Сканирующий зондовый микроскоп

Полезная модель относится к области сканирующей зондовой микроскопии и может быть использована при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например, в кристаллографии, метрологии, при изучении высокомолекулярных соединений и т.д. Полезная модель позволяет добиться повышенной информативности, простоты и удобства в работе со сканирующим зондовым микроскопом (СЗМ), за счет того, что в известном СЗМ, включающем систему видеонаблюдения, держатель образца, сканер и зонд, микроскоп дополнительно содержит, закрепленные с возможностью ориентации в пространстве, источник светового потока, отражательный элемент и оптический делительный элемент, как пропускающий, так и отражающий часть светового потока, идущего от источника, причем держатель образца расположен на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом, а отражательный элемент на пути второго потока света, таким образом, чтобы ход световых потоков, отраженных от поверхности отражательного элемента и поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающих на них световых потоков, и после дальнейшего отражения одного отраженного светового потока от делительного элемента и прохождения второго отраженного светового потока через делительный элемент каждый из них был направлен в систему видеонаблюдения. Предложено 5 различных вариантов устройства СЗМ.

Полезная модель относится к области сканирующей зондовой микроскопии и может быть использована при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например, в кристаллографии, метрологии, при изучении высокомолекулярных соединений и т.д.

Известен сканирующий зондовый туннельный микроскоп, содержащий цилиндрический держатель образца, трубчатый трехкоординатный пьезосканер и металлический зонд (Миронов В.Л Основы сканирующий зондовой микроскопии, М., 2004, стр.74).

Известен сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) марки Solver PRO, основными конструктивными элементами которого являются держатель образца, сканер, зонд, система видеонаблюдения, состоящая из оптического микроскопа и камеры ().

Наиболее близким к заявляемому является известный сканирующий зондовый туннельный микроскоп марки ТТМ-2, включающий систему видеонаблюдения в виде оптического микроскопа, необходимую для контроля за позиционированием (установкой) зонда в интересующую областью поверхности образца, держатель образца в виде координатного столика, сканер и зонд (Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике, М., 2006, стр.20-22) - прототип. Работа на известном СЗМ предполагает использование соответствующего блока электроники и программного обеспечения.

Схематическое изображение известного СЗМ показано на Фиг.1, на которой цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - сканер, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - система видеонаблюдения. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 5.

Недостатком известного СЗМ является его недостаточная информативность, обусловленная тем, что он не позволяет определять угол

наклона в интересующих исследователя точках поверхности образцов и не дает возможности наблюдать топографию поверхности исследуемого образца на двух пространственных и временных масштабах. Также недостатком известного СЗМ является неудобство в работе с ним, обусловленное невозможностью точного позиционирования зонда микроскопа в необходимую область поверхности образца, например, вершину, впадину или участок поверхности образца с наклоном. Кроме того, применение известного СЗМ неизбежно сопряжено с определенными сложностями, обусловленными невозможностью пользователя самостоятельно проводить калибровку сканера микроскопа без дополнительного использования специального калибровочного эталона.

Технической задачей полезной модели является создание СЗМ с повышенной информативностью, простотой и удобством в работе.

Указанный технический результат достигается тем, что известный СЗМ, включающий систему видеонаблюдения, держатель образца, сканер и зонд, дополнительно содержит, закрепленные с возможностью ориентации в пространстве, источник светового потока, отражательный элемент и оптический делительный элемент, как пропускающий, так и отражающий часть светового потока, идущего от источника, причем держатель образца расположен на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом, а отражательный элемент на пути второго потока света, таким образом, чтобы ход световых потоков, отраженных от поверхности отражательного элемента и поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающих на них световых потоков, и после дальнейшего отражения одного отраженного светового потока от делительного элемента и прохождения второго отраженного светового потока через делительный элемент каждый из них был направлен в систему видеонаблюдения.

Указанный технический результат может быть реализован с помощью различных приемов.

От известного СЗМ предлагаемый микроскоп может отличаться тем, что в нем держатель образца расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент, прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения. Данное техническое решение схематически показано на Фиг.2, на которой цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - сканер, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - система видеонаблюдения, цифрой 6 - источник светового потока, цифрой 7 - отражательный элемент, цифрой 8 - оптический делительный элемент. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 5.

От известного СЗМ предлагаемый микроскоп может отличаться тем, что в нем держатель образца расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент, прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него

светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения. Данное техническое решение схематически показано на Фиг.3, на которой цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - сканер, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - система видеонаблюдения, цифрой 6 - источник светового потока, цифрой 7 - отражательный элемент, цифрой 8 - оптический делительный элемент. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 5.

От известного СЗМ предлагаемый микроскоп может отличаться тем, что в нем держатель образца расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента, отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения. Данное техническое решение схематически показано на Фиг.4, на которой цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - сканер, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - система видеонаблюдения, цифрой 6 - источник светового потока, цифрой 7 - отражательный элемент, цифрой 8 - оптический делительный элемент. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 5.

От известного СЗМ предлагаемый микроскоп может отличаться тем, что в нем держатель образца расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким

образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента, отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения. Данное техническое решение схематически показано на Фиг.5, на которой цифрой 1 обозначен зонд, цифрой 2 - сканер, цифрой 3 - держатель образца, цифрой 4 - система видеонаблюдения, цифрой 6 - источник светового потока, цифрой 7 - отражательный элемент, цифрой 8 - оптический делительный элемент. Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрой 5.

От известного СЗМ предлагаемый микроскоп может отличаться тем, что в нем держатель образца и зонд расположены на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом, таким образом, чтобы световой поток отражался как от держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, так и от поверхности зонда. Для реализации данного технического, решения используют достаточно широкий световой поток, чтобы его одна часть отражалась от держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, а другая часть от поверхности зонда. Конкретные варианты реализации данного технического решения схематически показаны на Фиг.6, 7, 8, 9, на каждой из которых цифрами 1 обозначен зонд, цифрами 2 - сканер, цифрами 3 - держатель образца, цифрами 4 - система видеонаблюдения, цифрами 6 - источник светового потока, цифрами 7 - отражательный элемент, цифрами 8 - оптический делительный элемент.

Перед началом работы на держатель образца СЗМ помещают исследуемый образец, обозначенный цифрами 5.

В предлагаемом техническом решении можно использовать различные системы видеонаблюдения микроскопа, которые могут состоять, например, из оптического микроскопа, системы линз, а также прибора с зарядовой связью (ПЗС-матрицы), фотопластинки, экрана, камеры и т.д.

В предлагаемом техническом решении можно использовать различные держатели образца, например, магнитный, механический, держатель на липкой основе и т.д. Держатели образца могут быть закреплены как жестко, так и с возможностью ориентации в пространстве, достигаемой за счет использования, например, шарового шарнира системы цилиндрических шарниров, пластичного крепления, винтов, их комбинации и т.д. При реализации предлагаемого технического решения предпочтительно использовать держатели образца, закрепленные с возможностью ориентации в пространстве. Ориентирование держателя образца можно использовать при настройке СЗМ для наблюдения интерференционной картины необходимой области поверхности образца, в процессе работы СЗМ ориентация держателя образца остается неизменной.

В предлагаемом техническом решении можно использовать сканеры различного принципа действия, например, механический, трубчатый пьезосканер, биморфный пьезосканер и т.д.

Зонд СЗМ может быть выполнен из кремния, алмаза, углерода, сплава никеля с кадмием в виде иглы, трубки, кристалла и т.д.

В качестве источника светового потока могут быть использованы, например, полупроводниковые или газовые лазеры, лампы накаливания, светодиоды и т.д. Световой поток от источника до попадания на оптический делительный элемент может проходить различные оптические пути, например, непосредственно попадать на оптический делительный элемент, либо изменять направление при отражении от зеркал или с помощью призм, собираться или рассеиваться при помощи линз и т.д. Также до попадания на

оптический делительный элемент световой поток от источника может претерпевать различные спектральные изменения.

В качестве отражательного элемента можно использовать, например, зеркало, отражательную стеклянную пластину, уголковый отражатель и т.д. В предлагаемом техническом решении отражательный элемент может отражать падающий на него световой поток как полностью, так и частично.

В предлагаемом техническом решении источник светового потока, отражательный элемент и оптический делительный элемент должны быть закреплены с возможностью ориентации в пространстве, достигаемой за счет использования, например, шарового шарнира, системы цилиндрических шарниров, пластичного крепления, винтов, их комбинации и т.д. Ориентирование вышеуказанных элементов используют при настройке СЗМ. Ориентация источника светового потока, отражательного элемента и оптического делительного элемента в процессе работы СЗМ остается неизменной.

В СЗМ сканирование можно осуществлять двумя различными способами. В первом случае с помощью сканера зонд перемещают относительно неподвижного образа, закрепленного в держателе. Во втором случае сканирование производят при перемещении держателя с закрепленным образцом относительно неподвижного зонда. При реализации предлагаемого технического решения предпочтительно использовать сканирование подвижным зондом относительно неподвижного образца. Таким образом подвижными элементами в процессе работы предлагаемого

устройства - СЗМ являются сканер, перемещающий зонд или исследуемый образец.

Наблюдение поверхности образца и зонда в системе видеонаблюдения может быть как по нормали к поверхности, так и под углом к поверхности образца.

Предлагаемое техническое решение дает возможность наблюдать топографию поверхности исследуемого образца на двух пространственных и временных масштабах. С помощью зонда СЗМ возможно производить исследование топографии поверхности с большим увеличением и с низкой скоростью получения кадров, а с помощью обработки интерференционной картины, наблюдаемой с помощью системы видеонаблюдения, можно исследовать топографию поверхности с меньшим увеличением и с большой скоростью получения кадров.

Особенностями исследования рельефа поверхностей с помощью зонда являются атомное разрешение по горизонтали и по вертикали, достаточно длительное время получения изображения поверхности (порядка нескольких мин), а также то, что при сканировании зонд СЗМ может влиять на процессы, происходящие на поверхности образца.

Особенностями исследования рельефа поверхностей с помощью обработки интерференционной картины, наблюдаемой при помощи системы видеонаблюдения, являются нанометровое разрешение по вертикали и разрешение в сотни нанометров по горизонтали, короткое время получения изображения поверхности (доли секунды), а также то, что влияние интерферометра на исследуемую поверхность мало.

Преимущества предлагаемого СЗМ иллюстрирует следующий пример.

Пример 1.

В опыте используют СЗМ, общий вид, которого схематически представлен на Фиг.10, на которой цифрой 1 обозначен кремниевый зонд в форме иглы, цифрой 2 - трубчатый пьезосканер, обеспечивающий

Световой поток, идущий от лазера, направляют на оптический делительный элемент. Возможность ориентации в пространстве отражательного элемента и лазера обеспечивают с помощью сферических шарниров, регулируемых с помощью винтов. Возможность ориентации в пространстве оптического делительного элемента осуществляют с помощью держателя делительного элемента, способного вращаться на 360° вокруг фиксированной оси вращения и винта, позволяющего изменять пространственную ориентацию делительного элемента относительно вышеуказанной оси вращения.

На держатель образца, закрепленный с возможностью ориентации в пространстве, помещают исследуемый объект (цифра 5), в качестве которого используют кристаллы NaCl. Систему видеонаблюдения с помощью объектива настраивают таким образом, чтобы ПЗС-матрица цифрового микроскопа формировала на экране компьютера изображение поверхности исследуемого образца с увеличением 80 раз. Включают лазер HLDPM12-655-3 и с помощью поворотных винтов световой поток от лазера направляют на оптический делительный элемент. С помощью винта держатель делительного элемента настраивают так, чтобы световой поток, прошедший через делительный элемент, попадал на отражательный элемент (зеркало), а световой поток, отраженный от делительного элемента, попадал

на образец. С помощью поворотных винтов держатель образца ориентируют так, чтобы после отражения от одной из граней кристалла ход отраженного светового потока совпадал с ходом падающего на нее светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент, прошедшая часть светового потока была направлена в объектив системы видеонаблюдения. Затем с помощью винтов зеркало ориентируют так, чтобы отраженный от него световой поток возвращался по пути падающего светового потока и при дальнейшем отражении от делительного элемента попадал в объектив системы видеонаблюдения.

Таким образом, настроенная система оптической части СЗМ позволяет помимо оптического изображения исследуемых кристаллов NaCl также наблюдать интерференционную картину, обусловленную рельефом поверхности кристаллов. Это дает возможность определять особенности рельефа образца, например, регистрировать вершины кристаллов, впадины на их поверхности и углы наклона граней кристаллов, а также описать топографию поверхности всего образца. Например, плоская поверхность кристалла на интерференционной картине выглядит как равноудаленные друг от друга интерференционные полосы. По расстояниям между полосами и их толщине определяют угол наклона участка поверхности кристалла. Затем включают блок электроники и с помощью сканера производят вертикальное перемещение кристалла вверх, при этом полосы на интерференционной картине смещаются в область меньшей высоты, по смещению полос определяют направление наклона участка поверхности кристалла. Вершины и впадины кристалла NaCl выглядят как центры областей концентрации интерференционных полос, причем чем глубже впадина или выше вершина, тем большее число концентрических полос укладывается в области сгущения (концентрации). Для определения областей сгущения полос соответствующих вершинам или впадинам производят вертикальное перемещение образца верх. В областях, соответствующих вершинам, наблюдают движение полос от центра, а во впадинах - движение к центру. После этого зонд точно

позиционируют в интересующую область поверхности образца, например, вершину, впадину или участок поверхности образца с наклоном.

Для калибровки сканера СЗМ производят вертикальное перемещение образца с помощью сканера и сопоставляют величину перемещения с величиной, рассчитанной по изменению интерференционной картины изображения. После такой процедуры сканер СЗМ становится прокалиброванным, а настройка микроскопа считается законченной.

Исследование топографии поверхности зондом позволяет получать атомное разрешение по горизонтали и по вертикали, время для получения изображения занимает 3 мин. Интервал возможных исследуемых зондом площадей составляет от 1 нм² до 100 мкм ².

Обработка интерференционной картины, наблюдаемой при помощи системы видеонаблюдения, позволяет получать нанометровое разрешение по вертикали и разрешение в 900 нанометров по горизонтали, время получения изображения составляет 1/15 с. Размер кадра интерференционной картины составляет 400×600 мкм².

Таким образом, из примера видно, что предложенный СЗМ обладает повышенной информативностью, обусловленной возможностью определять угол наклона в интересующих исследователя точках поверхности образца, а также возможностью наблюдать топографию поверхности исследуемого образца на двух пространственных и временных масштабах. Также предлагаемый СЗМ обладает простотой и удобством в работе, связанными с возможностью точного позиционирования зонда микроскопа в необходимую область поверхности образца, например, вершину, впадину или участок поверхности образца с наклоном, а также возможностью пользователя самостоятельно проводить калибровку сканера микроскопа без дополнительного использования специального калибровочного эталона.

Были проведены независимые эксперименты, которые показали, что цель полезной модели не может быть достигнута, если из предлагаемого технического решения будет исключен хотя бы один из признаков,

включенных в отличительную часть формулы полезной модели, а именно, наличие в предложенном техническом решении источника светового потока, отражательного элемента и оптического делительного элемента, как пропускающего, так и отражающего часть светового потока. При этом цель полезной модели не достигается, если оптический делительный элемент только отражает или только пропускает весь падающий на него световой поток. Также цель полезной модели не достигается в случае, когда источник светового потока, отражательный элемент и оптический делительный элемент, или хотя бы один из них, закреплены без возможности ориентации в пространстве. Дополнительные проведенные эксперименты показали, что для достижения цели полезной модели держатель образца обязательно должен быть расположен на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом, а отражательный элемент обязательно должен быть расположен на пути второго потока света. Также было показано, что их взаимное расположение должно быть таким, чтобы ход световых потоков, отраженных от поверхности отражательного элемента и поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, обязательно совпадал с ходом падающих на них световых потоков, и после дальнейшего отражения одного отраженного светового потока от делительного элемента и прохождения второго отраженного светового потока через делительный элемент каждый из них обязательно был направлен в систему видеонаблюдения.

1. Сканирующий зондовый микроскоп, включающий систему видеонаблюдения, держатель образца, сканер и зонд, отличающийся тем, что микроскоп дополнительно содержит закрепленные с возможностью ориентации в пространстве источник светового потока, отражательный элемент и оптический делительный элемент, как пропускающий, так и отражающий часть светового потока, идущего от источника, причем держатель образца расположен на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом, а отражательный элемент на пути второго потока света таким образом, чтобы ход световых потоков, отраженных от поверхности отражательного элемента и поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающих на них световых потоков, и после дальнейшего отражения одного отраженного светового потока от делительного элемента и прохождения второго отраженного светового потока через делительный элемент каждый из них был направлен в систему видеонаблюдения.

2. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что держатель образца расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения.

3. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что держатель образца расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения.

4. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что держатель образца расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения.

5. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что держатель образца расположен на пути потока света, отраженного делительным элементом, причем держатель образца расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от поверхности держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем отражении от делительного элемента отраженная часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения, а отражательный элемент расположен на пути потока света, пропущенного делительным элементом, причем отражательный элемент расположен таким образом, чтобы ход светового потока, отраженного от него, совпадал с ходом падающего на него светового потока, и при дальнейшем прохождении через делительный элемент прошедшая часть светового потока была направлена в систему видеонаблюдения.

6. Сканирующий зондовый микроскоп по п.1, отличающийся тем, что держатель образца и зонд расположены на пути одного из потоков света, отраженного или пропущенного делительным элементом таким образом, чтобы световой поток отражался как от держателя образца или поверхности помещенного на него исследуемого образца, так и от поверхности зонда.