Устройство нагрева для сканирующих зондовых микроскопов - RU2169440C2

Описание

Изобретение относится к нанотехнологическому оборудованию, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим очистку поверхности зондов и образцов перед измерением и другими технологическими операциями.

Известно устройство подготовки поверхности, содержащее держатель образца, захват, два нагревателя, расположенных с разных сторон образца, и термопарный измеритель температуры, расположенный со стороны нерабочей поверхности образца [1].

Основной недостаток устройства заключается в расположении измерителя температуры со стороны нерабочей поверхности образца, что снижает точность измерения.

Известно также устройство нагрева для сверхвысоковакуумных зондовых микроскопов, содержащее манипулятор с нагревательным элементом, захватом и термопарой, на котором установлен носитель образцов (объектов) [2].

Недостатки указанного устройства заключаются в сложности конструкции, связанной с тем, что манипулятор объединен с нагревателем в единый узел, что снижает надежность устройства и его функциональные возможности из-за невозможности регулировки расстояния нагревательный элемент - образец. Второй недостаток заключается в невозможности непосредственного измерения контактным способом (термопарой) рабочей зоны образцов и в отсутствии бесконтактного датчика, что снимает точность измерения температуры рабочей зоны. Третий недостаток связан с недостаточной теплоразвязкой конструкции, что увеличивает теплогазовыделение, термодрейфы и точность измерения.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, упрощении конструкции, повышении надежности и точности измерения.

Это достигается тем, что в устройстве нагрева, содержащем манипулятор с захватом, нагревательный элемент и измеритель температуры, сопряженный с носителем объекта, захват манипулятора выполнен с возможностью механического размыкания с носителем объекта, нагревательный элемент установлен с возможностью подвижки относительно носителя объекта и измерителя температуры, носитель объекта выполнен в виде U-образного несимметричного термокомпенсатора с прижимом с минимальной теплопроводностью, измеритель температуры установлен с противоположной стороны носителя объекта относительно нагревательного элемента.

При этом измеритель температуры выполнен в виде термопары, установленной на манипуляторе с возможностью упругого взаимодействия с носителем объекта, а прижим носителя объекта выполнен в виде направляющей, расположенной с возможностью взаимодействия с термопарой, либо измеритель температуры выполнен в виде пирометра.

На чертеже изображено устройство нагрева с объектом.

Устройство нагрева содержит нагревательный элемент 1, установленный в корпусе 2, над которым посредством заземленного манипулятора 3 с захватами 4 расположен носитель 5 образцов (объектов) 6 с направляющей (прижимом) 7. Носитель 5 имеет отверстия 8 для взаимодействия с захватами 4, расположенные по внешней части 9 U-образного термокомпенсатора, и отверстие 10 для обеспечения лучшего нагрева образца 6. Термопара 11 соединена с манипулятором 3 посредством изоляторов 12 и поджата плоской пружиной 13.

Нагревательный элемент 1 может быть закреплен в теплоотводах 14, установленных через изоляторы 15 в кронштейне 16, который в свою очередь закреплен с возможностью подвижки на камере 17 с разделительным окном 18 и пирометром 19 (например, ОППИР - 0.17). На носителе 5 могут быть закреплены опоры 20, а в корпусе 2 установлен отражающий экран 21.

Термопара 11 и нагревательный элемент 1 подключены к блоку управления 22.

Пирометр 19 может быть, как закреплен на камере 17, так и установлен рядом на независимой подставке. Необходимым является оптическая сопряженность нагреваемой спирали пирометра 19 с нагреваемой поверхностью образца. Оценку температуры образца проводит оператор, визуально сравнивая яркость образца с яркостью спирали пирометра. Погрешность оценки в зависимости от квалификации оператора может составлять 5-10^oC.

В качестве нагревателя может быть использована очищенная вольфрамовая проволока, либо спираль, целиком заимствованная, например, из лампы КГМ-12-100. Корпус 2 может быть выполнен в зависимости от степени нагрева из вакуумной керамики "Алунд", молибдена, кварца и т.п. Манипулятор 3 должен иметь X, Y, Z перемещение для возможности размещения носителя 5 над корпусом 2, как на чертеже, и на корпусе 2. В этом случае для уменьшения теплоотвода захваты 4 можно бесконтактно расположить в отверстиях 8. Захваты 4 могут быть выполнены в виде двух штырей, как на чертеже, двух подпружиненных штырей, одного подпружиненного штыря, в виде разжимающихся захватов и т.п. (не показано).

Направляющую 7 целесообразно изготавливать, например, из плоской танталовой пружины, а устанавливать необходимо нижним концом ниже свободного положения термопары, при этом площадь контакта с носителем 5 и образцом 6 должна быть минимальной, например, в виде точечных контактов. Термопару 11 целесообразно применять вольфрам - рениевую и подпружинивать одной или двумя плоскими танталовыми пружинами 13. Изоляторы 12 и 15 можно делать из вакуумной керамики и соединять (изоляторы 12) молибденовыми винтами с помощью накладки (не показаны). Теплоотводы 14 могут быть изготовлены из вакуумной меди. Кронштейн 16 может быть манипулятором с подвижками X, Y, Z, Q (показаны условно), установленным как манипулятор 3 на камере 17. Подробно сверхвысоковакуумные манипуляторы описаны в [2]. В качестве термопарного блока в простейшем случае можно использовать тестер, а нагревательного ЛИПС 11-80. В качестве блока, создающего смещение между образцом и нагревательным элементом, может быть использован блок БП-0,25 высокого напряжения, подключенный к нагревательному элементу. Блок управления 22 не представляет предмета изобретения, и подробнее не описан.

Устройство работает следующим образом.

Вводят захваты 4 в отверстия 8 носителя 5 (носитель 5 в момент захвата может быть расположен на другом манипуляторе см. [3] и т.п.). В начале ввода термопара 11 касается направляющей 7, поднимается вверх и соскальзывает на объект 6. После этого проводят нагрев объекта и измерение его температуры. При нагреве электронным ударом захваты 4 должны иметь электрический контакт с носителем 5.

Данное устройство нагрева может быть также использовано для очистки зондов перед измерением. В простейшем случае зонд подносят к нагревателю и греют для очистки его поверхности без измерения температуры.

Разделение нагревательного элемента 1 и манипулятора 3 позволяет регулировать расстояние между нагревательным элементом и образцом, проводить нагрев разнородных элементов, например, зондов и образцов, что расширяет функциональные возможности и упрощает конструкцию. Упрощение конструкции, в свою очередь, повышает надежность устройства. Регулировка расстояния между нагревательным элементом и образцом позволяет также регулировать равномерность нагрева образца, что соответственно повышает точность измерения в пределах более равномерного нагретого измеряемого участка.

Вместе с этим, данная конфигурация позволяет размыкать захват манипулятора с носителем 5 объектов 6, создавая разность потенциалов между нагревательным элементом 2 и объектом 6, проводить нагрев электронным ударом, что позволяет снизить мощность нагревателя, при той же температуре образца, что повышает надежность устройства. При этом также расширяются функциональные возможности, благодаря расширению номенклатуры измеряемых материалов. Кроме этого, электронный нагрев, благодаря возможности регулировки диаметра электронного пучка, позволяет более равномерно нагревать измеряемый участок. Что соответственно повышает точность измерения температуры рабочего участка.

Зонд также может быть выполнен с размерами образца и аналогично закреплен на носителе 5 с возможностью измерения температуры. При необходимости более подробно ознакомиться с зондовой микроскопией можно, например, в [4].

Подвижка нагревательного элемента 1 относительно объекта 6 позволяет выбирать на объекте зону нагрева и зону измерения и расширяет функциональные возможности, подвижка относительно пирометра 19 позволяет оптимизировать световой поток и повышать точностью надежность измерений.

Использование U-образного несимметричного термокомпенсатора позволяет уменьшить тепловые дрейфы, что особенно важно при последующих измерениях объекта. Это повышает надежность работы и точность последующего измерения. Вместе с этим U-образный несимметричный термокомпенсатор с минимальной теплопроводностью позволяет более широко использовать материалы с различной теплопроводностью, что расширяет функциональные возможности прибора. Несимметрия термокомпенсатора необходима, т. к. внутренняя часть носителя нагревается сильнее и, соответственно, должна быть короче.

Расположение измерителя температуры с противоположной стороны от нагревателя позволяет измерять истинную температуру и соответственно повышает точность измерения. Уменьшение деформации измерителя (за счет уменьшения нагрева) повышает надежность измерения. Вместе с этим данное расположение измерителя позволяет использовать материалы с меньшей теплопроводностью, что расширяет функциональные возможности.

Выполнение измерителя температуры в виде термопары, установленной на манипуляторе с возможностью взаимодействия с носителем объекта, а прижима в виде направляющей, расположенной с возможностью взаимодействия с термопарой позволяет проводить строго локальные измерения температуры, что повышает достоверность результата и точность измерения. Применение направляющей повышает надежность установки термопары и расширяет функциональные возможности благодаря использованию образцов с различным коэффициентом трения.

Использование пирометра позволяет повысить точность измерения, а также использовать объекты с высокой шероховатостью, что затруднительно для использования термопары, то есть, расширяет функциональные возможности.

ЛИТЕРАТУРА
1. С.М. Файнштейн "Обработка и защита поверхности полупроводниковых приборов". Энергия, М, 1970, с.93.

2. Cubum - MDS Catalogue 1997/1998, UHV manipulator accessories, section 8.4, page 391.

3. Information of Omicron "UHV scanning tunneling microscope", p. 1,2.

4. Q.Dai et. al. A variable temperature ultra - high vacuum atomic force microscope. Rev. Sci. Instrum. 66(11), November 1995. p.5266 - 5271.

Реферат

Использование: нанотехнологическое оборудование, устройства, обеспечивающие очистку поверхности зондов и образцов перед измерением и другими технологическими операциями. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве нагрева для сканирующих зондовых микроскопов, содержащем манипулятор с захватом, нагревательный элемент и измеритель температуры, сопряженный с носителем объекта, захват манипулятора выполнен с возможностью механического размыкания с носителем объекта, нагревательный элемент установлен с возможностью подвижки относительно носителя объекта и измерителя температуры, носитель объекта выполнен в виде U-образного несимметричного термокомпенсатора с прижимом с минимальной теплопроводностью, а измеритель температуры установлен с противоположной стороны носителя объекта относительно нагревательного элемента. Измеритель температуры может быть выполнен в виде термопары, установленной на манипуляторе с возможностью упругого взаимодействия с носителем объекта, или в виде пирометра. Прижим носителя объекта может быть выполнен в виде направляющей, расположенной с возможностью взаимодействия с термопарой. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей, повышение надежности и точности измерения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула