Устройство для прецизионных перемещений

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в качестве эталона для определения перемещений и линейных размеров объектов в нанометровом диапазоне. В основу настоящего изобретения была положена задача создания простого устройства, которое позволяло бы осуществлять малые заданные (до долей нанометра) смещения или производить их измерение с такой же точностью в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. Устройство для прецизионных перемещений содержит пластину из пьезоэлектрического материала с нанесенными на две ее противоположные стороны электродами, подключенными к источнику напряжения, при этом на поверхности одного из электродов нанесена по крайней мере одна метка размером от одного атома вещества до нескольких сот нанометров. Пластина может быть выполнена монокристаллической из материала с малым гистерезисом с ориентацией кристаллографических осей, обеспечивающей при подаче напряжения на электроды изменение размеров пластины в направлении, как параллельном, так и перпендикулярном плоскости электродов. Электроды обычно выполняют из материала, стойкого к окислению. На верхнем электроде может быть нанесен защитный слой в виде алмазной или сапфировой пленки. На поверхности защитного слоя может быть нанесена по крайней мере одна дополнительная метка. Электроды могут быть подключены как к источнику импульсного напряжения, так и источнику постоянного напряжения. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в качестве эталона для определения перемещений и линейных размеров объектов в нанометровом диапазоне.

Известно устройство для прецизионных перемещений, позволяющее обеспечивать линейное смещение в нанометровом диапазоне (US 4787148 /1/). Известное устройство по своей сущности является усовершенствованием известного микрометра, снабженного двухступенчатым механическим редуктором с соответствующим передаточным числом.

Недостатком известного устройства является относительно невысокая точность задаваемого смещения и невысокая воспроизводимость результатов, что присуще любому механизму, имеющему подвижные узлы и детали.

Известно эталонное устройство, которое используется для тестирования профилометров и сканирующих зондовых микроскопов. Устройство представляет собой монокристаллическую пластину, в которой методами микроэлектронных технологий выполнены ступенчатые углубления с одинаковой фиксированной высотой каждой из ступеней (US 6028008 /2/).

Передача линейного размера с помощью такого устройства может производиться только при проведении многократных измерений в различных областях поверхности и с последующей математической обработкой результатов измерений.

Этому устройству присущи определенные недостатки. С помощью него можно измерять линейные смещения только в одном направлении - в глубину. Кроме того, поскольку для изготовления используется метод травления, то точность изготовления высоты ступени может составить несколько атомных слоев, а учитывая, что параметр кристаллической решетки для кремния равен 5,43 Å, то точность высоты ступеней будет отличаться одна от другой на 5-7 нм, что для ряда применений является недопустимым.

Известно фотоэлектрическое устройство для определения смещения (GB 1063060 /3/). Устройство содержит источник коллимированного светового пучка, фотоприемник и расположенные между источником и фотоприемником две дифракционные решетки с различными периодами и коэффициентами заполнения. При смещении одной решетки относительно другой происходит периодическое перекрытие (или открытие) поперечного сечения светового пучка, что фиксируется фотоприемником.

Недостатком известного устройства является то, что измеряется смещение одного объекта относительно другого и каждый из них должен быть снабжен дифракционной решеткой, изготовление которой всегда осуществляется с некоторой погрешностью.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для прецизионного измерения расстояний, которое включает два секционированных электрода, размещенных оппозитно один другому с возможностью перемещения в направлении изменения площади их взаимного перекрытия при сохранении постоянства зазора между взаимообращенными поверхностями секций упомянутых электродов. Секции в первом и втором секционированных электродах выполнены одинаковой длины, при этом секции первого из электродов электрически связаны между собой и соединены с первым выходом генератора переменного напряжения. Второй секционированный электрод выполнен с электрически изолированными одна от другой секциями, каждая из которых соединена с соответствующим ей входом системы определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций этого секционированного электрода. Еще один вход упомянутой системы соединен со вторым выходом генератора переменного напряжения, а длина любой из секций первого секционированного электрода выполнена отличной от длины любой из секций второго секционированного электрода на величину, равную заданной разрешающей способности устройства. Технический результат - повышение разрешающей способности устройства до нанометрового диапазона при технологически допустимых ограничениях на выполнение секций электродов по длине (RU 2221217 /4/).

Недостатком известного устройства является сложность конструкции и технологии изготовления, поскольку требуется высокая точность (до одного нанометра) изготовления электродов. Кроме того, из-за необходимости определения момента перехода разности токов через ноль в цепях двух смежных секций секционированного электрода, возрастают требования к регистрирующей аппаратуре, которая будет вносить недопустимые погрешности в измерениях.

В основу настоящего изобретения была положена задача создания простого устройства, которое позволяло бы осуществлять малые заданные (до долей нанометра) смещения или производить их измерение с такой же точностью в горизонтальной и в вертикальной плоскостях.

Это достигается тем, что устройство для прецизионных перемещений содержит пластину из пьезоэлектрического материала с малым гистерезисом с нанесенными на две ее противоположные стороны электродами, подключенными к источнику напряжения.

Наиболее целесообразно выполнять пластину монокристаллической. В зависимости от направления перемещения пластину выполняют с ориентацией кристаллографических осей, обеспечивающей при подаче напряжения на электроды изменение размеров пластины в направлении, параллельном плоскости электродов, или пластину выполняют с ориентацией кристаллографических осей, обеспечивающей при подаче напряжения на электроды изменение размеров пластины в направлении, перпендикулярном плоскости электродов.

Предпочтительно выполнять электроды из материала, стойкого к окислению, и наносить, по крайней мере, на одном из электродов, по крайней мере, одну метку, которая может иметь размеры от одного атома вещества до нескольких сот нанометров. В частных случаях реализации целесообразно наносить поверх электродов защитные слои. В этом случае метку следует наносить на упомянутый защитный слой. При этом защитные слои могут быть выполнены из различных материалов, стойких к механическим воздействиям, например из алмазоподобной пленки или сапфира. В частных случаях реализации целесообразно поверх упомянутых защитных слоев наносить слой электропроводного материала и соединять его с источником напряжения. В этом случае метку следует наносить поверх упомянутого электропроводного слоя.

В частных случаях реализации могут быть использованы либо источник постоянного напряжения, либо источник импульсного напряжения.

Выполнение устройства для прецизионных перемещений в виде пластины из пьезоэлектрического материала с малым гистерезисом с нанесенными на две ее противоположные стороны электродами, подключенными к источнику напряжения, позволяет при подаче напряжения на электроды обеспечить сверхмалые изменения размеров пьезоэлектрической пластины, а значит и ее смещение. Выполнение пластины из материала с малым гистерезисом позволяет обеспечить возвращение пластины в исходные размеры и положение после снятия напряжения, а следовательно, обеспечить воспроизводимость и высокую точность повторных смещений (измерений). Естественно, чем меньше гистерезис пьезоэлектрического материала, тем выше воспроизводимость перемещений и точность измерений. Соответственно, задавшись желаемой точностью измерений, можно подобрать и материал, имеющий гистерезис, ее обеспечивающий.

Наименьшим гистерезисом при обратном пьезоэлектрическом эффекте обладают монокристаллы, поэтому наиболее целесообразно выполнять пластину из монокристаллического пьезоэлектрического материала.

При этом можно подобрать ориентацию кристаллографических осей монокристалла таким образом, что изменение размеров пластины (смещение ее поверхности) будет происходить преимущественно в одном направлении.

Например, в частном случае реализации можно вырезать пластину из монокристалла таким образом, что при подаче напряжения на электроды, если пластина закреплена неподвижно на одной из своих поверхностей, снабженных электродом, вторая, свободная поверхность, сместится в направлении, параллельном плоскости электродов.

В другом варианте реализации можно вырезать пластину так, что будет происходить изменение ее размеров (и соответственно смещение) в направлении, перпендикулярном плоскости электродов. Для того чтобы обеспечить длительную эксплуатацию устройства на воздухе и в агрессивных газовых средах, целесообразно выполнять электроды из материала, стойкого к окислению, например из золота, серебра, металлов платиновой группы.

Величину смещения можно определять, привязавшись к какому-либо дефекту на поверхности, которая подвергается смещению при подаче напряжения на электроды, поскольку любая поверхность имеет дефекты, размер которых может колебаться от одного атома до нескольких сот нанометров. Для удобства использования целесообразно поместить на смещаемой поверхности контрастную, легко обнаруживаемую метку. Например, это может быть посаженный с помощью зондового микроскопа атом вещества, отличного от вещества электрода и вещества кристалла или группа атомов. Метка может быть напылена через маску или может быть нанесена линейка меток, расположенных на равном или различном расстоянии друг от друга (например, линейная или логарифмическая шкалы) и их размер может достигать нескольких сот нанометров.

Введение дополнительного защитного слоя позволяет обеспечить механическую защиту поверхности устройства, покрытой электродом, и избежать повреждений монокристаллической пластины. Нанесение электропроводного материала поверх защитного слоя и его соединение с источником напряжения расширяет функциональные возможности устройства, обеспечивая независимость подачи напряжения на электроды, размещенные на монокристаллической пластине (для обеспечения заданного перемещения), и напряжения на упомянутый электропроводящий слой для создания заданной разности потенциалов между зондом и поверхностью эталона.

Использование импульсного источника напряжения позволяет расширить функциональные возможности устройства, в частности с его помощью становится возможным определять быстродействие системы стабилизации зазора зондового микроскопа, обеспечивающей постоянство зазора между вершиной зонда и поверхностью устройства. Действительно, если на электроды устройства, обеспечивающего перемещение в направлении, перпендикулярном плоскости электродов, подать импульс напряжения с фронтом нарастания порядка 10^-6 сек, то, учитывая малую толщину устройства (1 мм), за время меньшее 10^-5 сек произойдет смещение метки и изменится величина зазора. А если следящая система настроена удерживать заданное расстояние от поверхности устройства до зонда, то можно измерить время, когда зонд вернется на это расстояние.

Сущность заявляемого устройства для прецизионных перемещений поясняется примерами реализации и прилагаемыми чертежами, на которых:

- Фиг.1 - изображает общий вид устройства;

- Фиг.2 - изображает фазы работы устройства при смещении в направлении, параллельном плоскости электродов;

- Фиг.3 - изображает фазы работы устройства при смещении в направлении, перпендикулярном плоскости электродов;

- Фиг.4а и 4b - изображают варианты реализации устройства с защитным слоем и с защитным слоем и дополнительным электропроводным слоем.

Пример 1. Устройство для прецизионных перемещений содержит пластину 1 из пьезоэлектрического материала с малым гистерезисом. В качестве такого материала могут быть использованы монокристаллы ниобата лития, танталата лития, ниобата бария-стронция, ниобата бария-натрия и других, обладающих пьезоэффектом. На две противоположные стороны пластины 1 известными методами (например, напылением в вакууме или осаждением из газовой фазы) наносят электроды 2 из золота, серебра или других электропроводных материалов, стойких к окислению. На поверхность одного из электродов наносят одну (или несколько) меток 3. При использовании устройства его закрепляют на основании 4 или обрабатываемом объекте, или размещают в тестируемом измерительном устройстве. Электроды известным образом подключают к источнику напряжения (не показан), который может быть выбран из числа известных. В частных случаях реализации поверх электрода наносят защитный слой 5 из сапфира или выполняют его из алмазоподобного материала. Еще в одном частном случае реализации поверх защитного слоя наносят электропроводный слой по той же технологии и из тех же материалов, что и электроды 2.

Устройство используется следующим образом.

Сначала измеряют зависимость изменения размеров пьезоэлектрической пластины от прикладываемого к электродам напряжения, т.е. строят градуировочный график. Построение градуировочного графика производится путем подачи на электроды устройства фиксированного напряжения и измерения соответствующего перемещения поверхности пьезоэлектрической пластины.

Измерение перемещения производится известными методами с помощью эталонной 3D лазерной интерферометрической системы измерения наноперемещений (на основе атомно-силового микроскопа и 3-х лазерных интерферометров).

Для измерения перемещения перпендикулярно поверхности электродов размещают устройство, обеспечивающее перемещение в направлении, перпендикулярном плоскости электродов в системе измерения наноперемещений, подводят к поверхности устройства зонд микроскопа на расстояние, при котором работает система стабилизации зазора, подают напряжение на устройство и измеряют расстояние, на которое переместилась поверхность устройства при подаче напряжения. Далее изменяют величину подаваемого напряжения и снова производят измерение величины перемещения поверхности устройства.

В результате многократных измерений перемещений, выполненных при различных значениях напряжения, составляется таблица результатов экспериментальных измерений, на основе которой строится градуировочный график зависимости величины перемещения поверхности устройства в направлении, перпендикулярном плоскости электродов, от величины приложенного напряжения.

При измерении перемещения параллельно плоскости электродов измерения производятся путем размещения устройства, обеспечивающего перемещение в направлении, параллельном плоскости электродов, подвода зонда микроскопа на расстояние, при котором работает система стабилизации зазора, к поверхности метки, сканирования поверхности в области расположения метки, подачи напряжения на устройство, повторного сканирования поверхности в том же режиме и измерения расстояния, на которое переместилась метка при подаче напряжения. Далее изменяют величину подаваемого напряжения и снова производят измерение величины перемещения метки на поверхности устройства. В результате многократных измерений перемещений, выполненных при различных значениях напряжения, составляется таблица результатов экспериментальных измерений, на основе которой строится градуировочный график зависимости величины перемещения метки на поверхности устройства в направлении, параллельном плоскости электродов, от величины приложенного напряжения.

С помощью предлагаемого устройства, используемого в качестве эталона, можно градуировать различную измерительную аппаратуру, которая должна обеспечивать измерения в двух взаимноперпендикулярных направлениях.

Для градуировки какого-либо прибора (например, зондового микроскопа) по нормали или горизонтали к исследуемой поверхности предлагаемое устройство для прецизионных перемещений (обеспечивающее перемещение по нормали или по горизонтали к плоскости электродов соответственно) размещается в нем. Например, если нужно проградуировать сканирующий зондовый микроскоп, то устройство размещают на предметном столике сканирующего зондового микроскопа и подводят к поверхности устройства с меткой зонд на расстояние зазора (порядка 0.5 нм) между вершиной зонда и поверхностью устройства, при котором работает система стабилизации. Стабилизация зазора может осуществляться путем стабилизации туннельного тока (при работе в режиме туннельной микроскопии) или путем стабилизации величины силы, воздействующей на зонд (при работе в режиме атомно-силовой микроскопии). Стабилизация зазора осуществляется электронной системой управления, осуществляющей сравнение сигналов с измерительных устройств с заданными величинами и вырабатывающей управляющие сигналы на исполнительные устройства.

При градуировке тестируемого измерительного устройства по вертикали, на устройство для прецизионных перемещений, обеспечивающее перемещение по вертикали, на электроды подается фиксированное напряжение. При этом поверхность устройства перемещается на расстояние, величина которого определяется по градуировочной таблице. Система стабилизации зазора обеспечивает соответствующее перемещение зонда на то же расстояние, на которое перемещается поверхность образца. Величина перемещения зонда измеряется измерительными устройствами зондового микроскопа. Таким способом величине показаний измерительных приборов зондового микроскопа, измеряющих расстояние, на которое перемещается зонд, ставится в соответствие величина расстояния, известная из градуировочной кривой, на которое перемещается поверхность устройства. Далее напряжение, подаваемое на устройство, изменяется и процесс измерения повторяется. В результате проведения ряда измерений при различных значениях напряжения составляется таблица соответствия величины перемещения устройства и показаний устройств зондового микроскопа, измеряющих перемещение зонда.

При градуировке измеряемого устройства по горизонтали в плоскости, параллельной плоскости электродов, зонд микроскопа подводится к метке, производится сканирование поверхности в области расположения метки и на устройство для прецизионных перемещений, обеспечивающее перемещение по горизонтали к плоскости электродов, подается фиксированное напряжение. При этом поверхность устройства перемещается на расстояние, величина которого определяется по градуировочной таблице.

Повторное сканирование зондом микроскопа по поверхности устройства с меткой и сравнение результатов повторного сканирования с предыдущими позволяет произвести измерение ее перемещения измерительными приборами зондового микроскопа.

Таким способом величине показаний измерительных приборов зондового микроскопа, измеряющих расстояние, на которое переместилась метка, ставится в соответствие величина перемещения метки, известная из градуировочной кривой. Далее напряжение, подаваемое на устройство, изменяется и процесс измерения повторяется. В результате проведения ряда измерений при различных значениях напряжения составляется таблица соответствия величины перемещения метки и показаний приборов зондового микроскопа, измеряющих ее перемещение.

Пример 2. Изготовленное устройство для прецизионных измерений представляет собой пластину 1 из монокристалла ниобата лития размером 10×10×1 мм. В зависимости от назначения - перемещения по вертикали или по нормали к плоскости электродов использовались пластины с соответствующей ориентацией кристаллографических осей. На две противоположные поверхности 10×10 мм были нанесены методом магнетронного распыления электроды 2 из золота толщиной 0.1 мкм. Устройство было закреплено на основании 4, представляющем собой параллелепипед из электроизолятора типа поликор размером 30 × 30 мм × 2 мм. На электроде, обращенном наружу, была нанесена проводящая алмазоподобная пленка 5 толщиной 10 нм с нанесенной на нее углеродной меткой 3 с размером 3×3×1 нм, которая наносилась методом локального осаждения из газовой фазы в зондовой нанотехнологической установке. Поскольку алмазоподобная пленка и углеродная метка являлись электропроводными, дополнительный слой электропроводного материала не наносился.

К поверхности устройства для прецизионных перемещений, закрепленного на предметном столе, подводился зонд сканирующего зондового микроскопа. При градуировке тестируемого зондового микроскопа по вертикали на устройство, обеспечивающее перемещение по вертикали в плоскости электродов, подавалось напряжение 100 В и производилось измерение вертикального перемещения зонда микроскопа. Данная величина приравнивалась к величине перемещения устройства при напряжении в 100 вольт, взятой из градуировочного графика данного устройства.

При градуировке тестируемого зондового микроскопа по горизонтали к устройству, обеспечивающему перемещение по горизонтали в плоскости электродов, подводился зонд микроскопа и осуществлялось сканирование в диапазоне 100×100 нм. На наблюдаемой картине определялось местоположение метки, как наиболее характерного объекта с максимально резкими границами, и на ней компьютерным образом измерялось положение характерной точки. Далее на устройство подавалось управляющее напряжение в 100 вольт и производилось дополнительное сканирование поверхности (в том же режиме, что и ранее). В результате наблюдалось смещение картины и соответствующей характерной точки. Величина измеренного в микроскопе перемещения характерной точки (метки) приравнивалась к величине горизонтального перемещения метки, взятой из градуировочного графика данного устройства.

Пример 3. Устройство для прецизионных измерений, обеспечивающее перемещение по вертикали к поверхности электродов, описанное в примере 2, устанавливалось вместе со своим основанием на предметный столик сканирующего зондового микроскопа и подключалось к источнику импульсного напряжения, позволяющему формировать импульсы напряжения квазипрямоугольной формы величиной до 100 вольт, длительностью 1 мс, фронтом нарастания импульса в 1 мкс, со скважностью до 1000. При проведении экспериментов на электроды устройства подавалось напряжение 50 В с периодом 0.1 с. В результате изменения положения поверхности устройства система стабилизации зазора зондового микроскопа изменяла положение зонда за время, равное времени реакции следящей системы, составившем 200 мкс.

1. Устройство для прецизионных перемещений, содержащее пластину из пьезоэлектрического материала с нанесенными на две ее противоположные стороны электродами, подключенными к источнику напряжения, отличающееся тем, что на поверхности одного из электродов нанесена по крайней мере одна метка размером от одного атома вещества до нескольких сот нанометров.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пластина выполнена монокристаллической из материала с малым гистерезисом.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пластина выполнена с ориентацией кристаллографических осей, обеспечивающей при подаче напряжения на электроды изменение размеров пластины в направлении, параллельном плоскости электродов.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пластина выполнена с ориентацией кристаллографических осей, обеспечивающей при подаче напряжения на электроды изменение размеров пластины в направлении, перпендикулярном плоскости электродов.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены из материала, стойкого к окислению.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на верхнем электроде нанесен защитный слой.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что защитный слой выполнен из алмазоподобной пленки.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что защитный слой выполнен из сапфира.

9. Устройство по любому из пп.6-8, отличающееся тем, что на поверхности защитного слоя нанесена по крайней мере одна метка.

10. Устройство по любому из пп.6-8, отличающееся тем, что на защитный слой нанесен слой электропроводного материала, соединенный с источником напряжения, и на его поверхности нанесена по крайней мере одна метка.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды подключены к источнику импульсного напряжения.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электроды подключены к источнику постоянного напряжения.