Разработка криовакуумного обеспечения нанотехнологических установок

• Автор: Сабирзянов, Наиль Ринатович
• Шифр специальности: 05.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 176 с. : ил.

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ф I. СКАНИРУЮЩИЕ ЗОНДОВЫЕ МИКРОСКОПЫ. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

II. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАНОИНДУСТРИИ В РОССИИ В ПРИМЕНЕНИИ К СЗМ

II. 1. Нанотехнологическая установка «Луч-2»

ІІ.2. Установка «Femto Scan»

И.З. Установка СММ-2000

11.4. Микрозондовая приставка высокого разрешения для растровых электронных микроскопов МПВРРЭМ-3

11.5. Установка GPI

11.6. Вакуумный СЗМ комплекс «Ntegra Aura»

П.7. СЗМ комплекс температурных измерений «Ntegra Therma»

® II.8. СЗМ «Solver HV»

II.9. Выводы по главе
III. АНАЛИЗ СЗМ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ДАННОГО ВИДА ОБОРУДОВАНИЯ
III. 1. Установки, в которых HT ступень расположена в вакуумной камере
III.2 Установки, в которых HT ступень расположена в сосуде Дыоара
111.3. Серийно выпускаемые сверхвысоковакуумные HT СЗМ
111.4. Выводы по главе
IV. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ
® IV. 1. Необходимые условия для проведения эксперимента
IV.2. Состав оборудования установки. Принципиальная схема
IV.3. Тестирование сканера при атмосферном давлении и комнатной температуре. Сравнение
результатов с результатами, полученными на аналогичном оборудование
IV.4. Итоги
V. ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ
Выводы по главе

VI. РАСЧЕТ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ И СИСТЕМЫ КРИОСТАТИРОВАНИЯ
VI. 1. Тепловой расчет
VI.2. Вакуумный расчет установки
VI.2.1 Упрощенный вакуумной расчет по аналитическим соотношениям
VI.2.2. Численный вакуумный расчет
VI.3. Выводы по главе
VII. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ КРИОСОРБЦИОННОГО МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХВЫСОКОГО
ВАКУУМА
П1.1. Практические проблемы при реализации криосорбционного метода откачки
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА
ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ СИСТЕМ
П2.1. Основы вывода аналитических соотношений
П2.2. Аналитические соотношения, полученные в работе
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ВАКУУМНЫЙ РАСЧЕТ
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ
ЛИТЕРАТУРА

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 3Не, 4Не - изотопы гелия;
ACM - атомно-силовой микроскоп;
ИГН - ионно-гетгерный насос;
МЭН - магнито-электроразрядный насос;
СТМ(СЗМ) - сканирующий туннельный (зондовый) микроскоп;
СЭМ - сканирующий электронный микроскоп;
ТМН - турбомолекулярный насос;
AES - Оже-спектрометр;
А - площадь поверхности, м2;
Beetle type scanner - конструкция головки, разработанная К. Besocke;
CF - Con Flat, стандарт, применяемый в вакуумной технике;
D - диаметр, м;
е - коэффициент лучеиспускания;
ex situ, in situ, in vitu - термины, обозначающие определенный способ проведения эксперимента;
*кГц - собственная частота микроскопа, кГц;
Н - наличие сверхпроводящего соленоида и его максимальное магнитное поле, Т; I - туннельный ток, А;
“Inchworm” - один из видов конструкции механизма грубого подвода;
IR Beam - ИК излучатель;
L - длина, м;
LEED - low energy electron diffraction. Установка получения изображения дифракции электронов малых энергий;
LHe, LN2 - соответственно жидкий гелий и жидкий азот;
Pmin - минимально возможное давление в вакуумной камере, Па;
Р - давление, Па;
Q - тепловой поток к (от) поверхности, Вт;
QMS - квадрупольный масс-спектрометр;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К);
Sud - показатель наличия в установке вспомогательного криоагента;
Т - температура, К;
tfiii - время работы установки до долива криоагента, ч;
Ттах - максимально возможная температура отжига вакуумной камеры, К;
Ts,max - максимально возможная температура прогрева образца, К;
Tmin - минимальная температура образца, К;
U - напряжение, В;
Vm (Vs) - объем емкости основного (вспомогательного) криоагента, л;
X, Y, Z - координаты, м;
а - коэффициент пропускания структуры (коэффициент Клаузинга);
Р - коэффициент отражения структуры; у - коэффициент прилипания поверхности; о - коэффициент захвата структуры; р - молярная масса, кг/моль;
X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К). т - время охлаждения до рабочей температуры, ч;
Система охлаждения. Для охлаждения СТМ применяется сорбционный рефрижератор. В качестве рабочего вещества использован 3Не. Рефрижератор установлен в вакуумной камере, которая погружена в ванну с жидким гелием. Емкость с 3Не откачивается сорбционным насосом 9, в качестве сорбента использован активированный уголь. Насос может перемещаться по длине горловины в рабочую или нерабочую позиции (см. рис. 3.12). Температура, достигаемая при охлаждении, - 240 мК. Вторая ступень охлаждения также представляет собой сосуд с 4Не, который откачивается ротационым насосом с быстротой действия 125 л/с. Температура во второй ступени может достигать 1,2 К. Первая ступень охлаждения представляет собой сосуд Дьюара с жидким гелием. Благодаря такой компоновке СТМ охлаждается до базовой температуры менее 36 ч. Все материалы, применяемые в СТМ и криостате, немагнитные.
Система виброизоляции. Микроскоп прикрепляется к медной раме, которая присоединяется к третьей ступени охлаждения. Установка смонтирована на столе 10 массой около 500 кг. Стол, в свою очередь, установлен на трех пневморазвязках 11, которые поддерживаются бетонными столбами 12. Бетонные столбы имеют специальные опоры 13, представляющие собой комбинацию резиновых и стальных прокладок.
Основные характеристики. Низкая минимальная температура. Наличие СП соленоида. Относительно высокое давление в системе. Необходимость ис-пользования Не. Достаточно сложная конструкция. Отсутствие дополнительного оборудования для подготовки и изучения поверхности.
Низкотемпературный АСМ с пьезорезистивным кантилевером [26] Общее описание. АСМ работает при температуре 77 К внутри сосуда Дьюара с жидким азотом (рис. 3.14). В нем применен пьезорезистивный кантиле-вер, что облегчает его эксплуатацию при низких температурах. Конструкция АСМ показана на рис. 3.15. Основными его частями являются симметричный сканер, который держит пьезорезистивный кантилевер и контролирует его положение, держатель образца, механизм грубого подвода и поддерживающая база с электрическими разъемами 3 (см. рис. 3.15).