Устройство для исследования топографии проводящей поверхности

 

Изобретение относится к структурным исследованиям поверхности с использованием туннельного эффекта. Целью изобретения является повышение точности регистрируемых параметров за счет расширения диапазона регулирования перемеще- 'ния измерительного острия при сохранении разрешения. Устройство содержит пьезоэлектрический привод острия, включающий взаимно перпендикулярно ориентированные по трем координатам пьезоэлементы с управляющими электродными системами, а также блоки измерения туннельного тока, управления туннельным промежутком, регистрации топографии, усилитель напряжения, коммутатор и блок компенсации. Электродная система пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов. Наиболее удаленный от острия имеет максимальную протяженность и обеспечивает ражим грубого регулирования, ближайший к острию электрод и средний минимальной протяженности обеспечивают режим точного регулирования. Переключение режимов осуществляется коммутатором, управляемым от вычислителя блока регистрации. 1 ил.СОсИзобретение относится к структурным исследованиям поверхности с использованием вакуумного туннельного эффекта и может быть использовано для получения топографии проводящих поверхностей, а также изучения физико-технологических свойств твердых тел,Целью изобретения является повышение точности регистрируемых параметров поверхности.На чертеже представлена блок-схема устройства.Устройство для исследования топографии проводящей поверхности содержитпьезоэлектрический привод 1 для перемещения закрепленного на его вершине измерительногоострия2по взаимно-перпендикулярным координатам X,Y,Z относительно поверхности образца 3, средство 4 предварительного подвода держателя образца к острию, например микрометрическая пара, обеспечивающее перемещение образца 3 по координате Z.Пьезоэлектрический привод 1 состоит из пьеэоэлементов с управляющими электродными системами, например в виде треноги. На пьезозлементе координаты Z регулирования туннельного промежуткаXIО Ч)Ь.ю ю>&

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 01 J 37/285

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4780793/21 (22) 10.01.90 (46) 30.01.92. Бюл. № 4 (71) Особое конструкторское бюро "Интеграл" (72) Д,Г.Соболев, А,Н.Косяков и С.А.Герасимов (53) 621.385.833(088.8) (56) Гербер и др, Растровый туннельный микроскоп для использования в растровом электронном микроскопе. — Приборы для научных исследований, 1986, ¹ 22, с. 85 — 86.

Патент Швейцарии ¹ 643397, кл. Н 01 J.37/285, опублик. 1984, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТОПОГРАФИИ ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ (57) Изобретение относится к структурным исследованиям поверхности с использованием туннельного эффекта, Целью изобретения является повышение точности регистрируемых параметров за счет расширения диапазона регулирования перемеще-

Изобретение относится к структурным исследованиям поверхности с использованием вакуумного туннельного эффекта и может быть использовано для получения топографии проводящих поверхностей, а также изучения физико-технологических свойств твердых тел.

Целью изобретения является повышение точности регистрируемых параметров поверхности.

На чертеже представлена блок-.схема устройства.

Устройство для исследования топографии проводящей поверхности содержит

„„ Ц „„1709429 А1 ния измерительного острия при сохранении разрешения. Устройство содержит пьезоэлектрический привод острия, включающий взаимно перпендикулярно ориентированные по трем координатам пьезоэлементы с управляющими электродными системами, а также блоки измерения туннельного тока, управления туннельным промежутком, регистрации топографии, усилитель напряжения, коммутатор и блок компенсации.

Электродная система пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка выполнена в,виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов. Наиболее удаленный от острия имеет максимальную протяженность и обеспечивает ражим грубого регулирования, ближайший к острию электрод и средний минимальной протяженности обеспечивают режим точного регулирова ния. Переключение режимов осуществляется коммутатором, управляемым от вычислителя блока регистрации. 1 ил. пьезоэлектрический привод 1 для перемещения закрепленного на его вершине измерительного острия 2 по взаимно-перпендикулярным координатам

Х, Y,Z относительно поверхности образца 3, средство 4 предварительного подвода держателя образца к острию, например микрометрическая пара, обеспечивающее перемещение образца 3 по координате Z.

Пьезоэлектрический привод 1 состоит из пьезоэлементов с управляющими электродными системами, например в виде треноги.-На пьезоэлементе координаты 2 регулирования туннельного промежутка

1709429 электродная система выполнена в виде трех электродов 5-7. Первый электрод 5 соединен через коммутатор 8 с первым выходом блока 9 управления туннельным промежутком, второй выход которого соединен с вхо- 5 дом встроенного АЦП, блока 10 регистрации топографии с управляющим вычислителем, а вход соединен с выходом блока 11 измерения туннельного тока, который соединен с острием 2 и образцом 3. 10

Кроме того, устройство содержит усилитель 12 напряжения, первый выход которого соединен с третьим электродом 7 и через блок 13 компенсации и коммутатора 8 — |: вторым электродом 6 пьезоэлемента регу- 15 лирования туннельного промежутка, а второй выход соединен с входом встроенного

АЦП блока 10 регистрации.

Блок 13 компенсации представляет собой усилитель переменного тока, обладаю- 20 щий минимальным сдвигом фазы выходного напряжения в рабочем диапазоне частот пьезоэлемента, Блок 9 управления включает логарифмический усилитель для линеаризации 25 входного напряжения, пропорционального величине туннельного тока, схему сравнения в виде линейного усилителя с дифференциальным входом и корректирующие цепи для обеспечения стабилизации тун- 30 нельного тока, Вход усилителя 12 напряжения соединен через коммутатор 5 с выходом встроенного ЦАП блока 10 регистрации.

Коммутатор 8 представляет собой многока- 35 нальный электронный коммутатор, управляемый вычислителем блока f0 регистрации и реализующий работу устройства в двух режимах: грубого и точного регулирования.

Устройство работает следующим обра- 40 зом.

Включается первый режим работы устройства — режим грубого регулирования. В этом режиме с помощью коммутатора 8 вход усилитель 12 напряжения соединен с 45 первым выходом блока 9 управления, а электроды 5 и 6 заземлены.

На острие 23 от блока 11 измерения туннельного тока подается постоянное напряжение в несколько десятков милли- 50 вольт, и с помощью средства 4 предварительного подвода образец 3 перемещается к острию 2 до момента появления туннельного тока.

Величина туннельного тока, снимаемого с образца 3, усиливается блоком 11 изме- 55 рения туннельного тока, сравнивается в блоке 9 управления с заданной величиной.

Ошибка сравнения через коммутатор 8 по-. ступает на усилитель 12 напряжения, где усиливается и поступает в виде сигнала на электрод 7 пьезоэлемента координаты Z. В результате этого острие 2 отходит от образца 3 настолько, что величина туннельного тока, которая очень сильно зависит от расстояния между острием 2 и образцом, становится равной заданной величине.

Выходное напряжение на втором выходе усилителя 12 напряжения измеряется вычислителем блока 10 регистрации с помощью встроенного АЦП и представляет собой функцию топографии исследуемой поверхности образца 3 при сканировании этой поверхности путем подачи развертывающих напряжений с выходов встроенных

ЦАП блок 10 на электродные системы пьезоэлементов координат Х, У, Таким образом, в этом режиме контур автоматического регулирования образуют; острие 2, туннельный промежуток, образец

3, блок 11 измерения туннельного тока, блок

9 управления, усилитель 12 напряжения и электрод 7.

Данный режим повторяет работу известного устройства. однако позволяет "осматривать" большие площади с большими перепадами высот рельефа исследуемой поверхности образца 3, но при этом разрешение координаты Z составляет несколько нанометров.

Этот режим предназначен для начального исследования поверхности.

Получив начальное топографическое изображение поверхности, можно выбрать нужный участок исследуемой поверхности и перейти на второй режим работы устройства — режим точного регулирования.

В этом режиме первый электрод 5 с помощью коммутатора 8 соединяется с первым выходом блока 9 управления, второй электрод б соединяется с выходом блока 13 компенсации, а вход усилителя 12 напряжения соединяется с выходом встроенного

ЦАП блока 10 регистрации.

В момент перехода на второй режим с выхода встроенного ЦАП на вход усилителя

12 направления поступает сигнал, под действием которого последний формирует максимальное управляющее напряжение на третьем электроде 7, вследствие чего пьезоэлемент координаты Z максимально сжимается, а острие 2 отодвигается от образца 3 и выходит из зоны регулирования туннельного тока. При этом выходное напряжение блока 9 управления минимально. Но, так как диапазон перемещения вершины пьезоэлемента по координате Z при подаче управляющего напряжения на первый электрод 5 значительно меньше, чем при подаче управ1709429

10 величине напряжения и весь диапазон регу- 20 лирования ограничен диапазоном перемеэлектрода 5 и 7, причем управляющее на- 25 пряжение на электроде 7 изменяет положение острия 2, если управляющее

50 ляющего напряжения на электрод (в 32 — 64 раза), то туннельный ток не возникает.

После этого под управлением вычислителя блока 10 напряжение с входа усилителя

12 напряжения плавно уменьшается, вследствие чего острие 2 плавно приближается к поверхности образца 3 до момента появления туннельного тока.

С этого момента работает контур точного автоматического регулирования, состоящий из острия 2, туннельного промежутка, образца 3, блоха 11 измерения туннельного тока блока 9 управления и электрода 5. После этого может быть осуществлено сканирование поверхности образца 3. При этом устройство может работать в двух подрежимах.

В первом подрежиме третий электрод 7 находится под действием постоянного по щения вершины пьезоэлемента координаты

Z, управляемого первым электродом 5.

Во втором подрежиме работают два напряжение, подаваемое на электрод 5, выходит на заданные пределы, которые оцениваются вычислителем с выхода блока 9 управления.

Введение блока 13 компенсации и второго электрода 6 на пьезоэлементе координаты Z компенсирует перемещения острия

2, вызванные пульсацией и возмущениями выходного напряжения усилителя 12 напряжения, подаваемого на третий электрод 7, под действием нестабильностй источников питания и внешних возмущающих воздействий.

Однако, если второй электрод 6 постоянно соединен с выходом блока 13 компенсации, резко уменьшается рабочий диапазон частот контура, работающего на третий электрод 7, Для устранения этого недостатка введен самостоятельный ключ в коммутаторе 8, который позволяет отключать второй электрод 6 от выхода блока 13 компенсации в периоды времени, когда под управлением вычислителя изменяется выходное напряжение усилителя 12 напряжения, подаваемое на третий электрод 7, Предлагаемое устройство позволяет производить исследования проводящих поверхностей твердых тел со следующими характеристиками; при относительной чувствительности пьезоэлемента координанм ты Z = 0,3 - чувствительность последнего при длине третьего электрода 7 10

40 нм мм составляет . В этом случае диаВ мм пазон перемещения острия по координате Z при диапазоне управляющего напряжения, подаваемого на этот электрод, 500 В составит 1,5 мкм.

Диапазон перемещения острия по координате Z при управлении первым электродом 5 определяется требуемой точностью (разрешением) измерения и разрядностью предоставления информации в измерительном АЦП. При разрешении 0,01 нм и 11-ти верных разрядах при 12-разрядном представлении информации диапазон перемещения острия по координате Z npu управлении первым электродом 5 составит

"2G нм, Уровень пульсаций выходного напряжения усилителя 12 напряжения зависит от конкретной аппаратуры и уровня внешних возмущающих воздействий. Практически этот уровень не превышает 0,1% от диапазона выходного напряжения усилителя и при диапазоне 500 В составит 0,5 В. В этом случае диапазон перемещения острия, вызванный пульсациями выходного напряжения блока высоковольтного напряжения, составит 1,5 нм. Для компенсации этих паразитных перемещений острия длина второго электрода 6 при диапазоне управляющего напряжения на выходе блока

13 компенсации 5 В должна составлять 1 мм.

Таким образом, при относительной чувствительности пьезоэлемента координаты нм

Z. равной 0,3, и выбранных диапаВ мм зонах управляющих напряжений, подаваемых на электроды 5-7, обеспечивается диапазон регулирования по координате

Z >1 мкм при точности измерения топографии исследуемой поверхности 0,01 нм, Экспериментальные исследования предлагаемого устройства для исследования топографии проводящей поверхности образца показали, что, по сравнению с известным,устройство обеспечивает более широкий диапазон регулирования и при этом достигается высокая точность измерения топографии поверхности.

Формула изобретения

Устройство для исследования топографии проводящей поверхности, содержащее пьезоэлектрический привод измерительного острия, включающий взаимно перпендикулярно ориентированные по трем координатам пьезоэлементы с управляющими электродными системами, держатель образца со средством его подвода к острию, 8

1709429 Составитель В.Гаврюшин

Техред M.Moðråíòàë Корректор M.Êó÷åðÿaàÿ

Редактор Э.Слиган

Заказ 432, Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 а также последовательно соединенные блок измерения туннельного тока и блока управления туннельным промежутком, выходы которого соединены с управляющей электродной системой пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка и блоком регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, о т.л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности регистрируемых параметров поверхности, оно снабжено усилителем напряжения, блоком компенсации и коммутатора, при этом управляющая электродная система пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов, первый из которых, расположенный ближе к острию, соединен с выходом блока

5 управления через первый канал коммутатора, второй электрод минимальной протяженности соединен с выходом блока компенсации через второй канал коммутатора, третий электрод максимальной протя10 женности соединен с входом блока компенсации и первым выходом усилителя напряжения, вход которого соединен через третий канал коммутатора с выходом блока регистрации, а второй выход соединен с

15 входом блока регистрации,