Введение к работе
Актуальность работы
Для понимания свойств любого объекта необходимо знание его атомной структуры, поэтому исследование поверхностных структур -один из наиболее важных разделов физики поверхности. В настоящее время физика поверхностных явлений является одним из наиболее бурно развивающихся разделов науки. Фундаментальные исследования в этой области заложили основу для успешного развития современной микро- и наноэлектроники.
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) способны как измерять рельеф с атомарным разрешением, так и модифицировать его, что позволяет рассматривать данные приборы как один из базовых инструментов нанотехнологии. Однако существует ряд проблем физического характера, накладывающих ограничения на функциональные возможности прибора. Например, одним из критических узлов современных СЗМ является система позиционирования зонда, на работу которой оказывают влияние многочисленные негативные факторы: термодрейфы, шумы, внешние акустические и механические вибрации, нелинейность, гистерезис, ползучесть (крип) и перекрестные помехи используемых пьезоманипуляторов. В результате уменьшается достоверность измерений, ухудшается точность и снижается предельное разрешение прибора.
В настоящее время задача получения корректного изображения рельефа поверхности решается посредством компьютерной обработки полученных данных с использованием компенсирующих или исправляющих моделей, а также посредством использования аппаратных средств пассивной или активной коррекции.
Аппаратные и программные методы подавления этих погрешностей обеспечивают уникальные возможности, связанные с созданием и отработкой процессов изготовления, исследования свойств наноэлектронных элементов, микро- и наноэлектромеханических систем и т.д. Уменьшение влияния погрешностей позволяет расширить спектр исследуемых характеристик микро- и наноструктур.
Цель работы
Целью работы является исследование механизмов температурной нестабильности и разработка специализированных интегральных схем,
реализующих методы уменьшения температурного дрейфа зонда относительно образца в СЗМ.
Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи:
1. Исследование современных методов уменьшения
воздействия негативных факторов, влияющих на точность системы
позиционирования.
Анализ возможных способов высокоточного поддержания температуры на образце, разработка, моделирование и реализация комплекса специализированных интегральных схем, работающих совместно с микроконтроллером общего назначения, выполняющих метод высокоточного поддержания температуры.
Исследование механизмов температурной нестабильности внутри электронных систем управления и считывания данных, влияющих на точность системы позиционирования.
4. Исследование и разработка метода уменьшения
температурного дрейфа, связанного с влиянием градиента температуры
внутри измерительного блока.
5. Разработка и апробация методики калибровки измерительной
части термоконтроллера повышенной точности.
6. Экспериментальная апробация разработанных методов при
создании термоконтроллера повышенной точности, работающего в
составе со сканирующими зондовыми микроскопами «Интегра» и
«Солвер некст».
Научная новизна работы.
Разработана с использованием языка высокого уровня модель, описывающая способ высокоточного поддержания температуры на поверхности образца, реализуемый на основе системы специализированных микросхем.
Установлена и исследована зависимость температурного дрейфа кантилевера относительно образца в сканирующем зондовом микроскопе от температурной нестабильности блока обработки информации.
Предложен метод повышения точности измерения температуры исследуемого образца, базирующийся на термостабилизации измерительной части термоконтроллера сканирующего зондового микроскопа.
4. Предложена методика калибровки измерительной части термоконтроллера, обеспечивающая повышенную точность измерения температуры в расширенном диапазоне (от -200 до + 300 С).
Практическая значимость работы.
1. Разработанные в диссертации методы явились научно-
технической основой для создания и серийного производства ЗАО «Нанотехнология МДТ» изделий BTC01NXT, BTC015NTF и BTC05NTF, работающих совместно со сканирующими зондовыми микроскопами «Солвер некст» и «Интегра».
2. Разработана программа для ЭВМ, позволяющая проводить
расчет калибровочных коэффициентов и обеспечивающая повышение надежности и ускорение процесса калибровки термоконтроллера повышенной точности. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010616230 от 20 сентября 2010г.
3. Разработанные в диссертации вычислительные модели
управления микросхемами АЦП и ЦАП использованы при модернизации лабораторного практикума по учебной дисциплине «Проектирование полузаказных БИС», входящей в учебный план факультета электроники и компьютерных технологий МИЭТ.
На защиту выносятся положения.
Предложенный метод реализации высокоточного поддержания температуры на поверхности исследуемого образца с использованием разработанной системы специализированных интегральных микросхем и микроконтроллера общего назначения, обеспечивающего выполнение операций с плавающей точкой в пропорционально - интегрально - дифференциальном алгоритме поддержания температур.
Разработанный метод стабилизации градиентов температуры внутри электронных систем управления и считывания данных, обеспечивающий уменьшение температурного дрейфа зонда относительно образца примерно в 8 раз.
3) Методика калибровки измерительной части термоконтроллера, обеспечивающая повышенную точность измерения температуры в расширенном диапазоне (от -200 до + 300 С).
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на Международной научно-
технической конференции «Фундаментальные проблемы
радиоэлектронного приборостроения», INTERMATTC - 2008 (Россия,
Москва, 2008); Ш-й молодежной международной научной конференции
«Тинчуринские чтения» (Россия, Казань, 2008); Всероссийской научно-
практической конференции молодых ученых и специалистов
«Приоритетные направления современной российской науки глазами
молодых ученых» (Россия, Рязань, 2009); 52 -й научной конференции
МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»
(Россия, Москва, 2009); Всероссийской молодежной выставке-конкурсе
прикладных исследований, изобретений и инноваций (Россия, Саратов,
2009); 17-й Всероссийской межвузовской научно-технической
конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и
информатика - 2010" (Россия, Москва, Зеленоград, 2010);
Международной молодежной научной конференции по
естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу
- творчество молодых» (Россия, Республики Марий Эл, Йошкар-Ола,
2010)
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 12 работ, включая 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, 9 - в специализированном сборнике научных трудов, в материалах, сборниках научных трудов и тезисах докладов научно-технических конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Объем работы составляет 131 страницу, работа содержит 92 рисунка, 14 таблиц, список цитируемых источников из 109 наименований, приложения занимают 41 стр.
