Сканирующий туннельный микроскоп

 

Изобретение относится к области научного приборостроения и может быть использовано для получения топографии проводящих поверхностей, а также для изучения физико-технологических свойств твердых тел. Технический результат - повышение производительности и надежности измерений при увеличении точности и быстродействия устройства, снижение чувствительности к внешним вибрациям. Сканирующий туннельный микроскоп содержит точный пьезопривод измерительного острия по осям X, Y, Z, держатель образца с шаговым пьезоприводом его сближения с острием, последовательно соединенные блок измерения туннельного тока и блок управления туннельным промежутком, блок регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, блок компенсации, коммутатор, высоковольтный усилитель напряжения по оси Z. В устройство введены блок измерения ошибки прогноза высоты рельефа, содержащий аналого-цифровой преобразователь, дифференциальный усилитель и цифроаналоговый преобразователь, и блок адаптивного управления пьезоприводами, содержащий коммутатор, цифроаналоговый преобразователь, блок адаптивного сближения образца с острием и сигнальный процессор. 2 ил.

Изобретение относится к области научного приборостроения и может быть использовано для получения топографии проводящих поверхностей, а также для изучения физико-технологических свойств твердых тел.

Известен сканирующий туннельный микроскоп на основе монолитного пьезоэлемента крестообразного сечения [1], содержащий блок обратной связи для стабилизации туннельного тока, генераторы разверток по осям X, Y и схему сближения образца и иглы.

Недостатком устройства являются его низкие быстродействие и точность, обусловленные отсутствием средств адаптации к условиям сканирования и регистрации рельефа поверхности исследуемых образцов.

Известен пьезоманипулятор из осесимметричного стержня с крестообразным сечением [2] для перемещения острия в сканирующем туннельном микроскопе, состоящий из нижней части с постоянной по высоте площадью сечения, и из верхней части, убывающей к незакрепленному концу.

Недостатком сканирующего туннельного микроскопа на основе этого пьезоманипулятора являются его низкие быстродействие и точность, обусловленные отсутствием у пьезоманипулятора средств для адаптации к условиям сканирования и регистрации рельефа поверхности исследуемых образцов.

Известно устройство для исследования топографии проводящей поверхности [3] , содержащее пьезоэлектрическую треногу с управляющими электродными системами для привода острия по осям X, Y, Z, а также блоки измерения туннельного тока, управления туннельным промежутком, регистрации топографии, с управляющим усилителем, усилитель напряжения, коммутатор и блок компенсации.

Электродная система пьезоэлемента регулирования туннельного промежутка по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов. Наиболее удаленный от острия электрод имеет максимальную протяженность и обеспечивает режим грубого регулирования, ближайший к острию электрод и средний минимальной протяженности обеспечивают режим точного регулирования с компенсацией паразитных перемещений острия, вызванных пульсацией и возмущениями выходного напряжения высоковольтного усилителя по оси Z. Переключение режимов осуществляется коммутатором, управляемым от вычислителя блока регистрации.

Недостатком устройства являются его низкое быстродействие и высокая чувствительность к внешним вибрациям, определяемые использованием в качестве пьезодвигателя острия - пьезотреноги, имеющей низкие собственные резонансные частоты. Кроме того, низкие быстродействие и точность обуславливаются отсутствием средств адаптации к условиям сканирования и регистрации рельефа поверхности исследуемых образцов.

Задача изобретения состоит в создании сканирующего туннельного микроскопа, который обеспечивает повышение производительности и надежности измерений при увеличении точности и быстродействия устройства, а также его низкую чувствительность к внешним вибрациям.

Задача решается тем, что в сканирующем туннельном микроскопе, содержащем точный пьезопривод измерительного острия по осям X, Y, Z, держатель образца с шаговым пьезоприводом его сближения с острием, последовательно соединенные блок измерения туннельного тока и блок управления туннельным промежутком, блок регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, блок компенсации, коммутатор, высоковольтный усилитель напряжения по оси Z, введены блок измерения ошибки прогноза высоты рельефа и блок адаптивного управления пьезоприводами, первый и второй выходы которого через соответствующие первый и второй каналы коммутатора, два цифроаналоговых преобразователя и два высоковольтных усилителя подсоединены к Х,Y-электродам точного пьезопривода с крестообразным сечением, состоящим из верхней части с постоянной по высоте площадью сечения для привода острия по осям X, Y, и из нижней части с площадью сечения, убывающей к незакрепленному концу для привода острия по оси Z, при этом управляющая электродная система по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов, первый из которых, расположенный ближе к острию, соединен с выходом блока управления туннельным промежутком и первым входом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа через третий канал коммутатора, второй электрод минимальной протяженности соединен с выходом блока компенсации через четвертый канал коммутатора, третий электрод максимальной протяженности соединен с входом блока компенсации и выходом высоковольтного усилителя напряжения по оси Z, вход которого через пятый канал коммутатора подключен к третьему выходу блока адаптивного управления пьезоприводами, четвертый выход которого соединен с Z-электродами шагового пьезопривода, а пятый - со вторым входом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа, выход которого подключен к первому входу блока адаптивного управления пьезоприводами, второй вход которого соединен с шиной обмена данными управляющего вычислителя, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам коммутатора, блока управления туннельным промежутком, блока измерения туннельного тока.

Блок измерения ошибки прогноза высоты рельефа содержит аналого-цифровой преобразователь, дифференциальный усилитель и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого является первым входом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа, второй вход которого является входом цифроаналогового преобразователя, выход дифференциального усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа.

Блок адаптивного управления пьезодвигателями содержит цифроаналоговый преобразователь, блок адаптивного сближения образца с острием и сигнальный процессор, первый, второй и пятый выходы которого являются соответственно первым, вторым и пятым выходами блока адаптивного управления пьезоприводами, третий выход которого является выходом цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к третьему выходу сигнального процессора, четвертый выход которого соединен с входом блока адаптивного сближения образца с острием, выход которого является четвертым выходом блока адаптивного управления пьезоприводами, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входом сигнального процессора.

На фиг.1 изображена структурная схема сканирующего туннельного микроскопа, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.

Сканирующий туннельный микроскоп содержит точный пьезопривод 1 для перемещения измерительного острия 2 по осям X, Y, Z относительно поверхности образца 3 с держателем и шаговым пьезоприводом 4 его сближения с острием, последовательно соединенные блок 5 измерения туннельного тока и блок 6 управления туннельным промежутком, соединенный с блоком 7 регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, блок компенсации 8, коммутатор 9, высоковольтный усилитель 10 напряжения по оси Z, блок 11 измерения ошибки прогноза высоты рельефа, блок 12 адаптивного управления пьезоприводами, первый и второй выходы которого через соответствующие первый и второй каналы коммутатора 9, два цифроаналоговых преобразователя 13, 14 и два высоковольтных усилителя 15, 16 подсоединены к X,Y электродам точного пьезопривода 1 крестообразного сечения, который состоит из верхней части с постоянной по высоте площадью сечения для привода острия 2 по осям X, Y и из нижней части, убывающей к незакрепленному концу для привода острия по оси Z, при этом управляющая электродная система по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов 23, 24, 25, из них расположенный ближе к острию электрод 23 соединен с выходом блока 6 управления туннельным промежутком и первым входом блока 11 измерения ошибки прогноза высоты рельефа через третий канал коммутатора 9, электрод 24 минимальной протяженности соединен с выходом блока 8 компенсации через четвертый канал коммутатора, электрод 25 максимальной протяженности соединен с входом блока 8 компенсации и выходом высоковольтного усилителя 10 напряжения по оси Z.

Блок 11 измерения ошибки прогноза высоты рельефа включает аналого-цифровой преобразователь 17, дифференциальный усилитель 18 и цифроаналоговый преобразователь 19, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 18, второй вход которого является первым входом блока 11 измерения ошибки прогноза высоты рельефа, второй вход которого является входом цифроаналогового преобразователя 19, выход дифференциального усилителя 18 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 17, выход которого является выходом блока 11 измерения ошибки прогноза высоты рельефа.

Блок 12 адаптивного управления пьезоприводами включает цифроаналоговый преобразователь 20, блок 21 адаптивного сближения образца 3 с острием 2 и сигнальный процессор 22, первый, второй и пятый выходы которого являются соответственно первым, вторым и пятым выходами блока 12 адаптивного управления пьезоприводами, третий выход которого является выходом цифроаналогового преобразователя 20, вход которого подключен к третьему выходу сигнального процессора 22, четвертый выход которого соединен с входом блока 21 адаптивного сближения образца 3 с острием 2, выход которого является четвертым выходом блока 12 адаптивного управления пьезоприводами, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входом сигнального процессора 22. Блок 6 управления туннельным промежутком включает логарифмический усилитель для линеаризации входного напряжения, пропорционального величине туннельного тока, схему сравнения в виде линейного усилителя с дифференциальным входом и корректирующие цепи для обеспечения стабилизации туннельного тока. Коммутатор 9 представляет собой многоканальный электронный коммутатор, управляемый вычислителем блока 7 регистрации топографии и реализующий работу сканирующего туннельного микроскопа в двух режимах: грубого и точного регулирования. Блок 7 регистрации топографии включает управляющий вычислитель с регистрирующим устройством и встроенными ЦАП и АЦП.

Сигнальный процессор 22, ЦАП 13, 14, 19, 20, АЦП 17 располагаются вблизи туннельного промежутка, что обеспечивает повышенное значение отношения сигнал/шум за счет применения для передачи и обработки цифровой (а не аналоговой, как в прототипе) измерительной информации.

Сканирующий туннельный микроскоп работает следующим образом. Для сближения образца 3 с иглой 2 до возникновения туннельного тока используется шаговый пьезопривод 4, выполненный, например, в виде устройства для микроперемещений объекта [4] по оси Z. Для этого устройство содержит закрепленную на основании одним концом пьезотрубку с электродами, снабженную на другом конце патроном, в котором посредством пружин установлен держатель объекта с возможностью перемещения по оси Z, параллельном оси патрона. При подаче пилообразного напряжения на электроды пьезотрубки последняя плавно удлиняется. В момент времени, соответствующий заднему фронту (сбросу амплитуды) пилообразного напряжения, пьезотрубка возвращается в исходное состояние. Держатель объекта за счет своей инерционности и в силу того, что масса m_д держателя с образцом подобрана так, что выполняется условие m_да_д>F_трд, проскальзывает относительно патрона на некоторый шаг. Для перемещения объекта по оси Z на большее расстояние на пьезотрубку подается серия импульсов управляющего напряжения.

При появлении с последующим установлением заданной величины туннельного тока сканирующий туннельный микроскоп работает следующим образом. Блок 21 адаптивного сближения образца 3 с острием 2 формирует управляющее пилообразное напряжение U₂₁ (фиг.2,а), которое подается на шаговый пьезопривод 4. Для ускорения процедуры сближения образца 3 с острием 2 скорость сближения (пропорциональная U₂₁) устанавливается сначала максимальной и снижается (с появлением туннельного тока на выходе блока 5) до нуля по мере роста этого тока до заданной величины Iт. Во время переднего фронта сигнала U₂₁ образец 3 перемещается по направлению к острию 2, при этом в каждой измерительной точке фронта сигнала U₂₁ сигнальный процессор 22 отслеживает величину туннельного тока. Если туннельный ток не достиг заданного значения Iт, сигнальный процессор 22 продолжает формирование фронта сигнала U₂₁ (предел наращивания амплитуды в этом случае - максимальный код ЦАП, управляющего пьезоприводом 4). Если в какой-либо точке фронта сигнальный процессор 22 установит достижение туннельным током заданной величины, дальнейшее наращивание переднего фронта сигнала U₂₁ завершится и будет сформирован его срез, назначение которого сохранение взаимного положения иглы 2 и образца 3. Однако ряд причин (возможное движение образца 3 вперед (по инерции) в начальное время заднего фронта, колебательный переходный процесс в элементах привода 4, применение в нем весокомпенсирующих пружин) может при формировании заднего фронта сигнала U₂₁ привести к неконтролируемому движению образца 3 к острию 2. Для избежания повреждения острия 2 непосредственно перед формированием заднего фронта пилообразного напряжения U₂₁ сигнальный процессор 22 на выходе ЦАП 20 формирует управляющее напряжение U₁₀, которое через пятый канал коммутатора 9, высоковольтный усилитель 10, Z-электроды 25 точного пьезопривода 1 перемещает острие 2 в направлении возможного (от образца) неконтролируемого движения держателя с образцом 3, вызванного задним фронтом сигнала U₂₁. Затем сразу по окончании этого фронта сигнальный процессор 22 снижает уровень сигнала U₁₀ до нуля, перемещая острие 2 по направлению к образцу со скоростью, достаточной для отслеживания этих перемещений отрицательной обратной связью микроскопа. Это позволяет, автоматически (в зависимости от величины туннельного тока) регулируя скорость шаговых перемещений и размер шага, сократить время сближения образца 3 и острия 2, увеличить точность установления шаговым пьезоприводом 4 заданной величины I_T туннельного тока, а также повысить надежность работы устройства.

После сближения острия 2 и образца 3 и установления заданного туннельного тока сканирующий туннельный микроскоп (как и прототип) может работать в двух режимах. В первом режиме контур автоматического регулирования образует острие 2, туннельный промежуток, образец 3, блок 5 измерения туннельного тока, блок 6 управления туннельным промежутком, высоковольтный усилитель 10 напряжения по оси Z и электрод 25 точного пьезопривода 1. Данный режим 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 для исследования ее участок и перейти на второй режим точного регулирования. В этом режиме работают два электрода 23 и 25, причем управляющее напряжение на электроде 25 изменяет положение острия 2, если управляющее напряжение, подаваемое на электрод 23, выходит за заданные пределы точного регулирования, которые оцениваются вычислителем блока регистрации топографии исследуемой поверхности, с выхода блока 6 управления туннельным промежутком. Использование блока 8 компенсации и второго электрода 24 на пьезоэлементе координаты Z компенсирует перемещения острия 2, вызванные пульсациями и возмущениями выходного напряжения высоковольтного усилителя 10 по оси Z, подаваемого на электрод 23, под действием нестабильности источников питания и внешних возмущающих воздействий.

Недостатком известных сканирующих туннельных микроскопов является их низкая производительность и значительное (до 40 мин) время получения СТМ-изображений, обусловленное использованием линейной механической развертки с помощью пьезопреобразователей. Следует отметить, что наибольший вклад в общее время получения СТМ-изображений вносит время успокоения колебаний измерительного острия 2, выдерживаемое перед началом измерений в каждой точке СТМ-растра. Для сокращения времени получения изображения поверхности объекта 3 и повышения производительности туннельного микроскопа в данном устройстве предложено использовать нелинейную адаптивную развертку с прогнозированием Z-координаты в точке измерений. С этой целью блок 12 адаптивного управления пьезодвигателями в процессе сканирования острием 2 поверхности образца 3 варьирует интервал пространственной дискретизации Δх в зависимости от рельефа поверхности образца 3, увеличивая скорость сканирования на ровных участках поверхности и уменьшая на неровных. Информация о рельефе поверхности поступает в сигнальный процессор 22, который (используя столбцы растра просканированной части СТМ-изображения) в начале каждой строки строит прогнозный полином, который экстраполирует на несканированные точки растра. Согласно данным прогноза, сигнальный процессор 22 устанавливает текущий интервал строчной дискретизации, который может изменяться в пределах от своего минимального значения (равного Х-шагу обычного линейного СТМ-растра) до максимального (равного длине строки). Для этого в прогнозной последовательности точек строки выделяются квазилинейные участки, для которых интервал дискретизации Δх устанавливается согласно соотношения Δx = Δ/(4Zʹx) (где А - нормировочный коэффициент; Z'_X - первая производная на участке профилограммы) [5] . При Х-перемещении острия 2 от начальной измерительной точки интервала дискретизации к последней ЦАП_X 13 и высоковольтный усилитель 15 формируют не обычное равномерное (линейное) наращивание управляющего напряжения, а скачкообразное U₁₅ (фиг.2,б). В последней точке интервала дискретизации производится измерение ее Z-координаты. Вместо пропущенных при адаптивном сканировании точек строки обычного линейного СТМ-растра используются точки прогнозного полинома. Если измеренная Z-координата в конце интервала дискретизации отличается от прогнозной на величину, большую допустимой ошибки, то производится пересканирование строки с использованием обычной линейной развертки.

Во избежание потери работоспособности острия 2 во время его возможных касаний поверхности образца 3, перед началом Х-перемещений острия 2 сигнальный процессор 22 через ЦАП 20, пятый канал коммутатора 9 и высоковольтный усилитель 10 по оси Z отводит острие 2 на безопасное прогнозное расстояние, равное сумме туннельного зазора и (умноженного на коэффициент запаса) прогнозного максимального значения Z-координаты этого участка профилограммы поверхности.

С целью повышения точности измерений Z-координаты введен компенсационный метод [6] с использованием прогнозного значения Z-координаты в точке измерений, для реализации которого на первый вход дифференциального усилителя 18 с выхода блока 6 управления туннельным промежутком подается измеряемое и пропорциональное высоте рельефа напряжение, а на второй вход - прогнозное значение этой же Z-координаты в этой же точке профилограммы. Усиленная дифференциальным усилителем 18 ошибка прогноза Z-координаты измеряется АЦП 17 и передается в сигнальный процессор 22 для расчета истинного значения Z-координаты, равного алгебраической сумме ее прогнозного значения и ошибки прогноза. Погрешность измерений Z-координаты будет тем меньше (на порядок и более), чем ближе ее прогнозное значение к измеренному. Блок 11 измерения ошибки прогноза позволяет также повысить быстродействие измерений Z-координаты при сохранении точности микроскопа на уровне прямых измерений, используя для этого АЦП, имеющий меньшее (на 5 и более) число разрядов (и как следствие более быстродействующий и дешевый), чем АЦП 17 прототипа.

Предложенный сканирующий туннельный микроскоп обладает более высокими производительностью и быстродействием, малым временем получения СТМ-изображений (обусловленными быстрым сканированием, адаптированным к рельефу исследуемой поверхности), повышенной надежностью работы (обеспечиваемой предложенной защитой острия от его возможного касания поверхности образца), повышенной точностью (или быстродействием) измерений (определяемой введением компенсационного метода с использованием прогнозного значения Z-координаты в точке измерений), а также повышенным значением отношения сигнал/шум (за счет применения для передачи и обработки цифровой, а не аналоговой, как в прототипе, измерительной информации), что обеспечивается расположенными вблизи туннельного промежутка сигнальным процессором 22, ЦАП 13, 14, 19, 20, АЦП 17.

Источники информации 1. Адамчук В.К., Ермаков А.В., Любинецкий И.В., Житомирский Г.А., Панич А. Е. Сканирующий туннельный микроскоп на основе монолитного пьезоэлемента крестообразного сечения. - Приборы и техника эксперимента, 1989, 5, с.182-184.

2. А.с. 1604136 Н 02 N 2/00 Н 01 L 41/09 А.О. Голубок, Д.Н. Давыдов, В. А. Тимофеев, С.Я. Типисев, М.Л. Фелыптын. Пьезоманипулятор.

3. А. с. 1709429 Н 01 J 37/285 Д.Г. Соболев, А.М. Косяков, С.А. Герасимов. Устройство для исследования топографии проводящей поверхности (прототип).

4. А.с. 1635869 Н 02 N 2/00, Н 01 L 41/09 Д.Г. Волгунов, А.А. Гудков, В. Л. Миронов. Устройство для микроперемещений объекта по трем некомпланарным осям.

5. Темников Ф.Е. Методы и модели развертывающих систем. М.: Энергоатомиздат, 1987, 134с.

6. Измерения в промышленности. Справ, изд. В 3-х кн. Кн. 1. Теоретические основы. Пер. с нем. /Под ред. Профоса П.- М.: Металлургия, 1990.-492с.

Формула изобретения

Сканирующий туннельный микроскоп, содержащий точный пьезопривод измерительного острия по осям X, Y, Z, держатель образца с шаговым пьезоприводом его сближения с острием, последовательно соединенные блок измерения туннельного тока и блок управления туннельным промежутком, блок регистрации топографии исследуемой поверхности с управляющим вычислителем, блок компенсации, коммутатор, высоковольтный усилитель напряжения по оси Z, отличающийся тем, что введены блок измерения ошибки прогноза высоты рельефа и блок адаптивного управления пьезоприводами, первый и второй выходы которого через соответствующие первый и второй каналы коммутатора, два цифроаналоговых преобразователя и два высоковольтных усилителя подсоединены к X, Y-электродам точного пьезопривода с крестообразным сечением, состоящего из верхней части с постоянной по высоте площадью сечения для привода острия по осям X, Y и из нижней части с площадью сечения, убывающей к незакрепленному концу для привода острия по оси Z, при этом управляющая электродная система по оси Z выполнена в виде трех последовательно расположенных изолированных друг от друга электродов, первый из которых, расположенный ближе к острию, соединен с выходом блока управления туннельным промежутком и первым входом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа через третий канал коммутатора, второй электрод минимальной протяженности соединен с выходом блока компенсации через четвертый канал коммутатора, третий электрод максимальной протяженности соединен с входом блока компенсации и выходом высоковольтного усилителя напряжения по оси Z, вход которого через пятый канал коммутатора подключен к третьему выходу блока адаптивного управления пьезоприводами, четвертый выход которого соединен с Z-электродами шагового пьезопривода, а пятый - со вторым входом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа, выход которого подключен к первому входу блока адаптивного управления пьезоприводами, второй вход которого соединен с шиной обмена данными управляющего вычислителя блока регистрации топографии исследуемой поверхности, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к управляющим входам коммутатора, блока управления туннельным промежутком, блока измерения туннельного тока, причем блок измерения ошибки прогноза высоты рельефа содержит аналого-цифровой преобразователь, дифференциальный усилитель и цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого является первым входом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа, второй вход которого является входом цифроаналогового преобразователя, выход дифференциального усилителя подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого является выходом блока измерения ошибки прогноза высоты рельефа, а блок адаптивного управления пьезодвигателями содержит цифроаналоговый преобразователь, блок адаптивного сближения образца с острием и сигнальный процессор, первый, второй и пятый выходы которого являются соответственно первым, вторым и пятым выходами блока адаптивного управления пьезоприводами, третий выход которого является выходом цифроаналогового преобразователя, вход которого подключен к третьему выходу сигнального процессора, четвертый выход которого соединен с входом блока адаптивного сближения образца с острием, выход которого является четвертым выходом блока адаптивного управления пьезоприводами, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами сигнального процессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2