Сканирующий зондовый микроскоп, совмещенный с оптическим микроскопом - RU2244332C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) рельефа, линейных размеров и физических характеристик поверхности объектов в режимах сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), атомно-силового микроскопа (АСМ) и близкопольного оптического микроскопа (БОМ) с одновременным оптическим наблюдением зоны сканирования на поверхности объекта.

Известны СЗМ, совмещенные с оптическим микроскопом (ОМ) (см. [1], [2], [3], [4], [5]) с оптической осью, перпендикулярной поверхности объекта, для одновременного наблюдения за зоной сканирования на поверхности объекта. Эти СЗМ имеют конструктивное выполнение, при котором измерительные элементы, являющиеся составной частью блоков анализа (отклонения зонда или изменения туннельного тока) размещены внутри оптической системы ОМ, соосно оптической оси микроскопа. Это приводит к усложнению оптической системы, затруднению ее настройки, снижению надежности, а также ухудшению качества изображения, которое возникает из-за не использования центральной части оптической системы. Кроме этого, в указанных устройствах невозможно наблюдение вдоль поверхности объекта, в частности, для определения расстояния между зондом и объектом и их взаимного расположения, что уменьшает функциональные возможности прибора. Кроме того, замена блоков анализа на другой тип или другое конструктивное исполнение практически невозможна, что снижает универсальность применения известных типов СЗМ и, соответственно, также снижает функциональные возможности прибора.

Известен также СЗМ [6], совмещенный с ОМ, содержащий основание, зонд, пьезосканер, держатель объекта с объектом, блок сближения зонда с объектом, ОМ с оптической осью, перпендикулярной поверхности объекта, для наблюдения за зоной сканирования на поверхности объекта. При этом пьезосканер с зондом находится на блоке анализа, который, в свою очередь, содержит установленное вблизи зонда первое зеркало, оптически сопряженное с поверхностью объекта. Система наблюдения ОМ содержит также второе наклонное зеркало, оптически сопряженное с первым зеркалом и оптической осью микроскопа. Этот СЗМ выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Он имеет следующие недостатки

1. Блок анализа СЗМ с первым зеркалом, оптически сопряженным с объектом, и второе наклонное зеркало, сопряженное с оптической осью микроскопа, установлены на подвижной части блока сближения зонда с объектом, что приводит к увеличению размеров подвижной части, снижает жесткость и резонансную частоту системы зонд-объект и ухудшает разрешение микроскопа.

2. Невозможность использования в одном СЗМ сменных блоков анализа различных типов (АСМ, СТМ, БОМ), выполненных в двух различных конфигурациях (вариантах), а именно: в конфигурации со сканированием зондом и в конфигурации со сканированием объектом (образцом). Это снижает универсальность применения этого СЗМ и его функциональные возможности.

3. Оптическое наблюдение в рассматриваемом прототипе СЗМ возможно только в одной позиции оптической оси микроскопа, а именно: через зеркало блока анализа, оптически сопряженное с объектом, и второе наклонное зеркало. Это ограничивает возможности оптического наблюдения при сканировании. Например, невозможно наблюдение по вертикальной оси зонда и вдоль поверхности объекта, перпендикулярно зонду.

4. Конструктивное (механическое) увеличение диапазона сканирования СЗМ по координатам X, Y и Z как в конфигурации сканирования зондом, так и в конфигурации сканирования образцом, сопровождается снижением резонансных частот сканера, приводит к уменьшению скорости сканирования и ухудшает разрешение микроскопа. Поэтому в данном СЗМ увеличение диапазона сканирования при сохранении скорости - невозможно.

5. Затруднена настройка оптической системы (т.е. ее фокусировка и установка в позицию наблюдения), так как зеркала оптической системы установлены на подвижной части блока сближения зонда с объектом, а сам ОМ - на неподвижном основании.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в устранении указанных недостатков, а именно в расширении функциональных возможностей СЗМ, как то:

a) повышение разрешения микроскопа, что приводит, например, к расширению диапазона (номенклатуры) исследуемых материалов;

b) придание свойств универсальности конструкции СЗМ, позволяющей использовать на одном приборе сменные блоки анализа разных типов (АСМ, СТМ и БОМ), конструктивно исполненных также в разных вариантах;

с) увеличение возможностей оптического наблюдения;

d) увеличение диапазона сканирования;

е) упрощение настройки оптической системы, т.е. установка микроскопа в позицию наблюдения и его фокусировка, что, в свою очередь, приводит к расширению функциональных возможностей.

Указанные результаты достигаются тем, что в СЗМ, совмещенном с ОМ, содержащем основание, зонд, пьезосканер, держатель объекта с объектом, блок сближения зонда с объектом, блок анализа, выполненный с возможностью съема, с первым зеркалом, оптически сопряженным с объектом, и оптическую систему наблюдения в виде оптического микроскопа с оптической осью, перпендикулярной поверхности объекта, и вторым наклонным зеркалом, оптически сопряженным с первым зеркалом и оптической осью микроскопа, введены следующие конструктивные элементы: блок анализа с первым зеркалом и второе наклонное зеркало установлены на основании, причем основание выполнено с возможностью установки сменных блоков анализа различных типов, а блок сближения зонда с объектом выполнен с возможностью установки как сменных держателей объекта, так и сменных пьезосканеров с держателями объекта. В оптической системе наблюдения микроскопа второе наклонное зеркало, сопряженное с первым, установленным на блоке анализа, и вертикальной оптической осью микроскопа имеет в предлагаемой конструкции, по крайней мере, еще второе фиксированное положение. Это положение позволяет совместить плоскость поверхности объекта с вертикальной оптической осью микроскопа. Микроскоп установлен на поворотной штанге и имеет, по крайней мере, три фиксированных положения вертикальной оптической оси: одно - по оси зонда и два - по осям совмещения второго наклонного зеркала. При этом каждое из трех фиксированных положений оптической оси повернуто по углу разворота ОМ на поворотной вертикальной штанге. Штанга выполнена телескопической, причем выдвигаемая часть штанги снабжена системой из трех кольцевых канавок, а неподвижная часть - роликовым упором, с возможностью качения ролика по канавкам. При этом система из трех кольцевых канавок выполнена с фиксированными расстояниями между канавками, соответствующими фиксированным положениям по вертикали второго наклонного зеркала. Каждая из кольцевых канавок снабжена упором, угловое положение которого в канавке соответствует угловому положению поворотной вертикальной штанги ОМ в каждом из трех фиксированных положений.

На Фиг.1 изображен СЗМ с оптической системой наблюдения с установленным на нем сменным блоком анализа любого открытого (для оптического наблюдения за зондом) типа СТМ, АСМ или БОМ. ОМ установлен по оси зонда и находится в позиции I.

На Фиг.2 представлен СЗМ с установленным на нем сменным блоком анализа любого закрытого (для оптического наблюдения за зондом) типа СТМ, АСМ или БОМ. ОМ находится в позиции II.

На Фиг.3 на виде сверху показаны угловые положения ОМ в позициях I, II и III, различающиеся углами поворота ОМ вокруг оси вертикальной штанги.

СЗМ, изображенный на Фиг.1, содержит основание 1, на котором установлен блок анализа 2, с зондом 3, закрепленным на оптически прозрачном держателе 4, обеспечивающем возможность непосредственного наблюдения сверху. На основании 1 также установлен блок 5 сближения зонда 3 с объектом (образцом) 6. Объект закреплен на сменном пьезосканере 7 со встроенным в него держателем объекта (не показан). Сменный пьезосканер 7 установлен на блок 5 сближения зонда 3 с объектом 6. Блок 5 содержит также механизм позиционирования (перемещения пьезосканера 7 вместе с объектом 6) с двумя микрометрическими винтами 8 (один не показан), расположенными по осям координат X, Y. Блок 5 приводится в движение шаговым приводом 9, подсоединенным к блоку управления 10. На основании 1 также установлен ОМ 11 с вертикальной оптической осью, закрепленный на поворотной вертикальной штанге 12, имеющей телескопическую выдвижную часть 13, фиксируемую зажимной ручкой 14. Часть 13 поворотной штанги имеет систему из трех кольцевых канавок 15, причем каждая канавка 15 снабжена упором 16. Угловое расположение упора 16 в каждой из канавок 15 (см. сечение А-А, Б-Б, В-В) определяет угловое положение оптической оси ОМ в позициях I, II и III, причем, если углы расположения упора 16 в канавках: α, β и γ (см. Фиг.1), то угол между позициями I и II оптической оси - (β-α), между позициями II и III - (γ-β) (см. Фиг.3). Угловое положение оптической оси ОМ в позициях I, II и III можно подстраивать юстировочным винтом 17. На основании 1 закреплено также второе наклонное зеркало 18 с возможностью установки в две фиксированные позиции, обеспечивающие в данном случае совмещение вертикальной оптической оси ОМ с плоскостью, проходящей по поверхности объекта (образца). По углу поворота на оси вертикальной штанги 12 оптическая ось ОМ в этом случае занимает позицию III, в которой и происходит наблюдение вдоль поверхности объекта. Расстояние между канавками 15 определяет положение ОМ по вертикали в любой из перечисленных позиций I, II и III. При этом, если передний отрезок объектива ОМ - ab, то он должен быть равен сумме отрезков ae+ef, т.е. ab=ae+ef.

Переход в соседние канавки в системе из трех кольцевых канавок 15 осуществляется по продольным канавкам 19, при этом телескопическая выдвижная часть 13 поворотной вертикальной штанги 12 разгружена от веса ОМ пружиной 20. Этим обеспечивается легкость разворота ОМ в указанные позиции.

На Фиг.2 блок анализа 21 включает пьезосканер 22, соединенный с зондом, а также первое зеркало 23, оптически сопряженное с объектом 6. Блок 5 сближения зонда с объектом 6 содержит сменный держатель 24 объекта. Наблюдение происходит в позиции II ОМ через второе наклонное зеркало 18, установленное в другую фиксированную позицию, чем на Фиг.1, так что соблюдается равенство отрезков: ab=ac+cd.

Угловое положение телескопической выдвижной части 13 поворотной вертикальной штанги 12, как и положение оптической оси ОМ в позициях I, II и III, фиксируется роликовым упором 25, который имеет возможность качения по любой из канавок 15 (см. Фиг.1).

Работает описанный СЗМ следующим образом. В случае применения в СЗМ блоков анализа любого открытого (для оптического наблюдения за зондом) типа СТМ, АСМ или БОМ (Фиг.1), блок анализа, содержащий зонд, устанавливают на основании 1; в блок 5 сближения зонда 3 с объектом устанавливают сменный пьезосканер 7 с держателем объекта (образца) и объектом 6; приводят в движение блок 5 с помощью шагового привода 9 и подключенного к нему блока управления 10. Вариант применяется преимущественно при исследовании объектов с малыми размерами и массой. Методы сближения зонда 3 с объектом 6 не приводятся, так как они даны в приведенных источниках информации [7], [8], [9]. Описание конструкции и методы работы СЗМ типа БОМ даны в [10]. После предварительного (грубого) сближения зонда 3 и объекта 6 ОМ устанавливают в позицию I и фокусируют на объекте 6. Микрометрическими винтами 8 механизма позиционирования выводят объект (образец) 6 в зону сканирования, осуществляют окончательное (тонкое) сближение зонда 3 и объекта 6 и производят сканирование (измерение). Работой пьезосканера 7 и блока анализа 2, регистрацией полезного сигнала (например, туннельного тока, снимаемого с зонда 3) управляет известным способом блок управления 10. Одновременно со сканированием можно проводить оптическое наблюдение в ОМ на позиции I. При необходимости наблюдения вдоль поверхности объекта (например, при совмещении с зондом 3 и сканировании остроконечных объектов) второе наклонное зеркало 18 устанавливают в фиксированной позиции, показанной на Фиг.1. ОМ поворачивают на вертикальной поворотной штанге 12 в позицию III (предварительно разжав зажимную ручку 14). При этом выдвижную телескопическую часть 13 штанги 12 утапливают в последней до совмещения роликового упора 25 с первой сверху канавкой 15 и поворачивают в канавке до соприкосновения упоров 25 и 16.

В случае применения в СЗМ блоков анализа любого закрытого (для оптического наблюдения за зондом) типа СТМ, АСМ или БОМ, блок анализа также устанавливают на основании 1 СЗМ (см. Фиг.2); в блок 5 сближения зонда 3 с объектом устанавливают сменный держатель 24 объекта с объектом (образцом) 6 или сменный пьезосканер 7 с держателем объекта и объектом (образцом) 6; приводят в движение блок 5 с помощью шагового привода 9 и блока управления 10. Это вариант сканирования зондом, когда сканер присоединен к зонду и установлен на блоке анализа; в этом случае на блок сближения зонда с объектом устанавливаются сменные держатели объекта с объектом, либо сменные пьезосканеры с держателями объекта. Вариант применяется преимущественно для исследования крупноразмерных и массивных объектов, так как масса и размеры объекта в этом случае не влияют на резонансную частоту сканера и скорость сканирования, а также для увеличения диапазона сканирования малых объектов (при их установке на сменный пьезосканер). Второе наклонное зеркало 18 устанавливают в фиксированную позицию на основании 1, в которой оно оптически сопряжено с первым зеркалом 23, сопряженным, в свою очередь, с объектом 6, и вертикальной оптической осью ОМ. После сближения объекта 6 с зондом, закрепленным на пьезосканере 22, включенном в состав блока анализа 21, микрометрическими винтами 8 механизма позиционирования выводят объект (образец) 6 в зону сканирования и производят сканирование, при этом объектив ОМ устанавливают в позицию II. (Через зеркало 18 можно вести наблюдение в ОМ на этой позиции). Для этого (предварительно разжав ручку 14), поворачивают ОМ на вертикальной поворотной штанге 12, а выдвижную телескопическую часть 13 утапливают в последней до совмещения роликового упора 25 со второй сверху канавкой 15 и поворачивают в канавке до соприкосновения упоров 25 и 16. Переход на соседнюю канавку производят по продольной канавке 19.

После установки ОМ на любой из позиций I, II и III (см. Фиг.3), поворотную вертикальную штангу 12 фиксируют зажимной ручкой 14.

Таким образом, благодаря тому, что блок анализа 2 с первым зеркалом и второе наклонное зеркало 18, сопряженное с оптической осью микроскопа, в предлагаемой конструкции СЗМ установлены на основании 1, появляется возможность выполнить механическую конструкцию системы зонд-объект компактной, с достаточно высокой жесткостью и высокой резонансной частотой системы, что повышает стабильность измерений, устойчивость к вибрациям и термодрейфам. Это приводит к повышению разрешения СЗМ.

Так как основание 1 СЗМ выполнено с возможностью установки сменных блоков анализа различных типов, а блок 5 сближения зонда 3 с объектом (образцом) 6 выполнен с возможностью установки как сменных держателей 24 объекта, так и сменных пьезосканеров 7 с держателями объекта, это придает свойство универсальности конструкции СЗМ, позволяющей использовать на одном приборе сменные блоки анализа разных типов (АСМ, СТМ и БОМ), конструктивно исполненных также в разных вариантах, т.е. в варианте открытых (обеспечивающих возможность оптического наблюдения сверху за зондом) блоков анализа и в варианте закрытых (требующих использование зеркал для оптического наблюдения за зондом) блоков анализа. Выполнение предложенной конструкции СЗМ таким образом, что второе наклонное зеркало 18 имеет, по крайней мере, два фиксированных положения совмещения оптической оси микроскопа с объектом 6, а сам ОМ установлен на поворотной вертикальной штанге 12 и имеет, по крайней мере, три фиксированных положения: одно - по оси зонда 3 и два - на оптической оси совмещения второго наклонного зеркала 18, приводит к тому, что наблюдение можно вести с трех позиций:

- по оси зонда 3 (по вертикальной оси, проходящей через зонд).

Наблюдение производится при использовании открытых (т.е. обеспечивающих возможность оптического наблюдения сверху за зондом) блоков анализа.

- по линии наблюдения через первое зеркало 23, установленное вблизи зонда, закрепленного на пьезосканере 22, и сопряженное с поверхностью объекта 6, и через второе наклонное зеркало 18 в его первой фиксированной позиции.

Наблюдение производится при использовании закрытых (т.е. требующих использования зеркал для оптического наблюдения за зондом) блоков анализа, с установленными на них пьезосканерами и зондами.

- по линии наблюдения вдоль поверхности объекта 6.

Наблюдение производится через второе наклонное зеркало 18, в его второй фиксированной позиции. Эта позиция используется для совмещения зонда 3 с остроконечным объектом и для наблюдения вдоль поверхности объекта 6, например, для определения расстояния между зондом 3 и объектом 6 и их взаимного расположения.

Все выше перечисленные особенности конструкции СЗМ значительно расширяют возможности оптического наблюдения. Кроме того существенным эффектом, достигаемым предложенной конструкцией СЗМ, является увеличение диапазона сканирования по координатам X, Y, Z без уменьшения резонансной частоты сканера и снижения скорости сканирования. Это обеспечивается тем, что при применении в предлагаемом СЗМ блоков анализа закрытого (для оптического наблюдения за зондом) типа СТМ, АСМ или БОМ, содержащих в своем составе пьезосканер 22, с закрепленным на нем зондом, конструкция СЗМ допускает вместо сменного держателя 24 объекта применение сменного пьезосканера 7 с держателем объекта (см. Фиг.2). В этом варианте выполнения СЗМ пьезосканер на Фиг.2 показан пунктиром. Такое конструктивное исполнение микроскопа позволяет производить для объектов достаточно малой массы одновременное сканирование (и зондом, и объектом). При этом пьезосканер 22 блока анализа, с закрепленным на нем зондом, и пьезосканер 7 с держателем объекта, установленный на блоке сближения, должны быть включены в противофазе. Каждый из сканеров, отрабатывая свой максимальный диапазон перемещения, сохраняет свою резонансную частоту, определяемую требуемыми величинами скорости сканирования и разрешения микроскопа. Максимальный диапазон поля сканирования объекта и диапазон по координате Z при этом увеличиваются (каждый из диапазонов суммируется).

Так как поворотная вертикальная штанга 12 ОМ выполнена телескопической, выдвигаемая ее часть 13 снабжена системой из трех кольцевых канавок 15 с фиксированными расстояниями между канавками, соответствующими фиксированным положениям по вертикали второго наклонного зеркала 18, а каждая из кольцевых канавок 15 снабжена упором 16, угловое положение которого в канавке соответствует угловому положению поворотной вертикальной штанги 12 ОМ в каждом из трех фиксированных положениях, то все эти конструктивные особенности позволяют значительно упростить настройку оптической системы. А именно установку ОМ в позицию наблюдения и его фокусировку. При этом неподвижная часть поворотной вертикальной штанги 12 должна быть снабжена роликовым упором 25 с возможностью качения ролика по канавкам. При этом переход в каждую из трех позиций оптического наблюдения не требует дополнительной фокусировки объектива микроскопа, а только фиксированное смещение по вертикали телескопической части 13 штанги и ее поворот на фиксированный угол, что осуществляется простой перестановкой ОМ на поворотной вертикальной штанге 12 в одну из трех фиксированных позиций I, II и III. При этом обеспечивается сохранение передних отрезков:

ab=(ae+ef)=(ac+cd),

а второе наклонное зеркало 18 легко переставляется в одну из двух фиксированных позиций. Это также значительно упрощает установку оптической системы в любую из вышеуказанных позиций оптического наблюдения.

Список литературы

1. ЕР 421354 А2, 02.10.90.

2. ЕР 509856 А1, 13.03.92.

3. ЕР 405973 А1, 28.06.90.

4. ЕР 527601 А1, 07.08.92.

5. ЕР 527448 А2, 07.08.92.

6. RU 2180726 С1, 25.05.2001.

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

8. Сканирующая туннельная микроскопия. Эдельман B.C. ПТЭ №5, 1989 г., с.25-49.

9. И.Кук, П.Сильверман. Растровая туннельная микроскопия, с.8-12. Обзор (см. приложение).

10. D.W.Pole, W.Denk and M.Lanz. Appl. Phys. Lett. 44(7), p.651 (1984 г.).

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам измерения с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) физических характеристик поверхности объектов с одновременным оптическим наблюдением зоны сканирования. Сущность изобретения состоит в том, что в СЗМ, совмещенном с оптическим микроскопом (ОМ), который содержит основание, зонд, пьезосканер, держатель объекта с объектом, блок сближения зонда с объектом, блок анализа, выполненный с возможностью съема, с установленным на нем первым зеркалом, оптически сопряженным с объектом, а также оптическую систему наблюдения в виде ОМ с оптической осью, перпендикулярной поверхности объекта, и второго наклонного зеркала, оптически сопряженного с первым зеркалом и оптической осью микроскопа, блок анализа с первым зеркалом и второе наклонное зеркало установлены на основании, основание выполнено с возможностью установки сменных блоков анализа различных типов, блок сближения зонда с объектом выполнен с возможностью установки как сменных держателей объекта, так и сменных пьезосканеров с держателями объекта, второе наклонное зеркало имеет, по крайней мере, два фиксированных положения совмещения оптической оси микроскопа с объектом, а ОМ установлен на поворотной вертикальной штанге и имеет, по крайней мере, три фиксированных положения: одно по оси зонда и два на оптической оси совмещения второго наклонного зеркала. Технический результат: использование в одном приборе сменных блоков анализа разных типов (АСМ, СТМ и БОМ), конструктивно исполненных также в разных вариантах; расширение возможности оптического наблюдения и упрощенная настройка оптической системы; увеличенный диапазон сканирования, повышение разрешения микроскопа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула