Результат интеллектуальной деятельности: СКАНИРУЮЩИЙ ЗОНДОВЫЙ МИКРОСКОП С СИСТЕМОЙ АВТОМАТИЧЕСКОГО СЛЕЖЕНИЯ ЗА КАНТИЛЕВЕРОМ

Изобретение относится к зондовым микроскопам, обеспечивающим сканирование объектов кантилевером с автоматическим слежением за ним лазерным лучом.

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].

Недостатки указанного устройства связаны с размещением лазера на пьезосканере, что приводит к усложнению конструкции и юстировки, и, следовательно, к снижению надежности устройства.

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.

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

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.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, повышении точности слежения, надежности и упрощении юстировки.

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.

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.

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.

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.

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.

В шестом варианте выполнения СЗМ в него введено хотя бы одно второе зеркало, оптически сопряженное с кантилевером и образцом.

В седьмом варианте выполнения СЗМ в него введен хотя бы один источник излучения, оптически сопряженный со вторым зеркалом, кантилевером и образцом.

В восьмом варианте выполнения СЗМ в него введено хотя бы одно устройство регистрации излучения, оптически сопряженное со вторым зеркалом, кантилевером и образцом.

В девятом варианте выполнения СЗМ в него введен оптический микроскоп, оптически сопряженный со вторым зеркалом, кантилевером и образцом.

В десятом варианте выполнения СЗМ сканер выполнен с использованием хотя бы одной пьезокерамической трубки.

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.

На фиг.1 изображена схема СЗМ с системой слежения за кантилевером.

На фиг.2 - четвертый вариант СЗМ с оптическим элементом между кантилевером и фотоприемником.

На фиг.3 - пятый вариант СЗМ с устройством перемещения кантилевера и первого зеркала, состоящим из первой и второй частей.

На фиг.4 показаны перемещения первого зеркала 5 и кантилевера 3 вдоль оси сканера и соответствующие положения лазерного луча.

На фиг.5 изображены шестой - девятый варианты СЗМ со вторым зеркалом и оптическим блоком.

На фиг.6 изображен десятый вариант СЗМ с пьезокерамической трубкой.

На фиг.7 изображен одиннадцатый вариант СЗМ с подвижным элементом, механически связанным с основанием через шарнир и с движителем.

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.

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]).

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.

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.

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.

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.

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.

В седьмом - девятом вариантах (фиг.5) в СЗМ введен оптический блок 15, оптически сопряженный со вторым зеркалом 14, кантилевером 3 и образцом 4а.

В седьмом варианте оптический блок 15 содержит источник излучения, которое через второе зеркало 14 поступает в область измерения.

В восьмом варианте оптический блок 15 содержит устройство регистрации излучения. Устройство регистрации и источник излучения могут использоваться одновременно. Это достигается применением светоделителя (не показан).

В девятом варианте оптический блок 15 содержит оптический микроскоп для наблюдения за областью измерения.

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].

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).

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].

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.

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.

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.

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.

Сканер с подвижным элементом 20 (фиг.7) вращает кантилевер 3 и первое зеркало 5 вокруг шарнира 21 при помощи движителя 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.

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.

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.

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.

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.

Использование оптического элемента, сопряженного с фотоприемником, позволяет устранить нефункциональное параллельное смещение отраженного от кантилевера луча по фотоприемнику, возникающее при сканировании.

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.

Введение описанного устройства перемещения кантилевера, разбитого на две части, обеспечивает точное слежение за перемещениями кантилевера в направлении оси сканера.

Уменьшение вышеизложенных нефункциональных смещений лучей позволяет повысить разрешение устройства и уменьшить воздействие кантилевера на образец.

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.

Применение пьезокерамических трубок для построения сканера в СЗМ со слежением упрощает его конструкцию.

Применение сканера с подвижным элементом на шарнире и движителем расширяет возможности применения описанной системы слежения.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Патент 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.

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

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

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

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