CC BY
9
УДК 621.385.833
ПОДСИСТЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА «STM-W5»
A.M. ЛИПАНОВ, Е.Ю. ШЕЛКОВНИКОВ, Д.В. ГУДЦОВ, Г1.В. ГУЛЯЕВ, А.В. ТЮРИКОВ, М.В. ТАРАСОВ, Е.С. ЗАДУМИН
Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск, Россия E-mail: ipm@udmari.ru
АННОТАЦИЯ. Разработана программа, позволяющая управлять сканирующим туннельным микроскопом и получать измерительную информацию о состоянии исследуемой поверхности в режимах постоянного туннельного тока, постоянной высоты зондирующей иглы, модуляции туннельного зазора, снятия его ВАХ. Реализованы грубое и быстрое сближение иглы и образца в эмиссионном режиме, цифровая отрицательная обратная связь программной реализацией ПИД-регулятора, поисковое адаптивное нелинейное сканирование с последующим переходом на адаптивное линейное сканирование с атомным разрешением, контроль остроты иглы, очистка острия методом полевого испарения и его заострение методом полевой диффузии.
ВВЕДЕНИЕ
В структуре программного обеспечения (ПО) цифрового интеллектуального сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) «8ТМ-\У5» можно выделить несколько подсистем (ПС). Это ПС получения измерительной информации, ПС обработки и фильтрации, ПС визуализации, ПС построения теоретических СТМ-изображений. ПС получения измерительной информации загружает управляющую программу для сигнального процессора, которая осуществляет управление СТМ посредством формирования соответствующих сигналов через цифро-аналоговые преобразователи, а также сбор информации о поверхности, поступающей с аналого-цифровых преобразователей. Взаимодействие программ осуществляется через интерфейсную часть, которая включает в себя стандартные модули приемо-передачи через последовательный порт, процедуры формирования команд для сигнального процессора и распознавания команд, поступающих из основной ЭВМ.
Программа сигнального процессора [1] позволяет осуществлять грубое и быстрое сближение иглы и образца в эмиссионном режиме с электродинамическим усилением силы трения в шаговом пьезоприводе с последующим переходом на точное и
медленное сближение в туннельном режиме с электродинамической компенсацией силы трения, при этом цифровая ООС микроскопа осуществлена на основе сигнального процессора программной реализацией ПИД-регулягора [2]. Программа также позволяет осуществлять поисковое адаптивное нелинейное сканирование с длинной 2-секцией пьезосканера с последующим переходом на адаптивное линейное сканирование с короткой г-секцией пьезосканера и атомным разрешением, при этом возможен контроль остроты иглы, очистка острия методом полевого испарения и его заострение методом полевой диффузии.
СБЛИЖЕНИЕ ЗОНДИРУЮЩЕГО ОСТРИЯ И ПОВЕРХНОСТИ ИССЛЕДУЕМОГО ОБРАЗЦА
Сближение зондирующего острия с образцом выполняется последовательно, в два этапа. Алгоритм сближения представлен на рис. 1. На первом этапе с целью сокращения длительности процесса сближения зондирующего острия с образцом осуществляется грубый подвод с максимальной скоростью. Для этого несимметричные пилообразные сигналы, которыми управляется привод сближения, имеют максимально допустимую амплитуду и минимальную длительность пологого фронта. Обеспечивается это посредством дополнительного электромеханического воздействия на перемещаемый объект (столик с образцом) [3], величина которого не должна превышать величину силы трения покоя, действующей в кинематической паре привода сближения. На туннельный зазор в течение первого этапа сближения подается напряжение №=119=1013, что значительно превышает рабочий диапазон напряжений (ир~1мВ...200мВ). В этом случае начало протекания эмиссионного тока можно зарегистрировать при значительно большей величине туннельного промежутка, что позволяет своевременно остановить высокоскоростное сближение. При появлении эмиссионного тока формирование фронта управляющего сигнала привода сближения заканчивается и формируется крутой срез, в результате которого протекание эмиссионного тока может прекратиться. Это обусловлено уменьшением туннельного промежутка вследствие обратного хода привода сближения. Использование эмиссионного режима позволяет проводить грубый подвод с максимально возможной скоростью и исключает, при этом, риск соприкосновения зондирующего острия с поверхностью.
Второй этап - точный подвод - начинается сразу после окончания грубого подвода и продолжается до тех пор, пока величина туннельного тока и величина напряжения на интеграторе цепи обратной связи не будут равны заданным значениям. Перед началом второго этапа устанавливается рабочая величина туннельного напряжения. Далее процесс сближения осуществляется с минимальной скоростью (3-4 шага/с), и максимально возможной точностью (около 25 нм). Это позволяет использовать сканер (или их секции) с малой величиной линейных перемещений [2] и выводить его в результате процесса сближения в середину динамического диапазона.
Рис. 1. Алгоритм сближения зондирующего острия с поверхностью образца
При формировании крутого среза управляющего сигнала имеет место обратный ход привода (смещение перемещаемого объекта из точки, достигнутой в результате формирования фронта). Как показал анализ [4], данное смещение обусловлено негативным действием силы трения, а его величина может равняться смещению образца при формировании фронта управляющего сигнала. Это происходит, как правило, при небольшой амплитуде пилообразного сигнала на приводе сближения. В таком случае после достижения интегратором середины диапазона формирование фронта управляющего сигнала целесообразно продолжить, увеличив его значение на величину Д. Данная величина зависит от характеристик конкретного привода и может быть определена экспериментально.
Одним из способов, обеспечивающих высокую точность привода сближения, является снижение величины смещения образца в процессе формирования среза управляющего сигнала посредством компенсации силы трения. Для этого необходимо приложить к образцу силу, равную по величине силе трения, но противоположную ей по направлению. Внешний вид интерфейса подсистемы подвода программы управления СТМ представлен на рис. 2.
СКАНИРОВАНИЕ ИССЛЕДУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ
В процессе исследований экспериментатор с помощью СТМ сначала, как правило, проводит предварительное изучение поверхности с максимальным полем зрения, а затем выбирает интересуемые участки поверхности и исследует их с необходимой точностью. При таком подходе продолжительность предварительных исследований можно снизить за счет небольших потерь в точности (например, за счет адаптивного управления скоростью на основе прогноза [5]), поскольку основные измерения проводятся на заключительной стадии, в процессе которых такие потери недопустимы.
Для сокращения продолжительности предварительного изучения поверхности в сигнальном процессоре реализована подпрограмма нелинейной адаптивной развертки с прогнозированием г-координаты в точке измерений. С этой целью в процессе сканирования поверхности варьируется интервал пространственной дискретизации в зависимости от рельефа образца. При этом скорость сканирования увеличивается на ровных участках поверхности и уменьшается на неровных. Информация о рельефе поверхности поступает в сигнальный процессор, который (используя столбцы растра просканиро-ванной части СТМ-изображения) в начале каждой строки строит прогнозный полином, который экстраполирует на несканированные точки растра. Во избежание потери работоспособности острия при его перемещении между измерительными точками сигнальный процессор через цифро-аналоговый преобразователь отводит остриё на безопасное прогнозное расстояние, равное сумме заданного туннельного зазора и прогнозного значения г-координаты этого участка профилограммы поверхности. Это позволяет существенно увеличить скорость перемещений между измерительными точками и сократить
В£Х, Работа выхода Выход
Сканирование О программе
Управление О ОС
Подвод
Загрузка программы Заострение иглы
Осциллограф
[ Грубый подвод ] минимум
Эмиссионный подвод
максимум
Амплитуда пилы | зооо %]
Шаг подвода
40000
Режим пилы
Шаг подвода
Период пилы
Период пйльимс
сброс пилы на заднем Фронте
Напряжение режима. В
Предел тока, на
Амплитуда пилы
Режим пилы \ сброс пилы на заднем Фронте 17 Ускоряющая катушка р Автоматический запуск точного подвода
12000
{7 Катушка Р Автоматический запуск грубого подвода;
Пчск • эмиссионный подвод
Пуск - грубый подвод
[ Зацатчики ]
\ ЩщШ. / —
Туннельныйток, нй | 0
[ Отвод
Кол-во шагов | 100} Г" до размыкания тока
[ Точный подвод ] Отклонение от средней точки интегратора ; ,
Финальный срез
Режим пилы
Напряжение, мВ
Я Тормозящая катушка сброс пилы на заднем Фронте ▼ I
Пуск - отвод
18000
Амплитуда пилы
Пуск - точный подвод
Лриложенице запущено
1Т подключен
Рис. 2. Внешний вид интерфейса функции подвода программы управления СТМ
время исследования поверхности. После получения предварительного изображения поверхности определяются интересующие участки поверхности, которые исследуются уже методом линейной адаптивной развертки. Алгоритм сканирования приведен на рис. 3.
При линейной развертке интервал дискретизации остается фиксированным, изменяться в целях повышения точности могут лишь параметры цепи регулирования туннельного промежутка. В работе [6] показано, что время задержки сигнала в цепи регулирования туннельного промежутка влияет на устойчивость схемы регулирования. При этом было рассмотрено дифференциальное уравнение с запаздыванием и получено выражение, определяющее область устойчивости системы регулирования. Поскольку цифровую обратную связь СТМ также можно отнести к системам регулирования с запаздыванием, то данное выражение будет справедливо и для системы регулирования цифрового СТМ (рис. 4):
с
Начало
3
Рис. 3. Алгоритм сканирования поверхности образца
1 т
(1)
где х - время задержки передачи сигнала до интегратора; к - коэффициент передачи цепи обратной связи; Ти - постоянная интегрирования ПИ-регулятора. Величина т представляет собой сумму времени задержки сигнала на ПТН, времени преобразования АЦП и времени на выполнение процедур обработки сигнала сигнальным процессором.
При переключении режимов работы цифрового СТМ изменяются программа обработки сигналов и время необходимое на ее исполнение. Тогда согласно выражения (1) для простых режимов работы (например, для линейного сканирования) время запаздывания сигнала регулирования уменьшается, а, следовательно, можно уменьшить постоянную интегрирования ПИ-регулятора.
///////
Туннельный зазор
Образец
Рис. 4. Схема цепи регулирования туннельного промежутка цифрового СТМ: ПТН - преобразователь ток-напряжение; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; СП - сигнальный процессор; И - интегратор; ЦАГ1 - циф-роаналоговый преобразователь; ПС - пьезосканер
Прогнозные значения величины рельефа поверхности на очередной строке сканирования позволяют в режиме линейного адаптивного сканирования регулировать параметры ПИ-регулятора, а также величину времени задержки на установление зазора после перемещений пьезосканера. Регулирование этого времени на установление туннельного зазора может привести к незначительному искажению полученной информации. Причиной являются изменения величины крипа пьезокерамики, зависящего, как известно, от времени, прошедшего с момента воздействия на пьезоэлемент. Применение такого регулирования целесообразно в случае значительных перепадов рельефа поверхности, способных привести к разрушению зондирующего острия СТМ, либо к потере информации на время установления резко увеличившегося туннельного зазора.
В области частот /</с (/с = ; ки и кп - соответственно, коэффициенты пе-
%
редачи интегратора и пропорционального звена) ПИ-регулятор ведет себя как интегратор, при этом его точность тем выше, чем ниже частота [7]. В первые моменты времени после появления рассогласования величины туннельного зазора ПИ-регулятор ведет себя как пропорциональное звено. С течением времени преобладающее значение начинает приобретать интегрирующее слагаемое. Это свойство обычно применяется в туннельной микроскопии для уменьшения времени затухания переходных процессов в цепи обратной связи [7]. Также ПИ-регулятор может применяться для повышения сохранности зонда следующим образом. При обнаружении согласно данным прогноза
значительного перепада высот повышается постоянная времени ГШ-регулятора:
Т»=Т- <2>
к
Это позволяет цепи обратной связи быстрее отреагировать на изменение рельефа, однако при повышении постоянной ПИ-регулятора выше определенной оптимальной величины динамические характеристики регулирования ухудшаются. Это связано с тем, что система регулирования переходит из области абсолютной устойчивости (отсутствует колебательный характер переходных процессов) в область асимптотической устойчивости (переходные процессы имеют колебательный характер). Тем не менее, в ряде случаев целесообразнее повысить Т выше оптимального значения для снижения вероятности повреждения зонда. Чтобы при этом не произошло снижения точности установления туннельного промежутка, необходимо увеличить время на успокоение переходных процессов.
При исследованиях с высоким разрешением воздействие импульсных помех может привести к появлению на СТМ-изображении выбросов и «выпадающих» строк, последующая фильтрация которых крайне затруднена. В этом случае сигнальный процессор отслеживает перепад высот в текущей строке, сравнивает его с предыдущей строкой и при значительном расхождении перепадов проводит повторное сканирование строки. Внешний вид интерфейса подсистемы сканирования программы управления СТМ приведен на рис. 5.
КОНТРОЛЬ ОСТОТЫ И ЗАОСТРЕНИЕ ЗОНДИРУЮЩЕГО ОСТРИЯ
Проверка остроты зондирующего острия в интеллектуальном СТМ осуществляется [8] посредством контроля спада туннельного тока. Если спад тока при отводе иглы на 1А составляет 50% и более, то игла считается хорошей, в противном случае проводится попытка заострения иглы методом полевой диффузии. При обнаружении «затупления» иглы осуществляется операция очистки и заострения острия иглы следующим образом. Программно осуществляется отключение контура цифровой отрицательной обратной связи и начинается процесс полевой диффузии (на игле формируется потенциал, отрицательный относительно образца). В процессе диффузии происходит эмиссия электронов с кончика зондирующего острия, и при достижении напряженности поля порядка
~\В/А на конце острия формируется атомарно-острый микровыступ [9]. Однако, поскольку поверхность иглы воздушного СТМ не является очищенной от примесей, то микровыступ (сформированный полевой диффузией) оказывается состоящим из адсор бированных атомов примесей. Затем начинается процесс удаления этого «грязного» микровыступа методом полевого испарения (на игле формируется потенциал, положи-
ВАХ, Работа выхода
Подвод
Скан^ёйие
Управление 00 С
Загрузка программы Заострение иглы
.0 программе
Осциллограф
[Сканирование ]
.Адаптивные режимы -
Л инёйное; сканирование|-| Г Адаптивное нелинейное
С Адаптивное линейное
— ^ щшшт\
Размер кадра
Начальные координаты
Размер кадра. А:
ЩЩл
г— Высоковольтные
усилители XV [Источник] ■■\С Токовый режим ♦ Режим интегрирования
.трока
Дисперсия;
П риращение на шаг
Пакетный режий
Предварительный просмотр
Строки, столбцы Пердача каждые
Режим
кадров
Защитный ¡ ч бордюр
Номер кадра в памяти
Щамягь
Г" Сканировать в память
передано.
Запустить
Выбор местоположения
Приложенице запущено
¡Порт подключен
Рис. 5. Внешний вид интерфейса функции сканирования программы управления СТМ
тельный, относительно образца), при котором значение напряженности поля меньше, чем необходимо для удаления атомов материала острия (-ЗВ/А). Далее начинается процесс заострения «рабочего» микровыступа (с которого происходит туннелирование электронов при работе микроскопа) путем удаления атомов материала острия полевым
испарением при создании поля напряженностью — 6 В/ А . Процесс заострения контролируется программой сигнального процессора и при достижении удовлетворительного результата сигнальный процессор формирует сигнал окончания процесса заострения. Если данная процедура не приводит к необходимому изменению спада туннельного тока, то иглу следует заменить. Алгоритм контроля остроты и заострения зондирующего острия представлен на рис. 6, а внешний вид интерфейса реализующей его подсистемы - на рис. 7.
Начало
Рис. 6. Алгоритм контроля остроты и заострения зондирующего острия
жш
^шЩтШшШк Я ..............
Загрузка программы
ВАК, Работа выхода
Сканирование О программе
Управление 0ÜC
Подвод
Осциллограф
Заострение иглы
Полевая диффузия Напряженность AI . В/А
Контроль иглы
Напряженность, В/А
Длительность процесса, Т2-Т1, мкс
Напряженность^?, В/А
Длительность процесса, ТЗ-Т 2, Мкс
время, мкс
f Заострё§йе "рабочего"' микровыступа Напряженность A3, В/А
Длительность процесса, Т4-ТЗ, мкс
Щeil
Приложенице запущено
Порт подключен
Рис. 7. Внешний вид интерфейса функции контроля остроты и заострения зонди рующего острия
Реализованная методика атомарного заострения зондирующих игл непосредственно в
СТМ (in situ) позволила увеличить срок их службы в несколько раз и повысить качество получаемых СТМ-изображений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2007610678 от 13.02.2007. Программа управления цифровым сканирующим туннельным микроскопом / Липанов A.M., Гудцов Д.В., Шелковников ЕЛО. и др.
2. Патент РФ №2296387 МПК НО 1J37/285. Сканирующий туннельный микроскоп / Липанов A.M., Шелковников Е.Ю., Тюриков A.B. и др.
3. Патент РФ №2205474 МКИ H01L41/09, Н02 N 2/00. Устройство для микроперемещений / Липанов A.M., Гуляев П.В., Шелковников ЕЛО. и др.
4. Липанов А. М., Гуляев П. В., Шелковников Е. Ю. Прецизионный пьезодвигатель наноперемещений для сканирующего туннельного микроскопа// Датчики и системы. -2004. - №9.-С. 30-33.
5. Патент РФ №2269803 МГ1К G02B 21/20, G01N 13/10, H01J 37/26. Устройство управления скоростью сканирования туннельного микроскопа / Липанов A.M., Гуляев П.В., Гудцов Д.В. и др.
6. Парк, Куэйт. Теория цепи обратной связи и системы виброизоляции растрового туннельного микроскопа// ПНИ, 1984. -№11.- С.20-26.
7. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972.- 768 с.
8. Сканирующий зондовый микроскоп. Руководство пользователя P47-SPM-MDT.-ИФП, NT-MDTCo, Зеленоград, 1997.- С.57-60.
9. Nagaoka К. et al. Field Emission Spectroscopy From Field-Enhanced Diffuson-Growth Nano-Tips//Applied Surface. Science.- 2001.-V. 182.-P. 12-19.
SUMMARY. The subsystem for obtaining the measuring data of the STM-W5 program package is observed in this paper. The algorithms proposed for approaching the tip and sample under conditions of emission, non-linear scanning (with following switch to linear adaptive scanning), controlling the sharpness and sharpening the probes allowed to increase the rate and precision of tip-sample approaching process and reduce the time of scanning the surface of the sample. Increasing the safety of the tip edge and space resolution of Scanning Probe Microscope was achieved simultaneously.
