SurfaceXplorer :: AFM NT-206

ОДО "Микротестмашины"

| SurfaceXplorer [Измерения на АСМ] > [АСМ NT-206]

5.1 Атомно-силовой микроскоп NT-206

Атомно-силовой микроскоп NT-206
5.1.1 Комплектация АСМ NT-206
5.1.2 Характеристики АСМ NT-206
5.1.3 Блок сканирования
5.1.4 Блок электроники управления

Атмно-силовой микроскоп (АСМ) в комплексе с управляющим программным обеспечением и средствами обработки АСМ-изображений предназначен для измерения и анализа микро- и субмикрорельефа поверхностей, объектов микро- и нанометрового размерного диапазона с высоким разрешением.

Основной принцип работы АСМ заключается в воздействии сил со стороны поверхности образца на острие зонда. Сила, которая чаще всего ассоциируется с АСМ, – это межатомная сила, называемая также Ван-дер- Ваальсовой. На рисунке схематически представлена кривая зависимости межатомной силы от расстояния между острием зонда и образцом. Правая часть кривой характеризует ситуацию, когда атомы острия и поверхности разделены большим расстоянием. По мере постепенного сближения они будут сначала слабо, а затем все сильнее притягиваться друг к другу. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока атомы не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем, что приблизительно составляет длину химической связи. Когда суммарная межатомная сила становится положительной (отталкивающей), то это означает, что атомы вступили в контакт.
Рисунок - Зависимость силы межатомного взаимодействия от расстояния между острием и образцом.

Области применения АСМ – физика твердого тела, тонкопленочные технологии, нанотехнологии, микро- и нанотрибология, микроэлектроника, оптика, испытательные системы прецизионной механики, магнитной записи, вакуумной техники и др. АСМ может использоваться в научных и промышленных лабораториях.

Изображение поверхности в атомно-силовом микроскопе получают при сканировании образца острием с радиусом кривизны порядка десятков–сотен нанометров. Острие размещается на гибкой консоли – кантилевере, который отклоняется под воздействием поверхностных сил со стороны образца. Острие вместе с кантилевером представляют собой чувствительный зонд АСМ. Управляющая система АСМ следит за отклонением кантилевера в каждой точке измерений и поддерживает его на постоянном заданном уровне, чтобы сохранить постоянное расстояние между острием и поверхностью образца. Изменения вертикального положения зонда в каждой точке измерений образуют матрицу АСМ данных, которая записывается в файл, и используется в дальнейшем для обработки, визуализации и анализа.

АСМ NT-206 характеризуется следующими особенностями:

- использование лазерно-лучевой системы для детектирования отклонения консоли и кручения;
- работа в статическом и динамическом режимах, реализация статической и динамической спектроскопии;
- цифровая система управления сканированием;
- автоматизированная система перемещения измерительной головки относительно образца;
- интегрированная в измерительную головку видеосистема для наблюдения за зондом и сканируемой областью поверхности образца;
- соединение с управляющим компьютером через USB-порт;
- модульная структура электронного блока управления и программного обеспечения, обеспечивающая возможность модификации для решения специфических исследовательских задач.

5.1.1 Комплектация АСМ NT-206

БАЗОВЫЙ КОМПЛЕКТ
Блок электроники управления | Блок сканирования (базовая платформа и измерительная головка со встроенной видеосистемой)

Набор соединительных кабелей:
- сетевой шнур (220 В);
- кабель USB (тип A-to-B);
- аналоговый кабель;
- цифровой кабель;
- высоковольтный кабель

| Пакет программ для управления атомно-силовым микроскопом с управляющего компьютера, обработки, визуализации и анализа СЗМ-изображений, драйверы для подключения блока электроники управления к управляющему ПК, драйверы для встроенной видеосистемы (платформа Win32)
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ (ОПЦИЯ)
| Сменный сканер с областью сканирования: - 10x10x3 мкм / - 20x20x3 мкм / - 40x40x3 мкм
| Сменный держатель зонда* *Примечание. Один держатель зонда входит в состав измерительной головки (базовый комплект)
| Сменный держатель для проводящих зондов
| Сменный держатель с оснасткой для микротрибометрии и адгезиометрии
| Нагревательная платформа для образцов (специализированный блок питания прилагается)
| Расширяющая вставка для измерений образцов высотой до 35 мм
| Тест-решетка для калибровки измерительной системы АСМ (пр-во Mikromasch)
| Набор АСМ-зондов (пр-во Mikromasch)
| Виброизолирующий пружинный подвес для блока сканирования

АСМ работает под управлением специализированного программного обеспечения, исполняемом на персональном компьютере с операционной системой Windows 98SE/Me/2000/NT/XP. Настоятельно рекомендуется выделить отдельный персональный компьютер для целей управления АСМ, сбора данных, хранения, обработки, визуализации и анализа АСМ-изображений. Рекомендуемая конфигурация ПК должна быть не ниже: Pentium IV/Celeron 1700 MHz, RAM 256 Mb, HDD 40 Gb, USB-порт, VRAM 32, монитор 17”, операционная система Windows 98SE/2000/XP.

Для обеспечения дополнительных возможностей при настройке и работе можно воспользоваться длиннофокусным оптическим микроскопом с увеличением x50…400 и осциллографом с чувствительностью 5мВ/дел.

Расходные материалы (зонды, калибровочные решетки) рекомендуется приобретать у их изготовителей (например, Mikromasch, NT-MDT и др.).

5.1.2 Характеристики АСМ NT-206

Режимы работы

1. Контактная статическая АСМ
2. Латерально-силовая микроскопия /одновременно с контактной статической АСМ/
3. Бесконтактная динамическая АСМ
4. Полуконтактная динамическая АСМ (аналог Tapping Mode®)
5. Микроскопия фазового контраста /одновременно с полуконтактной динамической АСМ/
6. Двухпроходный режим (для статической и динамической АСМ)
7. Двухпроходный режим с переменным подъемом (для статической и динамической АСМ) /Оригинальная методика!/
8. Многоцикловое сканирование участка (для статической и динамической АСМ) /Оригинальная методика!/
9. Многослойное сканирование участка с переменной нагрузкой (для статической и динамической АСМ) /Оригинальная методика!/
10. Электростатическая силовая микроскопия (двухпроходная методика) *, **
11. Токовый режим *, **
12. Магнитно-силовая микроскопия (двухпроходная методика) *, **
13. Статическая силовая спектроскопия (с расчетом количественных характеристик, поверхностной энергии и модуля упругости образца в точке анализа)
14. Динамическая силовая спектроскопия
15. Динамическая частотная силовая спектроскопия /Оригинальная методика!/
16. Наноиндентирование *
17. Наноцарапание *
18. Наноизнашивание по линии *
19. Нанолитография *
20. Микротрибометрия * /Оригинальная методика!/
21. Микроадгезиометрия * /Оригинальная методика!/
22. Микротрибометрия в режиме shear-force * /Оригинальная методика!/
23. Температурно-зависимые измерения (для всех вышеперечисленных режимов) *

Примечание.
* - требуется использование специализированной оснастки
** - требуется использование специализированных зондов

Поле сканирования | 10х10 мкм; 20х20 мкм; 40x40 мкм
Максимальный диапазон измерения высот | 4 мкм
Латеральное разрешение (плоскость XY) | 1–5 нм (в зависимости от жесткости поверхности образцов)
Вертикальное разрешение (ось Z) | 0,1–0,5 нм (в зависимости от жесткости поверхности образцов)
Размер матрицы сканирования | до 1024x1024 точек
Скорость сканирования | 40–250 точек/с в плоскости X-Y
Коррекция нелинейностей | Программная коррекция движения сканера
Минимальный шаг сканирования | 0,3 нм (в плоскости XY),
Схема сканирования | Образец перемещается в плоскости X-Y (горизонтальной) и в Z-направлении (вертикальном) под неподвижным зондом.
Тип сканнера | Пьезокерамический трубчатый.
Зонды | Промышленно выпускаемые зонды (чипы размером 3.4*1.6*0.4 мм). Рекомендуются зонды Mikromasch Co. или NT-MDT Co.
Система детектирования отклонения измерительной консоли | Лазерно-лучевая с четырехсекционным позиционно-чувствительным фотодетектором
Размеры образца | До 30x30x5 мм (ширина–глубина–высота)
Условия работы | Открытый воздух, 760+40 мм рт. ст., 22+4°С, относительная влажность <70%
Автоматический подвод | Диапазон 18 мм, шаг ~200 нм
Диапазон автоматизированных перемещений измерительной головки | 10x10 мм в плоскости XY для микропозиционирования зонда относительно исследуемого объекта с шагом 2,5 мкм с оптическим визуальным контролем.
Характеристики источника лазерного излучения | Мощность на выходе - до 5 мВт; длина волны излучения - 650 нм; фокусное расстояние - 40 мм; диаметр луча в фокусе - около 20 мкм.
Поле обзора встроенной видеосистемы | 1x0.75 мм, размер окна визуализации 640x480 пиксел, частота смены кадров до 30 кадр/с
Выходное напряжение высоковольтного усилителя | +190 В
Разрядность ЦАП сканера | 16 bit
АЦП | 16 bit
Характеристики нагревательной платформы | Максимальная температура нагрева: 150 град.С. Напряжение питания: 15 В, потребляемый ток: до 1.2 А. Встроенный датчик температуры. Габариты: диам.24*10 мм (без проводов). Контроллер прилагается. Возможность термостатирования или задания режимов нагрева.
Характеристики микротрибометрического датчика shear-force | Сферический индентор диам.0.8-1 мм, линейная скорость 10-4 ….10-1 м/с; нормальная нагрузка – 0.1….10 мН; сила трения – 0.001….1 мН.
Габариты | Блок сканирования (с видеокамерой): 185x185x290 мм Блок электроники управления: 360x420x220 мм
Масса блоков, не более | Блок сканирования: 4.7 кг; Блок электроники управления: 7.7 кг
Напряжение питания | 220 В, 50 Гц
Потребляемая мощность | Не более 300 Вт
Виброизоляция | Рекомендуется использовать дополнительную антивибрационную платформу или подвес для блока сканирования при измерениях в диапазоне менее 1 мкм
Управляющий компьютер | Не хуже, чем: Celeron® 1700, RAM 128 MB, HDD 40 GB, Windows® 98/2000/XP, USB port. Рекомендуется: Pentium IV® 2.2, RAM 256 MB, HDD 120 GB, monitor 19", Windows® 2000/XP, 2 USB ports.
Интерфейс связи с управляющим компьютером | USB 1.1
Программное обеспечение | Интегрированное программное обеспечение для управления АСМ и обработки АСМ-изображений SurfaceXplorer входит в комплект поставки прибора.

Перед измерениями зонд может быть перемещен в необходимую область над образцом при помощи автоматизированной платформы. Для обеспечения обзора области сканирования и объектов, над которыми находится зонд, в приборе используется видеокамера, позволяющая в реальном масштабе времени наблюдать за перемещениями зонда над поверхностью. Видеосистема и платформа автоматизированного перемещения зонда над образцом включены в базовую комплектацию прибора (встроены по умолчанию). Сочетание этих двух опций позволяет достаточно гибко выбирать на поверхности области (объекты) для сканирования при непосредственном визуальном контроле оператора.

5.1.3 Блок сканирования

Блок сканирования (Рис. 1.2) предназначен для работы на открытом воздухе и предоставляет удобный доступ для установки образца и смены зонда. В приборе применена измерительная схема с неподвижным зондом над подвижным образцом. В ходе измерений прецизионные перемещения образца обеспечиваются трубчатым пьезосканером, на котором образец устанавливается. Перед измерениями зонд может быть перемещен в необходимую область над образцом при помощи автоматизированной платформы.

Рис. 5.1.3.1 - Блок сканирования атомно-силового микроскопа NT-206.

1. корпус (базовая платформа);
2. ступень грубого позиционирования по Y;
3. шаговый электродвигатель ступени грубого позиционирования по Y;
4. ступень грубого позиционирования по X;
5. шаговый электродвигатель ступени грубого позиционирования по X;
6. соединение типа «ласточкин хвост» для установки измерительной головки;
7. винт фиксации измерительной головки в соединении «ласточкин хвост»;
8. измерительная головка;
9. ручка механизма регулировки лазера в направлении X;
10. ручка механизма регулировки лазера в направлении Y;
11. ось поворота зеркала;
12. держатель зонда;
13. винт фиксации держателя зонда;
14. ручка механизма регулировки фотодетектора в направлении X;
15. ручка механизма регулировки фотодетектора в направлении Y;
16. предметный столик, закрепленный на торце пьезосканера;
17. труба видеосистемы;
18. модуль видеокамеры;
19. поворотное кольцо для тонкой фокусировки видеосистемы;
20. кабель измерительной головки;
21. кабель видеосистемы (USB).

Блок сканирования состоит из базовой платформы (корпуса) (1) и сменной измерительной головки (8). Все механизмы смонтированы на верхней плите корпуса, которая является базовой. С нижней стороны (внутри корпуса) базовой плиты установлен механизм вертикального перемещения пьезосканера. Данный механизм обеспечивает подвод (подъем) и отвод пьезосканера с образом на предметном столике, установленном на верхнем (подвижном) торце пьезотрубки (16), относительно зонда (вертикальное или Z-перемещение). Диапазон хода механизма вертикального перемещения составляет 20 мм с шагом около 200 нм.

На верхней стороне базовой плиты смонтирована платформа горизонтального (XY) перемещения для подготовительных передвижений измерительной головки над образцом (грубое XY-позиционирование) для выбора необходимой области. Платформа горизонтального перемещения состоит из Y-ступени (2) с приводным шаговым двигателем (3) и X-ступени (4) с соответствующим шаговым двигателем (5). Платформа XY-перемещения обеспечивает диапазон хода 10 мм в обоих направлениях с шагом 2,5 мкм.

Сверху на ступени X смонтирована направляющая «ласточкин хвост» (6), в которой устанавливается измерительная головка (8). Измерительная головка (8) вставляется в ласточкин хвост спереди движением ее в горизонтальной плоскости. Винт (7) служит для надежной фиксации измерительной головки на базовой платформе. Для подключения измерительной головки к системам прибора, вставьте ее кабель (20) в разъем на задней стенке корпуса. Дополнительно необходимо подключить USB-кабель (21) видеокамеры (18) к свободному USB-разъему на управляющем компьютере. Чтобы снять измерительную головку с базовой платформы (корпуса), отсоедините ее разъемы (кабель измерительной головки и кабель USB видеокамеры), освободите фиксирующий винт (7) и выньте измерительную головку из ласточкиного хвоста (6).

Измерительная головка (8) представляет собой высокоточную систему, содержащую механические, оптические и электронные компоненты и оборудованную специально разработанной видеокамерой (18). В нижней части измерительной головки устанавливается держатель зонда (12). Винт (13) используется для фиксации держателя зонда после его установки в измерительной головке. Ручки (9) и (10) служат для настройки лазерного луча на зонде при настройке. Источник лазерного излучения и видеокамера интегрированы в одной оптической системе, поэтому видеокамера (18) будет перемещаться вместе с источником лазерного излучения при его настройке. Данное решение обеспечивает постоянное нахождение области вокруг центра лазерного луча в поле обзора видеокамеры.

Ручки (14) и (15) используются для настройки фотодетектора на луч, отраженный от обратной стороны кантилевера зонда. Ось (11) служит для подстройки положения зеркала поворачивающего луч, отраженный от обратной стороны кантилевера зонда, на фотодетектор. Изменяя угол поворота зеркала, можно производить дополнительную подстройку системы детектирования (тем не менее, рекомендуется не изменять положение зеркала, установленное изготовителем, и использовать данную опцию в крайнем случае).

Кольцо (19) на трубке видеосистемы (17) служит для точной фокусировки видеосистемы в диапазоне около 1 мм вдоль вертикальной оси оптической системы. Модуль видеокамеры (18) может быть отсоединен от оптической системы путем освобождения специального винта на трубке (17) и выемки модуля вверх. Необходимо помнить, что оптическая система содержит точные оптические элементы, и поэтому открытые отверстия трубки необходимо защищать от пыли и грязи.

Горизонтальное перемещение образца в процессе сканирования (перемещение в плоскости XY) осуществляется посредством пьезокерамического сканера. Образец перемещается под острием зонда от точки к точке по растровой схеме (рис. 5.1.3.2). Сканер начинает перемещаться вдоль первой линии сканирования и обратно. Затем он осуществляет перемещение на один шаг в перпендикулярном направлении ко второй линии сканирования, движется вдоль ее и обратно. Затем снова осуществляет перемещение на один шаг в перпендикулярном направлении к третьей линии и т.д.. АСМ регистрирует данные только при движении зонда в одном направлении, которое называется направлением быстрого сканирования.

Рис. 5.1.3.2 - Движение образца под зондом в процессе сбора данных.

Для перемещения сканера по подобной растровой схеме электроника АСМ прикладывает соответствующее напряжение к сегментам пьезотрубки, что вызывает ее изгиб в плоскости, параллельной поверхности образца (рис. 5.1.3.3).

Рис. 5.1.3.3 - Изгиб пьезокерамического сканера при приложении напряжения к электродам.

АСМ детектирует положение зонда в каждой точке измерений. Когда острие зонда находится у поверхности образца на расстоянии около нескольких нанометров, консоль с зондом изгибается под действием молекулярных сил (притяжения или отталкивания), возникающих между острием и поверхностью образца. Для измерения отклонения кантилевера зонда используется позиционно-чувствительный фотодетектор (ФД) (рис. 5.1.3.4). Луч света, отраженный от обратной стороны кантилевера зонда попадает на фотодетектор. В результате изменения положения зонда (изгиба кантилевера) происходит перемещение отраженного светового пятна по фотодетектору. Данное перемещение может быть легко измерено. Таким образом, по изменению положения отраженного пятна на ФД электронная система определяет изменение расстояния между зондом и образцом и прикладывает соответствующее напряжение к Z-электроду пьезотрубки, с тем чтобы сжать или удлинить ее в направлении Z и поддержать зазор между зондом и образцом на постоянном уровне. В результате острие зонда перемещается на постоянной высоте над поверхностью образца и в точности повторяет ее рельеф.

Рис. 5.1.3.4 - Схема организации системы сканирования и детектирования положения зонда в АСМ NT-206.

В каждой точке измерений регистрируется величина напряжения, приложенного к пьезотрубке. Это значение запоминается и используется системой для формирования матрицы АСМ-изображения. На основе полученных данных о высоте рельефа и соответствующих изображений контрастов строится трехмерное АСМ-изображение поверхности.

Установленный в системе четырехсекционный фотодетектор дает возможность измерить как отклонение, так и кручение кантилевера. Благодаря этому возможно одновременное измерение топографии и картографирование латеральных сил (локальных сил трения) в контактном режиме. Схема этих измерений, а также отличие двухсекционного фотодетектора, допускающего измерение только вертикального отклонения, показаны на рис. 5.1.3.5.

Рис. 5.1.3.5 - Детектирование вертикального Dz и горизонтального Dt (кручение) отклонений консоли фотодетектором: а – измерение вертикального Dz отклонения двухсекционным детектором; б – четырехсекционный детектор латерального силового микроскопа для одновременного измерения вертикального Dz и горизонтального Dt отклонений.

При работе в динамическом режиме, система возбуждает вынужденные колебания зонда с частотой от 10 Гц до 400 кГц. Частота колебаний подбирается соответствующей собственной резонансной частоте зонда, что существенно повышает чувствительность измерительной системы. Колебания зонда возбуждаются приложением модулированного напряжения к пьезоактюатору, непосредственно соединеному с зондом (рис. 5.1.3.6).

Для установки зондов (сформированных на чипах) в АСМ NT-206 предусмотрено использование специализированного сменного держателя, размещаемом в нижней части измерительной головки. Это обеспечивает простую и удобную для пользователя процедуру установки/замены АСМ-зондов (рис. 5.1.3.6).

Рис. 5.1.3.6 - Схема устройства сменного держателя зонда.

АСМ NT-206 ориентирован на использование промышленно выпускаемых зондов, формируемых на чипах размером 3.4*1.6*0.4 мм (рис. 5.1.3.7). На схеме ниже представлена конфигурация зондов, выпускаемых компанией Mikromasch Co..

Рис. 5.1.3.7 - Конфигурация чипов с АСМ-зондами с кантилеверами V-типа (вверху) и прямоугольными (внизу). Справа приведены примеры соответствующих зондов. (По данным www.spmtips.com).

Кроме рекомендованных, в приборе допускается использование и других зонды (чипов с зондами), если геометрические параметры позволяют устанавливать их в сменном держателе, а конструкция обеспечиает отражение лазерного луча системы детектирования от обратной стороны кантилевера.
Примером таких "нестандартных" зондов могут быть продукты фирмы Nanosensor, отличающиеся по геометрическим параметрам, но обеспечивающие повышенную жесткость кантилевера, необходимую для специальных приложений.

5.1.4 Блок электроники управления

Copyright © 2005-2006, Microtestmachines Co.
All rights reserved.