Устройство для исследования поверхности проводящих образцов

 

Использование: изобретение относится к технике измерений и может быть использовано в исследовательских и технологических установках для контроля рельефа поверхности образцов и локального воздействия на них. Сущность изобретения: устройство содержит жесткозакрепленный на цилиндрическом держателе пьезоманипулятор с измерительной иглой, верхняя часть которого через упругий элемент прикреплена к неподвижной опоре, а нижняя - жестко связана с лыжами, установленными на исследуемой поверхности, образуя с ней пару скольжения, а образец закреплен на узле перемещения в виде насаженного на вал диска, и приспособление для подвода образца к измерительной игле. При этом рабочие поверхности пары скольжения выполнены с шероховатостью R_r≅0,05 мкм, а l≅0,1 r_k, где r_k - наибольший линейный размер области касания лых с поверхностью образца, r_k - наименьший из радиусов кривизны поверхности образца. Такая конструкция обеспечивает работоспособность устройства в 4-х режимах, т.е. обладает более широкими функциональными возможностями, позволяя производить измерения и исследования поверхности движущегося образца по всей его поверхности и не ограничивать его размеры. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в исследовательских и технологических установках для контроля рельефа поверхностей и локального воздействия на них.

Известны устройства на основе туннельного эффекта, используемые для исследования поверхностей [1,2] которые имеют пьезоманипулятор с измерительным зондом, обеспечивающий обзор поверхноcти неподвижного образца. Для исследования ближайших областей поверхности необходимо переместить манипулятор или образец и зафиксировать их для последующего измерения. Основной недостаток таких конструкций низкая производительность исследований, ограничения к размерам исследуемой поверхности, невозможность проводить измерения на движущихся поверхностях и изменять их свойства.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [3] содержащее жесткозакрепленный на держателе пьезоманипулятор с измерительной иглой, выполненном в виде металлического опорного кольца, на торцовой поверхности которого установлена сбоку металлических кубиков движителя и пьезоэлектрических вставок н-образной формы. В сквозном отверстии рабочего стола расположено приспособление для подвода образца к измерительной игле, выполненное в виде круглой мембраны, жесткозакрепленной на столе соосно отверстию, и штока, установленного с возможностью взаимодействия с мембраной. Движитель с жесткозакрепленным на нем держателем установлен на рабочем столе с возможностью скольжения. Достоинствами устройства является высокая стабильность относительного положения иглы и образца, позволяющая продолжительное время манипулировать в заданной области образца, а также возможность проводить технологические операции в нанометровых областях на поверхности образцов в ограниченной области.

Однако это устройство не обеспечивает измерение поверхности движущихся образцов, имеющих макроскопические размеры, и имеет ограниченные технологические возможности.

Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего расширение функциональных возможностей за счет исследования движущихся образцов, снижения ограничений к их размерам и проведения технологических операций по всей поверхности образца.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит жесткозакрепленный на держателе пьезоманипулятор с измерительной иглой, пpиспособление для подвода образца к измерительной игле и узел перемещения образца. Верхняя часть цилиндрического держателя соединена с упpугим элементом, который пpикреплен к неподвижной опоре. Нижняя часть держателя жестко связана с лыжами, установленными на исследуемой поверхности образца, образуя с ней пару скольжения. Образец размещен на узле перемещения, выполненном в виде диска, жесткозакрепленного на валу двигателя. Рабочие поверхности пары скольжения выполнены с шероховатостью R_z≅0,05 мкм, а отношение наибольшего линейного размера области касания лыж с поверхностью образца к наименьшему радиусу кривизны поверхности образца не превышает 0,1.

Преимущество такой конструкции в том, что она позволяет исследовать свойства поверхности движущегося образца по всей его поверхности. Устройство работоспособно в четырех режимах: при движущемся образце и переменном токе в режиме емкостного зондового микроскопа; в режиме резистивного тока, проходящего между измерительной иглой и поверхностью движущегося образца за счет возникновения молекулярного микромостика; в режиме растрового туннельного микроскопа, когда между измерительной иглой и неподвижным образцом пpотекает туннельный ток; в режиме локальных воздействий для проведения технологически операций.

На фиг. 1 представлено в двух проекциях устройство для исследования поверхности проводящих образцов; на фиг.2 функциональная схема измерения токов в цепи измерительная игла поверхность образца.

Устройство (фиг. 1) содержит исследуемый образец 1, размещенный на подложке 2 из проводящего материала и жесткосвязанный с узлом перемещения подложки (на фиг. 1 направление перемещения показано стрелкой), измерительную иглу 3, жесткозакрепленную в пьезоманипуляторе 4, установленном на держателе 5, который опирается на пару лыж 6 и жестко с ними связан. Держатель 5 связан упругим элементом 7 с неподвижной опорой 8 закреплен в плоскости движения образца и может отклоняться перпендикулярно его поверхности. Пьезоманипулятор 4 установлен в держателе 5 с возможностью перемещения в вертикальном направлении относительно поверхности подложки 2 с помощью винта 9 и контргайки 10. Упругий элемент 7 связан с неподвижной опорой 8 с помощью винта 11 и набора шайб 12.

Поверхность исследуемого образца 1 и внешняя поверхность лыж 6 обработаны полировкой по высокому классу, R_z≅0,05 мкм, е≅0,1 r_k, где е наибольший линейный размер области касания лыж с образцом, r_k наименьший из радиусов кривизны поверхности образца.

Лыжи 6 выполнены из твердого графита и установлены на расстоянии, обеспечивающем устойчивость устройства. Пьезоманипулятор 4 представляет собой трубку из пьезокерамики ЦТС-19.

Измерительная игла 3 выполнена из вольфрамовой проволоки с применением электрохимической заточки с радиусом острия до 20 нм и является сменной. Упругим элементом 7 являетcя стальная пластина. В качестве узла перемещения использован, например, плоский диск, являющийся подложкой 2, укрепленный на оси двигателя и выполняющим функцию рабочего стола. Жесткое крепление элементов конструкции обеспечено с помощью эпоксидной смолы марки ЭД-20 с отвердителем полиэтилен паламином 8% от объема смолы.

Устройство работает следующим образом. Измерительная игла вставляется в пьезоманипулятор и закрепляется таким образом, чтобы острие иглы находилось за плоскостью, проходящей через внешние поверхности лыж 6 для исключения царапания поверхности образца 1. Для этого винтом 9 с применением оптического устройства находится нужное положение иглы.

Далее держатель 5 устанавливается лыжами 6 на поверхность образца 1 и закрепляется через упругий элемент 7 жестко винтом 11. Степень прижатия, обеспечивающая режим скольжения и допустимую температуру нагрева поверхности образца и лыж, из-за трения регулируется набором шайб 12.

Для регистрации тока в цепи измерительная игла поверхность образца собирается схема, изображенная на фиг.2.

В цепи измерения тока включен 1 МОм резистор для измерения малых токов. Используется широкополосный предусилитель тока, обеспечивающий, в частности, измерение емкостной составляющей тока вплоть до частот 10⁸ Гц.

В зависимости от задач исследования возможны различные режимы измерений.

Режим растрового туннельного микроскопа. В этом режиме образец остается неподвижным и исследуется тонография выбранного участка поверхности размерами до 2 х 2 мкм². Для этого на иглу относительно образца 1 подается постоянное напряжение обычно до 5 В. Поворотом винта 9 грубо сближают измерительную иглу 3 с поверхностью образца 1, а с помощью пьезоманипулятора 4 путем подачи на него напряжения от 9 до 300 В плавно уменьшают величину зазора до тех пор, пока не возникнет в цепи туннельный ток. Возможно неоднократное повторение этой процедуры, если острие измерительной иглы находится на значительном расстоянии от поверхности образца. После достижения устойчивой величины туннельного тока в цепи, пьезоманипулятор 4 фиксирует жестко относительно держателя 5 с помощью контр гайки 10. Далее исследуется тонография выбранного участка поверхности образца в обычном режиме растрового туннельного микроскопа. Отсутствие шунтирующего конденсатора, включенного параллельно 1 МОм резистору в туннельных микроскопах, не сказывается на измерениях, поскольку имеется емкость отводящих проводов.

Режим емкостного зондового микроскопа. В этом режиме на измерительную иглу 3 относительно образца 1 подается постоянное напряжение не превышающее обычно 5 В и приводится в движение подложка с образцом с постоянной линейной скоростью, не превышающей в обычных атмосферных условиях 10 м/с. Если устройство перед этим работало в режиме туннельного микроскопа, то винтом 9 нужно отвести измерительную иглу 3 от поверхности образца для избежания механического контакта при движении образца. Поворотом винта 9 сближают измерительную иглу 3 с поверхностью образца 1 и с помощью пьезоманипулятора 4 путем подачи на него напряжения от 0 до 300 В плавно уменьшают величину зазора до тех пор пока не возникнет в цепи переменный ток, обусловленный тем, что при движении поверхности образца под измерительной иглой величина зазора флуктуирует. Емкостный ток в зависимости от времени t (или координат x=t·v, где v скорость движения поверхности образца относительно острия иглы): , где U приложенное напряжение между измерительной иглой и образцом, c - электрическая емкость системы измерительная игла поверхность образца; Δϕ - контактная разность потенциалов (разность работ выхода электрона из электродов) между измерительной иглой и поверхностью образца. Для измерения контактной разности потенциалов система слежения емкостного тока настраивается таким образом, что всегда U(t) = - Δϕ(t), т.е. I_c=0, тогда проводится локальное измерение контактной разности потенциалов вдоль движущегося образца с разрешением , где средняя величина межэлектродного зазора >>R, где R радиус острия измерительной иглы. Для измерения топографии образца подают напряжение значительно превышающее контактную разность потенциалов, тогда емкостный ток в зависимости от координаты образца имеет вид . С точностью до логарифмической производной величины зазора по координате х справедлива формула где α-const, т.е. величина емкостного тока обратно пропорциональна в данной точке величине зазора, характеризующего рельеф повеpхности образца. Это методика реализуется в сканирующих емкостных зондовых микроскопах [4] Величина константы a определяется исследованием тестовой структуры.

Режим резистивного тока. Из режима емкостного зондового микроскопа при дальнейшем плавном подведении острия измерительной иглы 3 к движущейся поверхности образца 1 можно перейти в резистивный режим, когда наряду с емкостной составляющей тока, возникает однонаправленная (определяемая знаком потенциала на измерительной игле), изменяющаяся со временем составляющая тока, обусловленная тем, что при движении поверхности образца под измерительной иглой величина его флуктуирует и при минимальной его величине порядка 5 нм возникает молекулярный мостик между электродами обусловленный поляризацией молекул среды и их диполь дипольным притяжением. Молекулярные мостики устойчивы к флуктуациям его собственной длины до 0,1 мкм при обычных комнатных условиях. Радиус канала определяется радиусом острия измерительной иглы [5] В режиме резистивного тока легко определяется верхняя граница шероховатости образца по прерыванию тока, если она превышает 0,1 мкм. Поскольку сопротивление молекулярных каналов R_l практически остается неизменным в пределах их устойчивости, то изменение резистивного тока в цепи определяется контактным значением R_o(t) на поверхности подложки I_R(t)=U/[R_u+R_l+R_o(t)] где R_u контактное сопротивление на поверхности острия измерительной иглы. В свою очередь R_o(t) зависит от работы выхода электрона из поверхности образца, что является дополнительной методикой измерения распределения контактной разности потенциалов по поверхности образца.

Режим локального воздействия. Наличие молекулярных мостиков позволяет проводить локальное воздействие с помощью измерительной иглы на движущуюся поверхность образца. Например, пропуская между измерительной иглой 3 из вольфрамовой проволоки и металлической подложкой 1 из полированного титана через молекулярный мостик импульсы тока длительностью 10^-5 с и величиной до 50 мА, можно изменить работу выхода электрона подложки до 0,3 эВ в области с радиусом менее 20 нм, что может быть зафиксировано устройством в режиме измерения. Локальное изменение работы выхода электрона из подложки может быть использовано для записи и считывания дискретной информации на движущейся подложке с плотностью в строке до 2·10⁷ бит/см.

Подавая на измерительную иглу 3 относительно образца 1 из гидрогенизированного кремния Si:H импульсы напряжения длительностью 10^-5 с величиной до 30-40 В можно получить дорожки повышенной локальной проводимости шириной до 100 нм. Скорость движения подложки и частота следования импульсов напряжения должны быть такими, чтобы не было разрывов в дорожке. Так, при линейной скорости движения образца 0,1 см/с частота импульсов должна быть 10⁵ Гц. Образование дорожек повышенной проводимости является необходимым для разводки нанометровых интегральных схем.

Таким образом, по сравнению с прототипом предложенное устройство позволяет проводить измерения и исследования поверхности движущегося образца по всей его поверхности. Большим достоинством устройства являются его расширенные функциональные возможности: устройство работоспособно в 4-х вышеописанных режимах. Кроме того, устройство дает возможность исследовать образцы больших размеров.

Формула изобретения

1. Устройство для исследования поверхности проводящих образцов, содержащее жестко закрепленный на держателе пьезоманипулятор с измерительной иглой, приспособление для подвода образца к измерительной игле и узел перемещения образца, отличающееся тем, что верхняя часть держателя цилиндрической формы через упругий элемент, выполненный с возможностью перпендикулярного перемещения относительно поверхности образца, прикреплена к неподвижной опоре, его нижняя часть жестко связана с лыжами, установленными на исследуемой поверхности образца, образуя с ней пару скольжения, а образец закреплен на узле перемещения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел перемещения образца выполнен в виде диска, жестко закрепленного на валу двигателя.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что рабочие поверхности пары скольжения выполнены с шероховатостью R_z ≅ 0,05 мкм, а l≅ 0,1 r_к, где l наибольший линейный размер области соприкасания лыж с поверхностью образца, r_к наименьший из радиусов кривизны поверхности образца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2