Перемещаемое устройство подачи звука для растровой силовой микроскопии с акустическим возбуждением образца - RU2481589C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству подачи звука для атомно-силового микроскопа с акустическим возбуждением образца согласно преамбуле пункта 1 формулы изобретения, к соответствующему атомно-силовому микроскопу, а также к соответствующему способу подачи звука в таком атомно-силовом микроскопе с акустическим возбуждением образца. Устройство подачи звука в соответствии с изобретением может использоваться, в частности, в системе так называемой атомно-силовой акустической микроскопии (Atomic Force Acoustic Microscopy, AFAM), а также с другими устройствами и способами, основанными на атомно-силовой микроскопии, в которых имеет место акустическое возбуждение сквозь образец. Данное изобретение может использоваться также, в частности, в ультразвуковой атомно-силовой микроскопии (Ultrasonic Force Microscopy, UFM). Изобретение будет описано ниже со ссылкой на технологию AFAM, важного представителя атомно-силовой микроскопии с акустическим возбуждением образца.

Технология AFAM знакома специалистам (патент США №5675075). Эта технология используется для формирования с высоким разрешением изображений качественных разностей упругости или для количественного измерения упругих свойств образцов или тел образцов. В этой технологии образец акустически соединяется с излучателем ультразвука (ультразвуковой испытательной головкой). При этом тело образца помещается на излучатель звука с тонкой пленкой из средства передачи звука (например, вязкого глицерина, затвердевшего серебряного проводящего лака или аналогичного средства), расположенной между образцом и испытательной головкой. Эта структура позволяет передавать продольные звуковые волны в образец и возбуждать непрерывные вертикальные колебания поверхности образца (так называемые внеплоскостные колебания). Эти колебания затем передаются через наконечник датчика, лежащий поверх него, в пружинную подвеску атомно-силового микроскопа. Оценивается резонансное поведение результирующих колебаний пружинной подвески (например, положение резонансных частот контакта) для определения упругих свойств образца. На фиг.1 показан принцип технологии AFAM, известной из уровня техники (В - пластинчатая пружина или консоль с прикрепленной к ней иглой для сканирования образца).

В вышеописанных устройствах и способах, как и в других известных устройствах и способах, образец жестко зафиксирован по отношению к излучателю звука или ультразвуковой испытательной головке вязким или затвердевшим средством передачи звука. Существенным недостатком этого является то, что образец и излучатель звука не могут взаимно поперечно перемещаться. Поэтому акустическое возбуждение колебаний поверхности локально очень ограничено. Поэтому места измерений на образцах, имеющих большую площадь, например на кремниевых пластинах или фотошаблонах, могут быть исследованы только с большими затратами времени (из-за необходимого освобождения и повторного закрепления ультразвуковой испытательной головки) и/или материалов (использование множества ультразвуковых головок).

Другим недостатком известных способов является то, что удаление без остатка средства передачи звука после измерения требует существенных усилий. Использование типичных средств передачи звука, таких как глицерин или серебряный проводящий лак, возможно только с большими ограничениями, касающимися условий «чистой комнаты» и желаемого дальнейшего использования образца.

Поэтому, исходя из известного уровня техники, целью изобретения является дальнейшее развитие известных устройств подачи звука, для того чтобы, в частности, образцы с большой площадью также могли быть измерены с малыми затратами времени с помощью атомно-силовой микроскопии посредством акустического возбуждения образца. Кроме того, целью изобретения является дальнейшее развитие известных устройств подачи звука, для того чтобы измеренные образцы могли в дальнейшем использоваться без ограничений. Наконец, целью данного изобретения является обеспечение соответствующих способов подачи звука.

Цель изобретения достигается с помощью устройства подачи звука в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения, атомно-силовым микроскопом в соответствии с пунктом 14 формулы изобретения и способом подачи звука в соответствии с пунктом 15 формулы изобретения. Предпочтительные формы осуществления изобретения заявлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Применения изобретения описаны в пункте 17 формулы изобретения.

Ниже данное изобретение будет сначала описано в общем и затем со ссылкой на две формы осуществления. Множество отдельных признаков или элементов данного изобретения, которые описаны в комбинации друг с другом, не должны обязательно быть в показанной комбинации, а могут также быть реализованы независимо друг от друга в рамках данного изобретения, которое определено приложенной формулой изобретения. В частности, отдельные из показанных признаков могут быть реализованы в рамках изобретения без необходимости обязательной реализации других отдельных признаков, описанных в соответствующей комбинации.

Ниже будет описана реализованная в соответствии с изобретением гибкая подача звука с возможностью перемещения излучателей звука (в частности, ультразвуковых испытательных головок) для атомно-силовых микроскопов, в которых имеет место акустическое возбуждение образца.

Устройство подачи звука в соответствии с предлагаемым изобретением содержит излучатель звука (в частности, ультразвуковую испытательную головку), который предназначен для подачи сформированных с помощью него звуковых волн в образец. Кроме того, устройство подачи звука имеет резервуар для жидкости, внутреннее пространство которого заполнено жидкостью (в частности, водой), используемой для акустической связи. Этот резервуар для жидкости выполнен так, что измеряемый образец может поддерживаться и/или располагаться на нем или выше него с возможностью поперечного перемещения. Конец излучателя звука, предназначенный для подачи звуковых волн в тело образца, размещен во внутреннем пространстве резервуара для жидкости, при этом резервуар для жидкости и этот конец размещены и выровнены так, что часть внутреннего пространства резервуара для жидкости, расположенная между этим концом и телом образца, полностью заполнена жидкостью для акустической связи. Благодаря соответствующему полному заполнению этой части пространства предотвращается ухудшение передачи звуковых волн от конца для подачи звука излучателя звука в тело образца.

Однако, альтернативно размещению вышеописанного конца излучателя звука во внутреннем пространстве резервуара для жидкости, излучатель звука может размещаться также снаружи (например, ниже) резервуара для жидкости и может соединяться с резервуаром для жидкости (например, при помощи мембраны), так что звуковые волны могут проходить во внутреннее пространство резервуара для жидкости и затем в тело образца с помощью упомянутого конца излучателя звука.

Резервуар для жидкости, в частности, предпочтительно формируется (например, соответствующим формированием верхнего обода резервуара для жидкости) так, что между ним и нижней стороной тела образца может быть образована жидкостная пленка.

В другой предпочтительной форме осуществления предлагаемого изобретения резервуар для жидкости является открытым сверху и ограниченным в горизонтальном направлении резервуаром для жидкости, на верхнем ободе которого или выше него может располагаться и/или поддерживаться (выровненное горизонтально) тело образца. Верхний обод резервуара может быть выполнен так, что между ним и нижней стороной тела образца образуется тонкая жидкостная пленка. Это возможно, в частности, посредством того, что верхний обод резервуара для жидкости (который может быть сформирован в виде ванночки или аналогичного средства) имеет расширенную часть, если смотреть на него в горизонтальной плоскости. Такой расширенной частью может служить, например, плоский кольцеобразный элемент, помещенный на верхний край цилиндрического резервуара для жидкости с таким же диаметром и герметично соединенный с этим верхним краем. Тело образца может располагаться сверху на кольцеобразном элементе с возможностью перемещения, так что упомянутая тонкая жидкостная пленка образуется между его нижней стороной и расположенной сверху поверхностью кольцеобразного элемента.

Предпочтительное формирование жидкостной пленки между поверхностью, ограничивающей сверху контейнер жидкости, и нижней стороной тела образца может быть реализовано, в частности, посредством опорного блока, который немного выходит за резервуар для жидкости (в частности, за его верхний край или его верхний обод) в вертикальном направлении, при рассмотрении снизу вверх, чтобы эта вертикальная разность между верхним окончанием опорного блока и резервуаром для жидкости соответствовала требуемой толщине жидкостной пленки. Тело образца помещается на этот опорный блок в одной плоскости. В самом простом случае такой опорный блок может быть опорным блоком, содержащим три или четыре вертикально выровненных элемента (ножки) в форме колонн одинаковой длины, на которых может быть закреплено и/или помещено тело образца. Излучатель звука и резервуар для жидкости могут быть расположены в центре или между отдельными элементами опорного блока, так что возможно поперечное (горизонтальное) перемещение излучателя звука вместе с резервуаром для жидкости относительно тела образца и опорного блока.

Вышеописанная пространственная форма отдельных элементов, в частности, предпочтительно выполнена так, что образуется жидкостная пленка, имеющая толщину от 20 до 1000 мкм, в частности предпочтительно от 100 до 500 мкм.

Как будет описано более подробно ниже в примерах осуществления изобретения, резервуар для жидкости может быть резервуаром, который герметично окружает лишь (расположенный сверху) конец излучателя звука, предназначенный для подачи звука (формирование резервуара для жидкости в виде окружной канавки, наполненной жидкостью).

Однако возможно также альтернативно сформировать резервуар для жидкости в виде бака, высота которого больше высоты всего излучателя звука, так что излучатель звука может быть полностью помещен в такой открытый сверху сосуд (промежуточное пространство между внутренней стенкой этого корпуса и внешней стенкой излучателя звука и область между верхним краем излучателя звука и верхним окончанием корпуса заполнены жидкостью).

Для обеспечения постоянного акустического возбуждения тела образца резервуар для жидкости может быть соединен через шланг с компенсационным контейнером, заполненным жидкостью. В компенсационном контейнере может быть предусмотрено регулирующее устройство, так что уровень жидкости и давление в области внутреннего пространства резервуара для жидкости поддерживаются постоянными (это также предотвращает, например, образование воздушного пузыря в области промежуточного пространства между концом излучателя звука, предназначенным для подачи звуковых волн, и частью поверхности тела образца, предусмотренного для прохождения звуковых волн). Альтернативно, компенсационный резервуар также может быть просто сконструирован и расположен таким образом (например, посредством расположения резервуара на соответствующем уровне выше резервуара для жидкости), чтобы обеспечить достаточное давление во внутреннем пространстве резервуара для жидкости только за счет такого расположения и конструкции (то есть без регулирующего устройства).

В качестве жидкости может использоваться, в частности, вода, предпочтительно сверхчистая вода.

В принципе, может использоваться любая вода. Однако она должна быть по меньшей мере свободной от извести, чтобы избежать скоплений извести при испарении воды. В частности, применение более высококачественной воды необходимо для использования в условиях «чистой комнаты».

Таким образом, данное изобретение устраняет необходимость прежнего жесткого соединения между излучателем звука и телом образца и связанные с ним недостатки. Теперь образец большой площади может передвигаться в поперечном направлении, как требуется, при неподвижном излучателе звука или ультразвуковой испытательной головке (альтернативно этому, ультразвуковая испытательная головка может перемещаться под неподвижным образцом). Обе части (блок подачи звука или его верхний обод и/или резервуар для жидкости, с одной стороны, и тело образца, с другой стороны) предпочтительно связаны лишь небольшими силами адгезии тонкой водяной пленки (например, толщиной 100-500 мкм). При использовании сверхчистой воды в качестве средства акустической связи на образце не будет остатков после сушки. Таким образом, отпадает до сих пор необходимая очистка образца, отнимающая много времени. Вместе с тем, возможно использование акустического возбуждения в условиях «чистой комнаты».

Таким образом, основное преимущество данного изобретения заключается в возможности любого желаемого поперечного перемещения образца большой площади без изменения акустической связи. Другим преимуществом, в частности, при применении сверхчистой воды в качестве жидкости для передачи звука, является отмена этапа очистки после исследования образца. До этого требовалось уделять много времени удалению используемых средств акустической связи, таких как глицерин или серебряный проводящий лак. Таким образом, возможно использование измерительной системы атомно-силовой микроскопии с акустическим возбуждением образца в условиях «чистой комнаты».

В частности, данное изобретение может использоваться в атомно-силовой микроскопии с акустическим возбуждением образца (например, в технологии AFAM) для образцов очень большой площади или множества малых образцов, которые акустически связаны с несущей пластиной. Примерами образцов очень большой площади (на которых должно быть измерено большое количество точек измерений) являются кремниевые пластины или фотошаблоны. Эти образцы могут измеряться с существенным уменьшением числа измерений. При этом задняя сторона или нижняя сторона исследуемых образцов, как правило, должна быть плоской.

Данное изобретение будет описано ниже со ссылкой на две формы его осуществления. Для этого представлены следующие чертежи.

На фиг.2 показано первое устройство подачи звука в соответствии с предлагаемым изобретением для атомно-силового микроскопа с акустическим возбуждением образца.

На фиг.3 показано второе устройство подачи звука в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 показан вид сбоку в горизонтальной плоскости, в разрезе перпендикулярно вертикальной линии V, первого устройства подачи звука для атомно-силового микроскопа в соответствии с изобретением (для наглядности компоненты самого атомно-силового микроскопа не показаны; верхняя сторона О показанного образца сканируется консолью микроскопа).

На горизонтально расположенной измерительной плите 12 системы закреплен держатель 13 ультразвуковой испытательной головки 1. Ультразвуковая испытательная головка 1 закреплена на держателе 13 так, чтобы она была неподвижна относительно держателя 13 и плиты 12. Ультразвуковая испытательная головка 1 включает два расположенных один над другим цилиндрических элемента, причем лежащая сверху область поверхности крышки верхнего цилиндра выполнена в виде конца 4 излучателя 1 звука для подачи звуковых волн в тело образца Р.

Излучатель 1 звука в области его расположенного вверху конца 4 радиально симметрично окружен распорным кольцом 3 (вместе с элементом 5, описанным ниже). Распорное кольцо L-образного сечения герметично расположено на внешней поверхности верхнего конца 4 излучателя звука таким образом, что между внешней стенкой цилиндра верхнего конца 4 и вертикально расположенной частью стенки кольцевого элемента-резервуара 3 для жидкости имеется промежуточное пространство с постоянным размером по периметру излучателя звука. Это промежуточное пространство, называемое в последующем описании также внутренним пространством 1, служит внутренней частью резервуара 3 для жидкости, заполняемой жидкостью 2 (в данном случае сверхчистой водой). Горизонтально расположенная базовая часть L-образного кольцевого элемента 3 герметично соединена с вертикальной внешней стенкой (внешней поверхностью цилиндра) верхнего конца 4 излучателя 1 звука.

L-образная кольцевая часть 3 на ее ограниченном вверху конце имеет плоский кольцеобразный элемент 5, расположенный горизонтально и герметично соединенный с L-образным кольцевым элементом резервуара 3 для жидкости. Горизонтальный кольцевой элемент 5, который помещен центрально (при рассмотрении относительно конца 4 и L-образного разреза), немного выступает вверх в вертикальном направлении V за верхний край конца 4, так что в результате образуется заполненная жидкостью пространственная область выше конца 4 при полном заполнении жидкостью 2 внутреннего пространства I резервуара 3 для жидкости.

Таким образом, расположенная вверху плоская кольцевая часть 5 резервуара 3 для жидкости в данном случае выполнена (при рассмотрении в горизонтальной плоскости) в виде расширенной части 6 вертикальной внешней стенки резервуара 3 для жидкости. Таким образом, в данном случае резервуар 3 для жидкости представляет собой часть 8 корпуса, герметично соединенную с концом 4 излучателя 1 звука и проходящую вокруг этого конца 4.

На концентрической окружности вокруг расположения элементов 1-8 на расстоянии от них устройство подачи звука имеет опорный блок 7. Упомянутый опорный блок содержит три отдельных ориентированных в вертикальном направлении V опорных элемента 7а-7с в виде колонн (видны только два элемента 7а и 7b) одинаковой длины, установленных на плите 12. Верхние концы этих колоннообразных элементов 7 выполнены в виде горизонтально расположенных поверхностей. В вертикальном направлении V эти верхние торцевые поверхности ножек 7 колонн расположены немного выше расположенной вверху поверхности плоского кольцевого элемента 5, так что при наложении тела образца Р на ножки 7 и выравнивании его по горизонтали между нижней стороной U тела образца Р и расположенной вверху поверхностью плоской кольцевой части 5 образуется небольшое промежуточное пространство высотой от 100 до 500 мкм (расстояние от нижней стороны U тела образца Р до верхнего обода резервуара 3 для жидкости). Это небольшое промежуточное пространство может быть установлено относительно его высоты в вертикальном направлении V точно на желаемую толщину водяной пленки с помощью вертикальной подстройки (не показана) ножек 7 колонн. Резервуар 3 (или кольцевой элемент 5) и нижняя сторона U образца Р связаны только малыми силами адгезии тонкой водяной пленки, образованной между этими элементами, так что образец может легко перемещаться в поперечном направлении при неподвижной испытательной головке 1 (например, соответственно сконструированным механизмом (не показан) поперечного перемещения для ножек 7 колонн с образцом Р, зафиксированным на них). Таким образом, образец Р может сканироваться в большой области путем его перемещения в поперечном направлении при поддержании постоянных условий акустического возбуждения. Альтернативно, однако, возможно также расположить ножки 7 колонн и размещенный на них образец Р неподвижно на измерительной плите 12 и выполнить с возможностью поперечного перемещения держатель 13 вместе с расположенными на нем элементами 1-8.

Для сохранения постоянными акустических условий возбуждения (или давления), уровня жидкости в области внутреннего пространства I резервуара 3 для жидкости и жидкостной пленки между нижней стороной U образца и верхней стороной кольцевого элемента 5, внутреннее пространство I резервуара 3 для жидкости соединено через шланг 10 с компенсационным контейнером 11, который также заполнен жидкостью 2. Этот компенсационный контейнер 11 снабжается регулирующим устройством (не показано), с помощью которого может достигаться поддержание постоянного давления и постоянного уровня жидкости в резервуаре 3 для жидкости или во внутреннем пространстве I.

При поперечном перемещении образца Р ультразвуковая испытательная головка 1 установлена точно ниже наконечника датчика атомно-силового микроскопа (не показан). При этом в верхней области испытательной головки 1 закреплен адаптер 3, во внутреннем пространстве которого находится жидкость 2. Поскольку может иметься риск образования воздушного пузыря при испарении жидкости 2, испарившаяся вода заменяется с помощью тонкого шланга 10 водой из компенсационного контейнера 11. Посредством вышеописанного регулирования уровня заполнения контейнера 11 реализуется, также и при перемещении в поперечном направлении, постоянное давление в резервуаре и, таким образом, постоянное акустическое возбуждение в течение временного периода требуемой длительности.

Таким образом, звуковое поле выше ультразвуковой испытательной головки 1 (то есть между нижней стороной U образца Р и верхним концом 4 ультразвуковой испытательной головки 1) не меняется, когда образец Р перемещается в поперечном направлении. Образец Р, который является гладким с задней стороны, перемещается плоскопараллельно по отношению к измерительной плите 12 измерительной системы (например, гранитному столу атомно-силового микроскопа).

Управление перемещением обычно может быть реализовано с помощью ручного или механизированного перемещения. Как правило, образец должен перемещаться только в плоскости х-у относительно неподвижного устройства подачи звука. Заданная плоскопараллельность нижней стороны образца к границе корпуса, а также к активной поверхности испытательной головки обеспечивает при перемещении образца постоянную толщину водяной пленки между ободом корпуса и нижней стороной образца. Как правило, при ручном управлении перемещением требуется только плоская измерительная плита (см. фиг.1 и 2).

Чтобы избежать образования воздушного пузыря во внутренней области резервуара при перемещении образца Р, верхняя граница 5 адаптера выполнена расширенной 6.

В данной схеме измерения вследствие параллельных граничных поверхностей в звуковом поле над испытательной головкой 1 может возникнуть резонансное поведение поверхностных колебаний. Это резонансное поведение вызывается вертикальными стоячими волнами при подаче продольных звуковых волн в слой воды и в тело образца. Такие резонансные увеличения являются очень узкополосными и легко могут быть смещены в некритические диапазоны частот вне измерительных частот путем изменения толщины водяной пленки (то есть зазора между верхним краем конца 4 и нижней стороной U) и/или толщины образца. Изменение толщины образца возможно, например, путем присоединения дополнительных плоских промежуточных тел. В этом случае такое промежуточное тело используется в качестве тела Р, показанного на фиг.2, а собственно измеряемое тело образца располагается на этом промежуточном теле.

Таким же образом для тонких тел образцов большой площади (например, кремниевых пластин с диаметром 300 мм) необходимо использование более толстого промежуточного тела (например, стеклянной пластины в качестве тела Р) для предотвращения прогиба собственно измеряемого тела. Для тонких образцов (например, кремниевой пластины с диаметром 300 мм при ее толщине лишь 500 мкм) тело образца Р состоит, таким образом, из двух частей. Собственно образец располагается по вертикали сверху, а так называемое более толстое дополнительное промежуточное тело - снизу (не показано на фиг.2 и 3). Обе части должны быть акустически связаны, например, водой. Кроме того, множество маленьких образцов могут располагаться на упомянутом промежуточном теле посредством соответствующей акустической связи.

В каждом из этих случаев связь предпочтительно может быть реализована с помощью сверхчистой воды.

В качестве ультразвуковой испытательной головки может использоваться головка типа Panametrics V 106-RM фирмы Olympus NDT с центральной частотой 2,25 МГц. Такая испытательная головка имеет предпочтительную геометрию с внешним диаметром приблизительно 18 мм, диаметром активной поверхности 15 мм (верхней стороны конца 4) и высотой (в вертикальном направлении V) приблизительно 16 мм. Такие звуковые головки со сравнительно компактными габаритными размерами часто используют, в частности, при измерениях AFAM. Ширина обода 5 корпуса (ширина кольца в горизонтальном направлении) для реализации тонкой водяной пленки может быть уменьшена, например, до 5 мм.

Прототип, описанный в этой форме осуществления изобретения, успешно использовался в течение длительных AFAM-исследований фотошаблонов. Соответствующее время измерений было значительно уменьшено по сравнению с известным уровнем техники.

Время измерений уменьшилось по меньшей мере в 2 раза, поскольку ультразвуковую испытательную головку не требовалось очищать перед каждым отдельным измерением и жестко локально соединять. Последний этап, как правило, требует много времени.

На фиг.3 показана другая форма осуществления данного изобретения. Эта форма осуществления изобретения в основном построена подобно устройству подачи звука, показанному на фиг.2, так что ниже будут описаны только ее отличия. Форма осуществления, показанная на фиг.3, предпочтительна, в частности, при ограниченном пространстве у границы корпуса. В этой форме осуществления изобретения ультразвуковая испытательная головка 1 полностью находится в резервуаре 3 для жидкости, выполненном в виде контейнера 9 для воды. Тело корпуса 9, выполненное в виде полого цилиндра, открытого с одной стороны (сверху), таким образом, полностью вмещает или окружает излучатель 1 звука, погруженный в жидкость 2. Нижняя сторона упомянутого тела корпуса служит для крепления на плите 12, так что элемент 13 не используется.

В этой форме осуществления также возможно автоматическое регулирование уровня заполнения компенсационного контейнера 11 для компенсации испарения воды.

Устройство подачи звука в соответствии с изобретением может использоваться также в ультразвуковой технологии, в которой звук переносится в тело образца, а отраженный или переданный сигнал принимается и оценивается. Устройство подачи звука может использоваться в специальных применениях, когда весь образец не может или не должен смачиваться средством передачи звука (метод погружения).

Реферат

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в измерительных акустических системах. Технический результат - повышение надежности. Для достижения данного результата устройство подачи звука для атомно-силового микроскопа с акустическим возбуждением образца содержит излучатель звука (1), в частности ультразвуковую испытательную головку, и выполнено с возможностью подачи сформированных с использованием излучателя звука звуковых волн в тело образца (Р) для его акустического возбуждения. При этом устройство подачи звука имеет резервуар (3) для жидкости, внутреннее пространство (I) которого предназначено для заполнения и/или заполнено жидкостью (2), нижняя сторона (U) тела образца может располагаться и/или расположена с возможностью поперечного перемещения на резервуаре для жидкости, конец (4) излучателя звука, предназначенный для подачи звуковых волн в тело образца, расположен во внутреннем пространстве резервуара для жидкости, и/или звуковые волны могут передаваться во внутреннее пространство этим концом, и часть внутреннего пространства резервуара для жидкости, расположенная между этим концом и нижней стороной тела образца, выполнена с возможностью полного заполнения и/или заполнена жидкостью. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула