Устройство и работа физического узла СЗМ, совмещенного с СЭМ

Физический узел СЗМ, совмещенный с СЭМ, предназначен для исследования поверхности токопроводящих образцов одновременно электронным пучком СЭМ и зондом СЗМ, а также исследование непроводящих объектов методом силовой сканирующей микроскопии в случае, если это допускается конструкцией конкретно используемого электронного микроскопа (например СЭМ «Inspect»).

Внешний вид физического узла СЭМ-СЗМ представлен на Рис.1.

Он устанавливается на стол гониометра СЭМ на место, предназначенное для столика с образцом, а исследуемый образец помещается на столике СЗМ.

Рис 1. Внешний вид физического узла СЭМ-СЗМ варианты a) и b) и c),d) СЭМ SNE4500M

Устройство физического узла СЗМ b) поясняет Рис. 2. Узел a) работает на аналогичных принципах

Рис. 2. Устройство физического узла СЭМ- СЗМ. 1- основание, 2- трехкоординатный пьезодвижитель, 3- образец, 4- зондовый датчик, 5- зонд, 6- несущая стенка, 7- полюсный наконечник СЭМ, 8- несущий корпус,9- подвижная платформа, 10- подвижная платформа Z.

На основании1 установлен трехкоординатный пьезодвижитель 2, несущий на себе образец 3. Зондовый датчик силового и туннельного взаимодействия 4 с вольфрамовым зондом 5 установлен на несущей стенке 6, которая закреплена на основании 1. Кончик зонда 5 располагается под электронным пучком, выходящим из полюсного наконечника 7.
Трехкоординатный пьезодвижитель 2 состоит из трех, установленных друг на друге, инерциальных пьезодвижителей. Два пьезодвижителя предназначены для перемещения образца по координатам X Y, они абсолютно идентичны по конструкции и включают в себя несущий корпус 8, внутри которого закреплен пьезоэлемент в виде пакета и подвижную платформу 9.
Третий пьезодвижитель с подвижной платформой 10 перемещает образец 3 вертикально по оси Z. Таким образом, образец 3 может перемещаться по трем ортогональным направлениям относительно зонда 5.

Особенностью устройства пьезодвижителей является то, что каждый из пьезопакетов имеет возможность плавно перемещать подвижную платформу, осуществляя сканирование на величину 6,5 мкм при управлении медленными электрическими сигналами, в то же время, при управлении несимметричными резкими импульсами несущая платформа движется относительно корпуса шагами, преодолевая силы трения на расстояние до 10 мм.
Устройство работает следующим образом.
Образец 3 устанавливают на подвижной платформе 10. Зонд 5 устанавливают на зондовый датчик 4. Затем физический узел СЗМ устанавливают на гониометр СЭМ, подключают электрические разъемы к СЗМ и выводят СЭМ на рабочий режим согласно его инструкции. Подвижками гониометра перемещают физический узел СЗМ под полюсным наконечником СЭМ (7 на Рис. 2) так, чтобы на экране СЭМ был виден кончик вольфрамового зонда 4 и часть поверхности образца под ним. Затем включают СЗМ согласно его инструкции пользователя и перемещают образец под зондом СЗМ для выбора места исследования, управляя пьезодвижителями по осям XY СЗМ при помощи программного обеспечения СЗМ. При этом оператор наблюдает перемещение образца на экране СЭМ. После выбора места исследования осуществляется приближение образца к зонду СЗМ и захват силового взаимодействия или туннельного тока в автоматическом режиме. При этом образец поднимается пьезодвижителем по оси Z. Оператор наблюдает процесс сближения на экране СЭМ и при необходимости подстраивает фокусировку СЭМ. При осуществлении сканирования СЗМ подвижная платформа пьезодвижителя X (9 на Рис.2) несет на себе корпус 8 пьезодвижителя Y, в свою очередь платформа 9 пьезодвижителя Y несет на себе корпус 8 пьезодвижителя Z, платформа 10 которого несет на себе образец 3. Таким образом, образец 3 перемещается в плоскости XY относительно неподвижного зонда 5.

на Рис.3а, б представлено СЭМ изображение фрагмента периодической структуры- тестовой решетки с шагом 700 нм и зонда СЗМ при одновременной работе СЭМ и СЗМ.

Рис 3а. СЭМ изображение зонда СЗМ и тестовой периодической структуры при совместной работе СЭМ и СЗМ.

Рис 3б. СЭМ изображение зонда СЗМ и тестовой периодической структуры при совместной работе СЭМ и СЗМ.

На Рис. 4 представлено СЗМ изображение этой же структуры, полученное в моде сканирующей силовой микроскопии. Неодинаковость периода решетки обусловлена нелинейными свойствами пьезокерамических элементов конструкции СЗМ. Видно, что площадь сканирования составляет 6*6 мкм.

Рис. 4. СЗМ изображение тестовой решетки с периодом 700 нм.

Для изучения поведения пьезоинерциального движителя были проведены специальные измерения с использованием СЗМ, где измерялась величина шага перемещения подвижной платформы. На Рис. 5 представлен график перемещения подвижной платформы пьезодвижителя при движении вперед и назад при амплитуде управляющего импульса 5В и длительности короткого фронта этого импульса- 10 мкс. Каждая точка на графике соответствует одному шагу. По оси абсцисс отложены номера шагов, по оси ординат величина перемещения подвижной платформы в нанометрах.
По результатам этих измерений построена гистограмма распределения величины шагов, изображенная на Рис.6. По оси абсцисс отложены величины шагов в нанометрах, по оси ординат- нормированное количество шагов в данном сеансе измерений. Из гистограммы видно, что величина шага пьезодвижителя лежит в основном в пределах 14- 30 нм. Среднее значение- 21 нм.

Рис 5. График движения платформы пьезоинерциального движителя при амплитуде управляющего импульса 3 В.

Рис. 6. Гистограмма распределения величины шага пьезодвижителя.