Текст книги "Патентование изобретений в области высоких и нанотехнологий"

Глава 8 Высокотехнологичные процессы для решения промежуточных задач в сложных комплексах

Помимо изложенных подходов к патентованию высокотехнологичных комплексов может возникнуть ситуация, когда частное решение, необходимое для достижения общей задачи, само по себе патентоспособно и может быть использовано самостоятельно. Проиллюстрируем это следующими примерами. При работе сканирующего зондового микроскопа в условиях высокого или сверхвысокого вакуума обычно требуется финишная подготовка зондов перед взаимодействием их с рабочей поверхностью образца. В качестве зондов часто используются химически заостренные вольфрамовые иглы. Их острия на воздухе, откуда происходит загрузка в вакуумный комплекс, быстро окисляются. Для повышения точности измерения необходимо этот окисел снимать. Традиционный путь заключается в радиационном нагреве острия или обработке его электронным пучком. Такой вариант напрямую запатентовать трудно из-за его известности. Рассмотрим подход к созданию технологии финишного формирования острия и ее патентование. Следует заметить, что саму вольфрамовую иглу без ее промежуточного держателя транспортировать внутри вакуумной камеры практически невозможно. Следовательно, иглу необходимо закреплять в такой держатель. В одном из вариантов держатель был изготовлен из металла. При проведении экспериментов с таким держателем выяснилось, что несмотря на то, что игла на несколько миллиметров выступает за держатель и на первый взгляд поток электронов должен идти на нее, тем не менее, чаще всего он идет именно на держатель. Пришлось держатель изготовить из керамической втулки 1 (рис. 8.1), а иглу 2 закрепить в нем за счет ее изгиба. Когда втулку 1 закрепляли в металлическом манипуляторе 3 и на нерабочий конец 4 иглы 2 подавали от электрода 5 положительное смещение, то с вольфрамовой спирали 6 поток электронов сначала шел на рабочий конец 7 иглы 2. Но через некоторое время испаренный вольфрам иглы 2 и спирали 6 покрывал керамическую втулку 1, она становилась электропроводящей и заземляла электрод 5 через манипулятор 3.

^{Рис. 8.1. Держатель зонда: 1 – керамическая втулка; 2 – игла; 3 – манипулятор; 4 – нерабочий конец иглы; 5 – электрод; 6 – спираль; 7 – рабочий конец иглы}

^{Рис. 8.2. Экранирующий держатель зонда: 1 – экранирующий буртик; 2 – выступ; 3 – втулка; 4 – игла с U-образной пружиной}

Если удавалось изолировать манипулятор 3, то повторялся предыдущий вариант и ток шел на напыленный вольфрам втулки 1. То есть при изготовлении вроде простого модуля высокотехнологичной установки возникает огромное количество проблем. Как уже отмечалось ранее, чем больше проблем, тем проще защитить конечное изделие, решающее эти проблемы.

Решение нашлось благодаря экранирующим буртику 1 (рис. 8.2) и выступу 2, выполненных на втулке 3. При этом иглу 4 с U-образной пружиной закрепляли во втулке 3 с возможностью точной осевой подвижки и только вполне определенное соотношение размеров А и В обеспечило экранирование зоны С и работоспособность устройства, а это позволило привести в описание изобретения [1] их расширенные диапазоны и скрыть ноу-хау.

Также большое количество проблем возникло при подготовке образца к измерению и очистке его методом нагрева. Первый подход заключался в использовании вольфрамовой спирали нагрева 1 (рис. 8.3), расположенной с обратной стороны от поверхности 4 образца 2, закрепленного в держателе 3 [2]. Температуру поверхности 4 образца 2 контролировали термопарой 5, закрепленной в изоляторе 6. Уже используя опыт с испарением вольфрама, были предприняты меры для экранирования поверхности 4 от прямого попадания на нее вольфрама со спирали 1.

^{Рис. 8.3. Нагреватель образца: 1 – спираль; 2 – образец; 3 – держатель; 4 – поверхность образца; 5 – термопара; 6 – изолятор}

^{Рис. 8.4. Устройство прямого нагрева образца: 1 – образец; 2 – держатель; 3 – пружина; 4 – электрод; 5 – оптический пирометр}

Пока измерения проводились с невысокой точностью, такой нагреватель обеспечивал необходимую чистоту измеряемой поверхности 4 образца 2. Когда же измерения вышли на атомарный уровень (в качестве образца использовался кремний), то выяснилось, что молекулы вольфрама, вылетевшие со спирали 1 по сложным траекториям, ударяясь о стенки вакуумной камеры, выбивают из них остаточные загрязнения, которые оседают на поверхности 4. Пришлось кардинально менять схему нагрева и пропускать ток непосредственно через образец.

Во втором случае образец (кремний) был изготовлен в виде полоски 1 (рис. 8.4) и закреплялся первым концом в держателе 2 пружиной 3. При этом второй конец образца 1 присоединяли к электроду 4.

Между держателем 2 и электродом 4 пропускали электрический ток, образец 1 нагревался, а его температура контролировалась оптическим пирометром 5. При кажущейся простоте схемы обеспечить ее работоспособность оказалось очень сложно. При увеличении тока до необходимого уровня образец 1 приваривался к электроду 4. При уменьшении тока образец 1 не нагревался до нужной величины. Для уменьшения теплоотвода от образца 1 ослабляли пружину 3, но образец 1 при этом недостаточно надежно держался в держателе 2. При увеличение силы прижатия пружиной 3 увеличивалась неравномерность зоны нагрева образца 1, прилегающей к пружине 3.

^{Рис. 8.5. Зонд на основе кварцевого резонатора: 1 – первая игла; 2 – первое плечо; 3 – кварцевый резонатор; 4 – вторая игла; 5 – второе плечо}

И только определенные соотношения размеров А, В, С, а также усилие пружины 3 и форма электрода 4 обеспечили надежную работу этого устройства. Именно эти значения удалось скрыть в виде ноу-хау в патенте [3], задав их расширенные диапазоны.

Большое количество проблем возникло также при изготовлении зондов на основе кварцевых резонаторов. Первую иглу 1 (рис. 8.5) необходимо было закрепить на первом плече 2 U-образного кварцевого резонатора 3. Диаметр иглы может быть менее 100 мкм, а длина ее свободного конца А – в пределах 200–300 мкм. В качестве клея использовались составы на основе эпоксидной смолы. Если такую иглу и удается без нарушения острия установить на место склейки, то удержать ее в исходном положении в процессе полимеризации практически невозможно. Затвердевающий клей перемещает иглу неопределенным образом, в результате чего она меняет свое местоположение и все устройство становится неработоспособным.

Решение этой проблемы было найдено случайно, когда возникла необходимость использовать магнитные иглы, закрепленные на разных плечах кварцевого резонатора 3. В этом случае после установки второй иглы 4 на второе плечо 5 на клей они ориентируются друг относительно друга по одной линии. Правда, возникает дополнительная проблема, заключающаяся в том, чтобы иглы не притянулись друг к другу. Ее решение было найдено благодаря конкретным размерам игл, степени их намагниченности, определенным густоте клея и зазору В. Эти соотношения и были предметом ноу-хау в патенте [4].

Следующая проблема таких зондов заключается в том, что в условиях термоциклирования (использования их при низких температурах с периодическим извлечением на воздух) иглы через некоторое время эксплуатации отваливаются от кварцевого резонатора. Решение этой проблемы было найдено за счет изготовления пазов 1 и 2 (рис. 8.6) в плечах 3 и 4 кварцевого резонатора 5, что привело к более надежному закреплению в них игл 6 и 7.

Кроме этого, была введена регулировка добротности кварцевого резонатора за счет соединения игл 6 и 7 упругим элементом 8. Наиболее трудным в этом изобретении было решить проблему изготовления пазов 1 и 2, что и стало предметом ноу-хау в патенте [5].

^{Рис. 8.6. Зонд на основе кварцевого резонатора с пазами: 1,2 – первый и второй пазы; 3,4 – первое и второе плечи кварцевого резонатора; 5 – кварцевый резонатор; 6, 7 – первая и вторая иглы; 8 – упругий элемент}

^{Рис. 8.7. Криогенный ввод: 1 – вход; 2 – первая камера; 3 – первые шарики; 4, 5, 6 – отверстия; 7 – цилиндрическая стенка; 8 – вторая камера; 9 – вторые шарики; 10 – выходы}

И последний пример касается криогенного ввода (рис. 8.7), в котором жидкий гелий или азот через вход 1 поступает в первую камеру 2, заполненную первыми шариками 3 с диаметрами d₁. После этого хладагент через отверстия 4, 5, 6 в цилиндрической стенке 7 поступает во вторую камеру 8, заполненную вторыми шариками 9 с диаметрами d₂ > d₁, и далее на выходы 10.

Возможно также введение в камеры 2 и 8 дополнительных перегородок с отверстиями разного диаметра (не показано). Все эти меры направлены на увеличение длины проходных отверстий и, соответственно, эффективности использования хладагента. При этом соотношения размеров шариков 3 и 9, отверстий 4, 5, 6 и другие геометрические параметры оказывают очень важное влияние на получение предельных температур криогенного ввода.

Общий вывод, который следует из опыта разработки и патентования высокотехнологичных устройств, заключается в том, что довольно часто новизна и изобретательский уровень обеспечиваются сами по себе в ходе решения высокотехнологических задач, при этом удается скрыть ноу-хау за счет расширения диапазона значений критических параметров.

Литература

1. Патент RU2208845. Носитель проводящих зондов для сканирующих зондовых микроскопов. 01.11.2001.

2. Патент RU2169440. Устройство нагрева для сканирующих зондовых микроскопов. 22.04.1999.

3. Патент RU2218562. Устройство нагрева для сканирующих зондовых микроскопов. 01.11.2001.

4. Патент RU2208763. Зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа. 20.07.2003.

5. Патент RU2297054. Зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа. 24.08.2005.

6. Патент RU2254622. Криогенный ввод. 26.09.2003.

Глава 9 Основные блоки высокотехнологичных комплексов

Как уже было отмечено, патентование новых модулей высокотехнологичных систем (комплексов) не вызывает затруднений, а как быть, если в этих комплексах используются традиционные модули (блоки) для решения традиционных задач. Причем, в первом приближении нет какой-либо необходимости адаптации такого модуля под специфику новой системы. При этом необходимо обеспечить новизну создаваемого оборудования, то есть исключить вероятность использования чужих патентов на составные части комплекса. Традиционный подход заключается в проведении патентных исследований на новизну всего комплекса. Это очень сложная и трудоемкая работа, кроме этого, даже проведя ее, нельзя гарантировать, что проанализированы все известные решения.

В этом случае целесообразен следующий подход. Для того модуля, по которому нет уверенности в его новизне, можно расширить число решаемых им задач, пусть даже и не столь необходимых для его функционирования в настоящее время. Более того, не все задачи надо сразу решать практически. Можно оформить заявку на изобретение модернизированного известного модуля и отложить ее рассмотрение по существу, что допускается патентным законодательством. При этом чтобы не тормозить общую разработку нового комплекса, можно использовать на начальном этапе его создания известный модуль, пусть даже и порочащий новизну всего комплекса. Параллельно нужно вести модернизацию этого известного модуля. Цикл разработки высокотехнологичных комплексов близок к трем годам, это как раз то время, которое дается по закону на доработку изобретения. Таким образом, при завершении разработки новой высокотехнологичной системы и выходе ее на рынок может быть завершена доработка известного модуля и получен патент. При этом этот модуль может быть использован в комплексе без опасения нарушения чужих прав на интеллектуальную собственность.

Варианты постановки новых задач рассмотрим на примере использования пьезосканеров в сканирующих зондовых микроскопах (СЗМ). Пьезосканер является одним из основных узлов СЗМ. Он обеспечивает взаимное точное перемещение зонда и образца и представляет собой чаще всего трубку 1 (рис. 9.1), выполненную из пьезокерамики, – материала, который меняет свои размеры при изменении электрического поля внутри него.

^{Рис. 9.1. Трубочный пьезосканер: 1 – пьезокерамическая трубка; 2 —внутренний электрод; 3 – внешний электрод; 4 – первая выборка; 5 – вторая выборка; 6 – первая часть трубки; 7 – вторая часть трубки; 8 – осевая выборка}

Для этого на пьезотрубку 1 наносят внутренний 2 и внешний 3 электроды, в которых по диаметру делают первую 4 и вторую 5 выборки, разделив пьезотрубку 1 тем самым на первую 6 и вторую 7 части. Одновременно в первой части 6 делают четыре осевые выборки 8 во внутреннем электроде 2 и расположенные напротив них четыре осевые выборки во внешнем электроде 3 (не показаны). В результате этого первая часть 6 пьзотрубки делится на четыре фрагмента. Теперь, если подавать напряжения на электроды таким образом, чтобы противоположные фрагменты пьезотрубки изменяли свои размеры в противоположных направлениях (один фрагмент удлинялся, а другой укорачивался), то торец первой части 6 будет перемещаться в своей плоскости относительно торца второй части 7.

Если закрепить один торец пьезотрубки 1 и задействовать все ее фрагменты, то можно осуществлять двухкоординатное сканирование второго ее торца. А если еще использовать вторую часть 7 пьезотрубки 1, то можно дополнительно осуществлять осевое перемещение второго торца.

Варианты однотрубочных пьезосканеров, сборок из нескольких пьезосканеров соединенными фланцами и т. п. были разработаны и запатентованы в самом начале развития сканирующей зондовой микроскопии [1,2].

Первый путь, по которому можно пойти для выхода из-под действия этих патентов, заключатся в том, чтобы вносить незначительные изменения в конструкцию с улучшением не основных ее характеристик. В патенте [3] были улучшены условия соединения пьезотрубок 1, 2 (рис. 9.2) с металлическим фланцем 3 за счет использования специальных клеевых составов и специальных форм зон соединения 4.

В патенте [4] были уменьшены нефункциональные перемещения пьезосканера за счет использования плоских пружин 1 (рис. 9.3), соединяющих металлический фланец 2 и базовое основание 3.

При этом первая пьезотрубка 4 имеет осевое перемещение, а вторая пьезотрубка 5 – перемещения в плоскости своего торца 6. Плоские пружины 1 разрешают осевое перемещение и запрещают все другие. Благодаря этому уменьшаются нефункциональные перемещения первой пьзотрубки 4 и, соответственно, улучшаются точностные характеристики пьезосканера.

^{Рис. 9.2. Многотрубочный пьезосканер: 1 – первая пьезотрубка; 2 – вторая пьезотрубка; 3 – фланец; 4 – зона соединения}

^{Рис. 9.3. Пьезосканер с плоскими пружинами: 1 – плоская пружина; 2 – фланец; 3 – основание; 4 – первая пьезотрубка; 5 – вторая пьезотрубка; 6 – торец второй пьезотрубки}

^{Рис. 9.4. Термозащищенный пьезосканер: 1 – спираль; 2 – хладопровод; 3 – пьезотрубка; 4 – образец; 5 – фланец}

В патенте [5] были разработаны меры, обеспечивающие работу пьезосканера в условиях высокотемпературных воздействий на образец. Это было достигнуто за счет экранирования спирали 1 (рис. 9.4) специальным хладопроводом 2, который защищал пьезотрубку 3 от перегрева. Хладопровод 2 присоединялся к криостату (не показан). При этом образец 4, расположенный на фланце 5, можно было нагревать до нужных температур.

В патенте [6] были введены ограничители перемещения 1 (рис. 9.5), закрепленные, например, на основании 2 и сопряженные с датчиками перемещения 3 и демпферами 4, установленными на пьезосканере 5. Следует заметить, что возможен вариант, в котором ограничители 1 могут быть установлены на пьезосканере 5, а датчики 3 – на основании 2, также может быть смешанный вариант.

^{Рис. 9.5. Пьезосканер с повышенной надежностью: 1 – ограничитель перемещения; 2 – основание; 3 – датчик перемещения; 4 – демпфер; 5 – пьезосканер}

Ограничители 1 предохраняют пьезосканер 5 от разрушения при увеличении его перемещения в плоскости своего торца больше допустимого, а демпферы 4 уменьшают его добротность, а значит и продолжительность его нефункциональных колебаний. Это приводит к уменьшению неконтролируемых перемещений пьезосканера 5 и, соответственно, к повышению точности его перемещений.

Хоть эти решения и позволяли получать патенты, однако часто использовали все признаки независимого пункта формул изобретения прототипов. То есть, не нарушая патента, разработчик в этом случае попадал под риск выплаты авторам прототипа вознаграждения за использование его технического решения.

Другой путь при разработке заключается в постановке принципиально новой дополнительной задачи известному модулю. Пусть даже эта задача в настоящее время является недостаточно востребованной. Одной из таких задач для пьезосканера является вращение его торца вокруг своей оси при сохранении двухкоординатного X– и Y-перемещения. Это может пригодиться при работе с линейкой или матрицей зондов для их углового совмещения с массивом элементов. Такое решение было найдено за счет того, что пьезотрубка 1 (рис. 9.6) была разделена четырьмя сквозными пазами 2.

^{Рис. 9.6. Пьзосканер с поворотом вокруг своей оси: 1– пьезотрубка; 2 – сквозной паз; 3 – фрагмент пьезотрубки; 4 – внутренний электрод; 5 – наружный электрод}

При этом на каждом фрагменте 3 было сформировано по два внутренних электрода 4 и по два наружных электрода 5. В этом случае каждый фрагмент 3 приобретал возможность дополнительного изгиба в плоскости, близкой к его цилиндрической поверхности. При одинаковом включении всех четырех фрагментов 3 они осуществляли синхронный изгиб, а торец пьезотрубки 1 – поворот вокруг своей оси [7].

Следует заметить, что традиционный изгиб пьезотрубки 1 для перемещения в плоскости XYсохранился, более того, это перемещение еще и увеличилось за счет уменьшения влияния соседних пар фрагментов 3 друг на друга. То есть помимо нового эффекта (поворота) произошло улучшение и основных характеристик всего устройства (увеличение диапазонах– и Y-перемещения).

Вторая нетрадиционная задача для пьезосканера заключалась в обеспечении плоскопараллельного перемещения его торца. Это необходимо в том случае, если на пьезосканере, как и в предыдущем случае, закреплена линейка или матрица зондов и необходимо в процессе сканирования обеспечить постоянный зазор между ними и образцом. Решение этой проблемы нашлось благодаря использованию принципа ТРИЗа «наоборот». Первая 1 и вторая 2 (рис. 9.7) пьезотрубки, соединенные фланцем 3, управлялись таким образом, что их изгибы происходили в противофазе.

^{Рис. 9.7. Плоскопараллельный пьезосканер: 1 – первая пьезотрубка; 2 – вторая пьезотрубка; 3 – фланец; 4 – торец}

^{Рис. 9.8. Пьезосканер на основе дисковых пьезобиморфов в обучающем комплексе Нано Эдьюкатор: 1 – первый пьезобиморф; 2 – второй пьезобиморф; 3 – корпус; 4, 5 – упругие торсионы; 6 – подвижный элемент}

При этом наклоны их торцов компенсировались, в результате чего суммарное перемещение торца 4 осуществлялось плоскопараллельно [8].

Другой подход при разработке и патентовании основных блоков новых систем может заключаться в использовании сложно-составных решений. В патентах [9, 10] вместо пьезотрубки использовались пьезобиморфы 1 и 2 (рис. 9.8) ввиде дисков, закрепленных по периферии в корпусе 3. Центры дисков упругими торсионами 4 и 5 соединялись с подвижным элементом 6. Когда к пьезобиморфам 1 и 2 прикладывали напряжения, они принимали выпуклую форму и перемещали элемент 6 по двум координатам.

Технический эффект по сравнению с пьезотрубкой у такого пьезосканера был в увеличении диапазона перемещения.

^{Рис. 9.9. Схема двойного сканирования в нанолаборатории Integra: 1 —первый пьезосканер; 2 – образец; 3 – второй пьзосканер; 4 – зонд; 5,6 – плоскости торцов пьезосканеров}

Второе составное решение при сканировании было осуществлено благодаря использованию первого пьезосканера 1 (рис. 9.9) с образцом 2 и второго пьезосканера 3 с зондом 4, расположенных друг напротив друга [11].

При одновременном сканировании в противофазе увеличивался диапазон сканирования. Помимо этого плоскости торцов 5 и 6 оставались параллельными друг другу.

Также сложно-составное решение было найдено при создании активного зонда на основе пьезотрубки. В нем игла 1 (рис. 9.10) была закреплена не на кварцевом резонаторе (традиционное решение), а внутри пьезотрубки 2, которая, как и кварцевый резонатор формировала колебательный режим иглы. Благодаря этому расширились функциональные возможности зонда за счет простоты смены вышедшей из строя иглы.

^{Рис. 9.10. Зонд на основе пьезотрубки, изготовленный электрохимическим методом с помощью автоматического устройства травления с кольцевым электродом: 1 – игла; 2 – пьезотрубка; 3 – устройство травления; 4 – кольцевой электрод}

Пьзотрубка 2 помимо обеспечения колебательного режима зонда дополнительно могла его перемещать за счет своего изгиба, что расширяло функциональные возможности зонда в патенте [12].

При заточке иглу 1 устанавливали в устройство травления 3, которое обеспечивало автоматические перемещения иглы 1 в кольцевом электроде 4. Необходимость оперативной вторичной заточки игл позволила дополнительно получить патент [13] на устройство травления благодаря автоматическому режиму работы, необходимому для его использования в лабораторных условиях.

Еще более кардинальное решение по изготовлению зондов было найдено в патенте [14], где зонды 1 (рис. 9.11) были закреплены на диске 2, установленном на основании 3 с возможностью вращения относительно центра О.

Не менее оригинальное решение было найдено в патенте [15], где зонды 1 (рис. 9.12) закреплялись на плоских пружинах 2 в корпусе 3. Подъем зондов 1 осуществлялся в момент их контактов с толкателем 4, закрепленным на вращающемся диске 5.

^{Рис. 9.11. Дисковый зонд: 1 – зонд; 2 – вращающийся диск; 3 – основание}

^{Рис. 9.12. Веерный зонд: 1 – зонд; 2 – плоская пружина; 3 – корпус; 4 – толкатель; 5 – вращающийся диск}

В обоих случаях смена зондов могла осуществляться автоматически, что важно для их использования в экстремальных условиях (высоком вакууме, низких температурах и т. п.).

Из приведенных примеров следует вывод, что выход из под блокирующих патентов осуществим в том случае, если есть возможность постановки новой задачи и, соответственно, ее решения при существенной модернизации известного блока высокотехнологичного комплекса. То же можно отнести и к устройствам, предназначенным для самостоятельного использования.

Литература

1. Патент US5103094. Compact temperature-compensated tube-type scanning probe with large scan range. 02.05.1991.

2. Патент US5200617. PMN translator and linearization system in scanning probe. 13.04.1992.

3. Патент RU2199171. Пьзосканер. 12.04.2001.

4. Патент RU2231095. Устройство перемещения. 15.04.2002.

5. Патент RU2169401. Сканер термокомпенсированный. 22.04.1999.

6. Патент RU2282258. Устройство перемещения.09.09.2004.

7. Патент RU2248628. Пьзосканер многофункциональный и способ сканирования в сканирующей зондовой микроскопии. 15.10.2003.

8. Патент RU2227363. Пьзосканер с трехкоординатным плоскопараллельным перемещением в плоскости объекта. 02.10.2002.

9. А.С. СССР № 1453457. Сканирующий туннельный микроскоп. 06.03.1987.

10. Патент RU2297078. Позиционер трехкоординатный. 08.11.2005.

11. Патент RU2282902. Способ сканирования объектов с помощью СЗМ. 18.11.2004.

12. Патент RU2300150. Зонд на основе пьезокерамической трубки для СЗМ. 08.11.2005.

13. Патент RU2358239. Устройство для изготовления и контроля зондов. 11.08.2006.

14. Патент RU2244256. Многозондовый датчик контурного типа для СЗМ. 05.06.2003.

15. Патент RU2306524. Многозондовый модуль для СЗМ. 29.06.2006.