increases the reliability of their loading and unloading.

Снабжение носителей зондов контактными площадками, взаимодействующими с пружиной и упором, повышает надежность электрических контактов.The supply of probe carriers with contact pads interacting with the spring and the stop increases the reliability of electrical contacts.

Таким образом, предложенное устройство повышает надежность его эксплуатации в условиях ограниченной видимости.Thus, the proposed device increases the reliability of its operation in conditions of limited visibility.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Information of Park Scientific Inxtruments firm. Auto Probe UHV Scanning Probe Microscope, 1994 г.1. Information of Park Scientific Inxtruments firm. Auto Probe UHV Scanning Probe Microscope, 1994

2. Патент США №5157256, H01J 37/26, 1991 г.2. US patent No. 5157256, H01J 37/26, 1991

3. Information of Omicron. Multi-mode UHV Scanning Probe Microscope, р.1, 2.3. Information of Omicron. Multi-mode UHV Scanning Probe Microscope, p. 1, 2.

4. Патент RU №2158454, 2000 г.4. Patent RU No. 2158454, 2000

5. Вакуумная техника. Справочник, М.: Машиностроение, 1985 г., 359 с.5. Vacuum technology. Handbook, M.: Mechanical Engineering, 1985, 359 p.

6. Высоковакуумные откачные устройства. М.: Энергия, 1969 г., 524 с.6. High vacuum pumping devices. M .: Energy, 1969, 524 p.

Claims

1. An ultra-high vacuum transport system comprising a loading chamber with a first manipulator with a gripper and a second manipulator with a cartridge for probe carriers and sample carriers, wherein the loading chamber is connected to a measuring chamber comprising a first probe carrier holder and a second sample carrier holder, characterized in that the cassette for probe carriers and sample carriers is linear, and the gripper of the first manipulator is paired with the first holder of the probe carriers and the second core resident sample carriers.

2. The device according to claim 1, characterized in that the gripper comprises a cylindrical surface with a conical generatrix, the second holder comprises a cylindrical guide with a conical catcher, while the cylindrical surface is arranged to interact with the cylindrical guide, and the conical generatrix with the conical catcher.

3. The device according to claim 1, characterized in that the gripper contains two brackets mounted on it with the possibility of frictional fixation, while hooks are mounted on the brackets with the possibility of spring movement relative to the brackets.

4. The device according to claim 3, characterized in that it contains a return mechanism, the grippers contain the first protrusions, the carriers of the probes and samples have covers with second protrusions, and the strips are made with wedges, while the first protrusions are arranged to interact with the second protrusions, wedges - with covers, and the return mechanism - with straps.

5. The device according to claim 2, characterized in that the sample carrier has a cone generatrix located with the possibility of interaction with a cone trap.

6. The device according to claim 1, characterized in that the probe carrier has contact pads, and the first holder has a spring and an abutment installed with the possibility of interaction with the contact pads.