Большепольный сканирующий нанотвердомер

Авторы патента:

Полезная модель относится к области сканирующей зондовой микроскопии и нанотвердометрии - технике контроля физико-механических свойств материалов и предназначена для исследования поверхности рельефа, измерения механических свойств объемных материалов и тонких пленок на субмикронном и нанометровом масштабе. Нанотвердомер содержит выполненный с возможностью перемещения по трем взаимно перпендикулярным осям сканер, установленный на устройстве для его перемещения зонд с наконечником и предметно-координатный стол, выполненный с возможностью его перемещения по двум взаимно перпендикулярным осям в горизонтальной плоскости. Сканер установлен на устройстве для перемещения зонда, а зонд закреплен на сканере. Сканер установлен на устройстве для перемещения зонда с возможностью его перемещения относительно него по вертикали и по горизонтали по двум взаимно-перпендикулярным осям, при этом направление одной из осей перемещения устройства для перемещения зонда перпендикулярно плоскости предметно-координатного стола, а другой совпадает с одной из осей перемещения предметно-координатного стола. Полезная модель позволит расширить функциональные возможности устройства за счет возможности исследования образцов большого размера, большой исследуемой площади и веса для исследования рельефа поверхности и измерения механических свойств на субмикронном и нонометровом масштабе без увеличения размеров устройства.

Известны атомно-силовые микроскопы, служащие для исследования рельефа поверхности путем сканирования. Известны нанотвердомеры, используемые для измерения механических свойств путем индентирования алмазным зондом. Известны устройства, представляющие собой сканирующие нанотвердомеры, позволяющие производить сканирование и индентирование поверхности одним зондом.

Сканирующие нанотвердомеры, как правило, содержат предметно-координатный стол с возможностью перемещения в 2-х взаимно перпендикулярных направлениях, на который устанавливается трехкоординатный позиционер (сканер), содержащий платформу, расположенную на пьезоэлектрических приводах и емкостные датчики перемещения. При этом зонд с наконечником устанавливают над 3-х координатным позиционером на механизм перемещения, обеспечивающий перемещение зонда в направлении, перпендикулярном плоскости предметно-координатного стола (Agilent Nanoindentor G200 http://www.homc.agilent.com/asilent/product.ispx?nid= -34000.0.00&1c=rus&cc=RU). Кроме того над предметно-координатным столом располагают оптический микроскоп для визуального контроля поверхности исследуемого образца.

Недостатком данного известного устройства является невозможность исследования образцов большого размера и массы, поскольку для исследования доступна ограниченная область поверхности образца. Кроме того, необходимость перемещения исследуемой области образца между зондом с наконечником и осью оптического микроскопа уменьшает размеры области поверхности образца, доступной для исследования оптическим и зондовым методом при фиксированных диапазонах перемещения предметно-координатного стола. Простое увеличение размеров и диапазонов перемещения предметно-координатного стола требует увеличения размеров конструкции всего прибора, что снижает ее жесткость и уменьшает стойкость к вибрациям и термодрейфам. Кроме того, необходимость перемещения исследуемой области образца между зондом с наконечником и осью оптического микроскопа уменьшает размеры области поверхности образца, доступной для исследования оптическим и зондовым методом при фиксированных диапазонах перемещения предметно-координатного стола.

Наиболее близким к заявленному является сканирующий нанотвердомер, содержащий зонд с индентором, установленный на устройстве для перемещения зонда относительно исследуемого объекта, а также трехкоординатный сканер, содержащий платформу, расположенную на пьезоэлектрических приводах, и емкостные датчики перемещения (RU, 96428.U1, 18.03.2010).

Конструкция устройства не позволяет исследовать образцы большого размера и массы в силу конструктивных особенностей, связанных с ограниченными габаритами и нагрузочной способностью пьезопривода платформы трехкоординатного сканера.

До сих пор актуальной остается задача измерения образцов большого размера и, в частности, кремниевых пластин размером 150 мм и более, а также крупногабаритных деталей без их разрушения.

Техническим результатом предложенной полезной модели является устранение указанных недостатков за счет расширения функциональных возможностей устройства за счет возможности исследования образцов большого размера, большой исследуемой площади и веса для исследования рельефа поверхности и измерения механических свойств на субмикронном и нонометровом масштабе без увеличения размеров устройства.

Устройство также позволит обеспечивать для этих образцов контроль исследуемой поверхности с помощью оптического микроскопа.

Указанный технический результат достигается за счет того, что нанотвердомер, содержащий выполненный с возможностью перемещения по трем взаимно перпендикулярным осям сканер и установленный на устройстве для его перемещения зонд с наконечником, содержит предметно-координатный стол, выполненный с возможностью его перемещения по двум взаимно перпендикулярным осям в горизонтальной плоскости, сканер установлен на устройстве для перемещения зонда, а зонд закреплен на сканере, при этом сканер установлен на устройстве для перемещения зонда с возможностью его перемещения относительно него по вертикали и по горизонтали по двум взаимно-перпендикулярным осям, при этом направление одной из осей перемещения устройства для перемещения зонда перпендикулярно плоскости предметно-координатного стола, а другой совпадает с одной из осей перемещения предметно-координатного стола.

Кроме того, он содержит оптический микроскоп, закрепленный на устройстве для перемещения зонда оптический микроскоп.

Предложенная полезная модель поясняется чертежом.

На фиг.1 представлен большепольный сканирующий нанотвердомер, общий вид.

Большепольный сканирующий нанотвердомер содержит зонд 1 с наконечником, сканер 2, устройство 3 для перемещения зонда, предметно-координатный стол 4 для установки на нем исследуемого образца 5 и оптический микроскоп 6. Зонд 1 с наконечником расположен над предметно-координатным столом 4.

Предметно-координатный стол 4 выполнен с возможностью его перемещения по двум взаимно перпендикулярным осям Х и Y в горизонтальной плоскости

Сканер 2 установлен на устройстве 3 для перемещения зонда 1, а зонд 1 закреплен на сканере 2, при этом сканер 2 установлен на устройстве 3 для перемещения зонда 1 с возможностью его перемещения относительно него по вертикали и по горизонтали по двум взаимно-перпендикулярным осям.

Устройство 3 для перемещения зонда выполнено с возможностью его перемещения по вертикальной оси Z и по горизонтальной оси X' во взаимно перпендикулярных направлениях, причем направление оси Z перпендикулярно плоскости предметно-координатного стола (XY), а оси X' совпадает с одной из осей перемещения предметно-координатного стола (X).

Перемещение предметно-координатного стола 4 и устройства 3 перемещения зонда 1 по каждой из осей происходит с помощью винтовых передач, причем вращение винтов винтовых передач осуществляется с помощью шаговых двигателей

Оптический микроскоп 6 закреплен на устройстве 3 для перемещения зонда 1 так, чтобы точка контакта наконечника зонда 1 и точка пересечения оптической оси микроскопа 6 с поверхностью образца 5 лежали на одной прямой, параллельной осям Х и X'.

Сканирование и индентирование поверхности образца 5 осуществляется зондом 1 с помощью сканера 2. Взаимное перемещение зонда 1, оптического микроскопа 6 и образца 5 осуществляется путем перемещения предметно-координатного стола 4 по 2-м горизонтальным осям Х и Y и устройства 3 для перемещения зонда по оси Z, и оси X'.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемый образец 5 закрепляют на предметно-координатном столе 4. Устройство для перемещения 3 зонда обеспечивает взаимное перемещение зонда 1 с наконечником, закрепленного на трехкоординатном сканере 2 и оптического микроскопа 6 по оси X' в центр поля перемещения предметно-координатного стола 4, а также подвод зонда 1 к поверхности образца 5 и фокусировку оптического микроскопа 6. Предметно-координатный стол 4 обеспечивает перемещение образца 5 так, чтобы исследуемая область поверхности находилась в точке контакта острия зонда 1 или оптической оси микроскопа 6.

С помощью устройства 3 для перемещения зонда помещают микроскоп 6 над центром предметно-координатного стола 4 и фокусируют на поверхности образца 5. С помощью предметно-координатного стола 4 перемещают образец 5 так, чтобы область поверхности, подлежащая исследованию, попала в поле зрения оптического микроскопа 6. Перемещая образец 5 предметно-координатным столом 4 и наблюдая с помощью оптического микроскопа 6, выбирают область для измерений. Затем с помощью устройства 3 для перемещения зонда перемещают зонд 1 по оси X' и затем по оси Z до контакта наконечника зонда 1 с поверхностью образца в выбранной области. Производят сканирование и индентирование поверхности трехкоординатным сканером 2.

Закрепление зонда на трехкоординатном сканере с возможностью независимого перемещения по 3-м взаимно перпендикулярным осям позволяет исследовать поверхности объектов практически неограниченного размера и массы, т.к. они не лимитируются техническими параметрами сканера.

Поле, доступное для исследований, значительно увеличивается за счет того, что оптический микроскоп 6 и зонд 1 могут помещаться устройством 3 для перемещения зонда 1 в центр поля предметно-координатного стола 4, при этом для исследований становится доступна поверхность в пределах всего диапазона перемещения предметно-координатного стола 4. Таким образом, для исследования, например, кремниевых пластин диаметром 150 мм одновременно зондовым и оптическим методом достаточно использовать 2-х координатный предметный стол с диапазоном перемещений 150×150 мм.

Выполнение предметно-координатного стола с возможностью перемещения во взаимно перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости, устройства для перемещения зонда, выполненного с возможностью перемещения по вертикали и по горизонтали во взаимно перпендикулярных направлениях, а также закрепление зонда на трехкоординатном сканере, который, в свою очередь, закреплен на устройстве для перемещения зонда, позволяет проводить измерение более массивных и габаритных образцов, а также обеспечивать исследование большей площади поверхности образцов.

Возможность перемещения предметно-координатного стола и устройства для перемещения зонда, закрепленного на сканере, по двум параллельным осям позволяет реализовать относительное перемещение зонда и образца путем перемещения их навстречу друг другу, увеличив тем самым площадь, доступную для исследования, не увеличивая габариты предметно-координатного стола. В случае наличия оптического микроскопа две параллельные независимые оси перемещения позволяют позиционировать микроскоп и зонд, закрепленный на сканере, независимо от движения предметно-координатного стола, помещая их попеременно над заданной исследуемой областью поверхности. Это позволяет исследовать поверхность по всему полю перемещения предметно-координатного стола.

Полезная модель позволит расширить функциональные возможности устройства за счет возможности исследования образцов большого размера, большой исследуемой площади и веса для исследования рельефа поверхности и измерения механических свойств на субмикронном и нанометровом масштабе без значительного увеличения размеров устройства.

1. Нанотвердомер, содержащий выполненный с возможностью перемещения по трем взаимно перпендикулярным осям сканер и установленный на устройстве для его перемещения зонд с наконечником, отличающийся тем, что содержит предметно-координатный стол, выполненный с возможностью его перемещения по двум взаимно перпендикулярным осям в горизонтальной плоскости, сканер установлен на устройстве для перемещения зонда, а зонд закреплен на сканере, при этом сканер установлен на устройстве для перемещения зонда с возможностью его перемещения относительно него по вертикали и по горизонтали по двум взаимно перпендикулярным осям, при этом направление одной из осей перемещения устройства для перемещения зонда перпендикулярно плоскости предметно-координатного стола, а другой совпадает с одной из осей перемещения предметно-координатного стола.

2. Нанотвердомер по п.1, отличающийся тем, что он содержит оптический микроскоп, закрепленный на устройстве для перемещения зонда.