DE102005003684A1

DE102005003684A1 - Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie

Info

Publication number: DE102005003684A1
Application number: DE200510003684
Authority: DE
Inventors: Masato Iyoki; Akihiko Hidaka; Kazutoshi Watanabe
Original assignee: SII NanoTechnology Inc
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: CN1654920A; JP4546108B2; KR101122371B1; KR20060041871A; US7288762B2; DE102005003684B4; CN100485311C; US20050231066A1; JP2005227170A

Abstract

Die Erfindung stellt einen Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie mit hoher Steifigkeit und einem hohen Maß an Messgenauigkeit bereit, bei dem ein Dehnmessstreifen-Versatzsensor, der in einem kleinen Raum eingebaut werden kann, so ausgeführt ist, dass ein Temperaturausgleich erzielt wird. Der aus einem piezoelektrischen Gerät bestehende Feinjustierungsmechanismus ist mit mindestens einer zweiteiligen Elektrode versehen. Eine der Elektroden ist als Blindelektrode konfiguriert, an die keine Spannung angelegt wird, und die andere Elektrode ist als aktive Elektrode konfiguriert, die eine Zugspannung erzeugt, wenn eine Spannung angelegt wird. Einer oder zwei Widerstände sind jeweils an der aktiven Elektrode und der Blindelektrode angebracht und eine Brückenschaltung wird durch die Widerstände konfiguriert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie zum Abtasten einer Probe durch Justieren der relativen Positionen einer Sonde und der Probe mit einem Feinjustierungsmechanismus zur Ausführung von Messungen der Rauheit oder physikalischer Eigenschaften der Probenoberfläche, zur Bearbeitung der Probenoberfläche, oder der Bewegung einer Substanz auf der Probenoberfläche durch die Verwendung einer Sonde.

Bei einem Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie im Stand der Technik wird beispielsweise ein zylindrisches piezoelektrisches Gerät wie in den 8 und 9 dargestellt verwendet (siehe z. B. die Patentveröffentlichung Nr. 2598665, S. 4, 1). 8A ist eine Schnittansicht eines zylindrischen piezoelektrischen Geräts und 9 ist der Plan einer Abwicklung einer Außenumfangsfläche. Bei dieser verwandten Technik ist eine gemeinsame Elektrode 82 im Innern eines piezoelektrischen Geräts 81 bereitgestellt, das mit einer hohlzylindrischen Form ausgebildet ist, und eine äußere Elektrode ist mit einer Zweiebenenstruktur ausgeformt, die ein bandförmige Elektrode 83 enthält, die sich entlang des Umfangs auf einer ersten Ebene erstreckt, und eine Elektrode 84, die den Umfang in vier Teile auf der zweiten Ebene teilt.

Die bandförmige Elektrode 83 des zylindrischen piezoelektrischen Geräts 81 wird mit einer Polenbehandlung gleichmäßig von der inneren Elektrode 82 zur äußeren Elektrode 83 aufgebracht, und die Quadrantenelektrode 84 wird mit einer Polenbehandlung aufgebracht, so dass zwei Satz Elektroden 84a, 84c und 84b, 84d, die sich auf den gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Mittelachse befinden, entgegengesetzte Polaritäten zur inneren Elektrode 82 haben. Die in 8A angedeuteten Pfeile markieren die Richtungen des Polens jeder Elektrode und die Plus- und Minuszeichen in 9 repräsentieren die Polaritäten des Polens in Richtung der Außenumfangsfläche.

Wenn eine Potentialdifferenz zwischen der inneren Elektrode 82 und der bandförmigen Elektrode 83 auf der ersten Ebene von einer Spannungsquelle 83 anliegt, wird eine Zugspannung in Dickenrichtung in dem Bereich erzeugt, in dem die bandförmige Elektrode 83 entlang des gesamten Umfangs angeordnet ist, und folglich wird das zylindrische piezoelektrische Gerät 81 in Richtung der Mittelachse (im Folgenden als Z-Richtung bezeichnet) verschoben.

Wenn eine Spannung zwischen zwei entgegengesetzten Elektroden 84a, 84c und 84b, 84d der Quadrantenelektrode 84, die auf der zweiten Ebene angeordnet ist, von den Spannungsversorgungen 86, 87 angelegt wird, dehnt sich eine der Elektroden in axialer Richtung aus und die andere Elektrode zieht sich in axialer Richtung zusammen, wie in 8B dargestellt ist, wodurch das zylindrische piezoelektrische Gerät relativ zur axialen Richtung gebogen wird. Wenn das distale Ende 81a des zylindrischen piezoelektrischen Geräts als festes Ende fixiert ist und das proximale Ende 81b desselben als freies Ende frei bleibt, wird der distale Abschnitt 81b zu einer Bogenform in der durch den bogenförmigen Pfeil in 8B angegebenen Richtung gekrümmt. Wenn der Winkel der Zugspannung sehr klein ist, bewegt sich das distale Ende etwa in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse. Ein Versatz innerhalb einer zweidimensionalen Ebene (im Folgenden als X-Y-Richtung bezeichnet) wird deshalb durch die Quadrantenelektrode 84 erzielt. Norma lerweise ist die Quadrantenelektrode 84 an der Seite des festen Endes vorgesehen und so konfiguriert, dass der Ausgangsversatz durch einen Betrag entsprechend der Länge der bandförmigen Elektrode 83 vergrößert wird.

Bei der Rastersondenmikroskopie werden die Messungen der Rauheit oder physikalischer Eigenschaften der Probenoberfläche, die Bearbeitung der Probenoberfläche, oder der Bewegung einer Substanz auf der Probenoberfläche durch die Sonde ermöglicht, indem die Probe oder die Sonde am distalen Ende des zylindrischen piezoelektrischen Geräts angeordnet und die Probe oder die Sonde veranlasst werden, in X-Y-Richtung abzutasten, während der Abstand in Z-Richtung kontrolliert wird.

Durch die Konfigurierung des Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie mit dem wie oben beschrieben konfigurierten zylindrischen piezoelektrischen Gerät werden die folgenden Vorteile erzielt.

(1) Mit dem piezoelektrischen Gerät wird eine Feinjustierung mit einem hohen Genauigkeitsgrad in der Subnanometer-Größenordung erzielt.
(2) Durch Formen des piezoelektrischen Geräts mit einer zylindrischen Form wird die Steifigkeit der Geräteeinheit erhöht und durch Kombinieren von Feinjustierungsmechanismen in X-, Y- und Z-Richtung zu einer Einheit kann das gesamte Gerät verkleinert und die Steifigkeit des Geräts verbessert werden. Folglich können die schwingungsdämpfende Eigenschaft oder die Abtastgeschwindigkeit verbessert werden.

Wenn jedoch die Sonde und die Probe relativ zueinander durch das piezoelektrische Gerät verschoben werden, resultiert eine nicht lineare Bewegung aufgrund von Hysterese oder Kriecheigenschaften des piezoelektrischen Geräts, wodurch Versatzfehler erzeugt werden.

Deshalb wird ein Kompensationsverfahren durch Berechnung, nachdem eine Hysteresekurve des piezoelektrischen Geräts erstellt worden ist, oder ein Verfahren, bei dem der Versatz des piezoelektrischen Geräts direkt durch einen Versatzsensor gemessen wird, angewendet.

Da bei der Fehlerkompensation durch Berechnung verschiedene Parameter als Faktoren, die die Wirkung des piezoelektrischen Geräts bestimmen, auftreten, wie Schwankungen der Bearbeitung zwischen den Geräten, der Umfangstemperatur, des Abtastbereichs, der Abtastgeschwindigkeit und der Abtastrichtung, ist es schwierig, eine Ausgleichsformel, die sämtliche dieser Parameter berücksichtigt, aufzustellen, so dass keine ausreichende Genauigkeit der Messung erzielt werden kann.

Wenn dagegen ein Versatzsensor integriert wird, wird ein Versatzsensor des Kapazitätstyps, ein Versatzsensor mit linear verstellbarem Differentialtransformator oder ein Wirbelstrom-Versatzsensor verwendet. Diese Sensoren sind jedoch alle voluminös, so dass ein großer Einbauraum erforderlich ist, wodurch die Baugröße des gesamten Geräts zunimmt. Folglich wird die Steifigkeit des Geräts geringer, wodurch die Auflösung oder die Abtastgeschwindigkeit verschlechtert wird. Die Kosten des Versatzsensors selbst sind außerdem hoch.

Ein Verfahren, bei dem ein Dehnmessstreifen verwendet wird, ist als ein Verfahren bekannt, das in einem kleinen Raum implementiert werden kann und die Erkennung des Versatzes auf einfache Weise ermöglicht (siehe z. B. "Revised New Edition: Approach to Measurement of Strain Using a Strain Gauge", Sho Takahashi, Masayasu Kawai, veröffentlicht von Taiseisha, 1. Juni 2001, S. 63; S. 95–97).

Im Allgemeinen wird im Dehnmessstreifen ein Metallwiderstand verwendet. Ein Problem, das in dem Fall auftritt, in dem der Dehnmessstreifen verwendet wird, besteht darin, dass wegen der Verschlechterung des Rauschabstands bei der Messung feiner Zugspannungen keine hohe Auflösung erzielt werden kann und dass sich der Widerstandswert mit der Temperatur erheblich ändern kann, wodurch die Größe des Messfehlers zunimmt.

Deshalb wird im Allgemeinen einen Brückenschaltung mit vier Widerständen konfiguriert, um die Temperatur auszugleichen und den Ausgang zu verstärken.

10 ist eine Zeichnung einer Brückenschaltung, die zur Dehnungsmessung verwendet wird. Der Betrag der Zugspannung der Widerstände R1 bis R4 wird mit ε₁ bis ε₄ angege ben und die Ausgangsspannung e bei Anliegen einer Spannung E an der Schaltung wird durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt. e = Ks/4·(ε1 – ε2 + ε3 – ε4)·E (1)wobei K_s der Faktor des Dehnmessstreifens ist, der für den Typ des Dehnmessstreifens spezifisch ist. Bei der Konfigurierung einer Brückenschaltung ist es erforderlich, Dehnmessstreifen desselben Faktors zu wählen.

Bei der Erkennung einer Zugspannung in Richtung Kompression/Dehnung wird eine Brückenschaltung so konfiguriert, dass die Dehnmessstreifen wie in den 11 bis 15 dargestellt eingebaut werden. In der nachfolgenden Beschreibung wird die im Gerät erzeugte Zugspannung mit ε und die im Dehnmessstreifen aufgrund der Temperaturschwankung erzeugte Temperaturspannung mit ε_T angegeben. Die Verdrahtung zu den Dehnmessstreifen ist nicht dargestellt.

11 zeigt ein Verfahren mit einem Dehnmessstreifen. 11A zeigt ein Verfahren zum Anbringen des Dehnmessstreifens und 11B zeigt ein Verdrahtungsverfahren für den Dehnmessstreifen. Wie aus 11A ersichtlich ist, wird ein Dehnmessstreifen 112 an einem Element 111 angebracht, das sich in Richtung der Mittelachse ausdehnt und zusammenzieht, wie durch einen Pfeil angedeutet und eine Kompressions-/Dehnungsspannung erzeugt. Der Dehnmessstreifen 112 ist mit einem Widerstand 113 in Richtung der Mittelachse ausgebildet, wodurch eine Brückenschaltung gemäß 11B konfiguriert wird. Die von R1 verschiedenen Widerstände sind feste Widerstände. Der Betrag der auf die festen Widerstände wirkenden Zugspannung ist null, die Ausgangsspannung beträgt: e = Ks/4·(ε + εT)·E (2)aus Gleichung (1). Deshalb kann im Fall des Verfahrens mit einem Dehnmessstreifen der Temperaturausgleich durch die Brückenschaltung nicht geleistet werden.

12 zeigt ein Verfahren mit zwei Dehnmessstreifen. 12A zeigt ein Verfahren zum Anbringen der Dehnmessstreifen und 12B zeigt ein Verdrahtungsverfahren für die Dehnmessstreifen. Wie aus 12A ersichtlich ist, werden die Dehnmessstreifen 122, 123 an einem Element 121 angebracht, das sich in Richtung der Achse ausdehnt und zusammenzieht, wie durch einen Pfeil angedeutet und eine Kompressions-/Dehnungsspannung auf eine solche Weise erzeugt, dass die Widerstände 124, 125 in Richtung der Mittelachse und in Richtung senkrecht zur Mittelachse orientiert sind, wodurch eine Brückenschaltung gemäß 12B konfiguriert wird. Die Bezugszeichen R3, R4 stellen feste Widerstände dar, die den gleichen Widerstandswert wie die Dehnmessstreifen haben. Wenn in diesem Fall das Poisson-Verhältnis des Materials durch ν und die Zugspannung in Richtung der Mittelachse durch ε repräsentiert wird, wird die Gleichung e = Ks/4·(1 + ν)ε·E (3)erfüllt. Mit anderen Worten, der Temperaturausgleich wird erzielt und die Ausgangsspannung wird (1 + ν) mal verstärkt.

13 zeigt ebenfalls ein Verfahren mit zwei Dehnmessstreifen. 13A zeigt ein Verfahren zum Anbringen der Dehnmessstreifen und 13B zeigt ein Verdrahtungsverfahren für die Dehnmessstreifen. Wie aus 13A ersichtlich ist, werden in diesem Fall die Dehnmessstreifen 132, 133 an einem Element 131 angebracht, das sich in Richtung der Achse ausdehnt und zusammenzieht, wie durch einen Pfeil angedeutet und eine Kompressions-/Dehnungsspannung auf eine solche Weise erzeugt, dass sich die Widerstände 134, 135 parallel zur Richtung der Mittelachse ausdehnen, wodurch eine Brückenschaltung gemäß 13B konfiguriert wird. Die Widerstände R2, R4 sind feste Widerstände, die den gleichen Widerstandswert wie die Dehnmessstreifen haben. Die Ausgangsspannung beträgt in diesem Fall: e = Ks/4·2(ε + εT)·E (4)

Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung wird verdoppelt und der Betrag der Zugspannung aufgrund der Temperatur wird ebenfalls verdoppelt. Deshalb wird der Temperaturausgleich nicht geleistet.

14 zeigt ein Verfahren, das als Verfahren mit vier Dehnmessstreifen bezeichnet wird. 14A zeigt ein Verfahren zum Anbringen der Dehnmessstreifen und 14B zeigt ein Verdrahtungsverfahren für die Dehnmessstreifen. Wie aus 14A ersichtlich ist, werden die Dehnmessstreifen 142 bis 144 an einem Element 141 angebracht, das sich in Richtung der Mittelachse ausdehnt und zusammenzieht, wie durch einen Pfeil angedeutet und eine Kompressions-/Dehnungsspannung auf eine solche Weise erzeugt, dass die Widerstände 146, 148 der Dehnmessstreifen 142, 144 in Richtung der Mittelachse und die Widerstände 147, 149 der Dehnmessstreifen 143, 145 in Richtung senkrecht zur Mittelachse orientiert sind, wodurch eine Brückenschaltung gemäß 14B konfiguriert wird. Die Ausgangsspannung in diesem Fall beträgt: e = Ks/4·2(1 + ν)ε·E (5)

Mit anderen Worten, der Temperaturausgleich wird erzielt und die Ausgangsspannung wird 2(1 + ν) mal verstärkt.

15 zeigt ein System, das als Aktiv-Blind-System des Verfahrens mit zwei Dehnmessstreifen bezeichnet wird. 15A zeigt ein Verfahren zum Anbringen der Dehnmessstreifen und 15B zeigt ein Verdrahtungsverfahren für die Dehnmessstreifen. Wie aus 15A ersichtlich ist, wird der Dehnmessstreifen 153 an einem Element 151 angebracht, das sich in Richtung der Mittelachse auf eine solche Weise ausdehnt und zusammenzieht, wie durch einen Pfeil angedeutet dass der Widerstand 154 des Dehnmessstreifens 153 parallel zur Mittelachse orientiert ist, und der Dehnmessstreifen 155 wird an einem anderen Element 152, das auf die gleiche Weise wie das Element 151 ausgeformt ist, auf eine solche Weise angebracht, dass der Widerstand 156 parallel zur Mittelachse orientiert ist, wodurch eine Brückenschaltung gemäß 15B konfiguriert wird. Die Widerstände R3, R4 sind hier feste Widerstände, die den gleichen Widerstandswert wie die Dehnmessstreifen haben. Bei diesem System, dient der Dehnmessstreifen 153 des Geräts 151, der Zugspannung erzeugt, als aktiver Dehnmessstreifen, und der Dehnmessstreifen 155, der am ge trennten Element 152, das aus dem gleichen Material wie das Gerät gebildet ist, dient als Blind-Dehnmessstreifen. Wenn der aktive Dehnmessstreifen und der Blind-Dehnmessstreifen derselben Umgebung ausgesetzt werden, ist der Betrag der Zugspannungen bezüglich der Temperatur nahezu gleich, und somit wird die Zugspannung aufgrund der Temperatur ausgeschaltet, wodurch sich die Ausgangsspannung der Brückenschaltung zu e = Ks/4·ε·E (6)ergibt.

Im Fall des Feinjustierungsmechanismus, bei dem das piezoelektrische Gerät verwendet wird, ist der Betrag der Zugspannung extrem klein. Wenn deshalb eine Genauigkeit in der Größenordnung von Subnanometern gefordert wird wie im Falle der Rastersondenmikroskopie, können Messfehler aufgrund des Einflusses der Temperatur des Dehnmessstreifens nicht vernachlässigt werden, und deshalb muss ein Temperaturausgleich erfolgen.

In diesem Fall ist es unerlässlich, den Temperaturausgleich durch eines der oben beschrieben Verfahren auszuführen, die in den 12, 14 oder 15 dargestellt sind.

Zur Erzielung der Genauigkeit in der Subnanometer-Größenordnung ist außerdem der Dehnmessstreifen aus Metall unzureichend hinsichtlich des Ausgangssignals und hat einen zu geringen Rauschabstand, so dass das erforderliche Ausgangssignal nicht erhalten werden kann. Deshalb wird ein Dehnmessstreifen mit einem Widerstand aus Halbleitermaterial, der einen höheren Dehnmessstreifenfaktor K_s als der Metall-Dehnmessstreifen hat, verwendet.

Der Halbleiter-Dehnmessstreifen hat einen hohen Dehnmessstreifenfaktor, aber unterliegt aufgrund der Temperatur einer erheblichen Zugspannung. Deshalb ist der Temperaturausgleich durch die Brückenschaltung äußerst wichtig.

Der Halbleiter-Dehnmessstreifen hat jedoch eine niedrigere maximal zulässige Zugspannung als der Metall-Dehnmessstreifen. Wenn der Halbleiter-Dehnmessstreifen an einer gekrümmten Oberfläche angebracht wird, wird er deshalb in einem Maß gekrümmt, das die maximal zulässige Zugspannung überschreitet, und deshalb kann die Messung nicht erfolgen. Das Anhaften in Umfangsrichtung des zylindrischen piezoelektrischen Geräts wie in 12 oder 14 dargestellt ist deshalb nicht möglich, so dass der Temperaturausgleich nicht erzielt werden kann.

Bei dem in 15 dargestellten Aktiv-Blind-System ist es erforderlich, verschiedene zu erkennende Objekte in identischer Umgebung anzuordnen. Da im Fall der Rastersondenmikroskopie das Element, an dem der Blind-Dehnmessstreifen angebracht ist, einer identischen Umgebung wie das Feinjustierungselement ausgesetzt ist, ist es erforderlich, das Element möglichst nah am Feinjustierungsmechanismus zu positionieren. Wenn jedoch dieser Raum für den Einbau des Elements für den Blind-Dehnmessstreifen in der Einheit zur Rastersondenmikroskopie vorgesehen wird, baut das gesamte Gerät größer, die Steifigkeit und die Messgenauigkeit werden schlechter. Wenn das Element für des Blind-Dehnmessstreifen außerhalb der Einheit angeordnet wird, ergibt sich ein Unterschied der Installationsumgebung. Bei der Rastersondenmikroskopie beeinträchtigt selbst eine geringfügige Differenz der Umgebung die Messgenauigkeit erheblich. Da ferner die piezoelektrischen Geräte als Material des Feinjustierungsmechanismus bedingt durch das Bearbeitungsverfahren schwankende mechanische Eigenschaften haben, ist es erforderlich, die Eigenschaften des Elements, das den Abschnitt bildet, an dem der aktive Dehnmessstreifen angebracht ist, und des Abschnitts, an dem der Blind-Dehnmessstreifen angebracht ist, weitestgehend anzugleichen.

Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung einen Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie für die Feinjustierung der relativen Position zwischen einem zu messenden Objekt (Probe) und einer Sonde bereit, um die Rauheit oder die physikalischen Eigenschaften des zu messenden Objekts durch Abtasten der Oberfläche des zu messenden Objekts mit der Sonde zu messen, der enthält: ein den Feinjustierungsmechanismus bildendes piezoelektrisches Gerät; mindestens zwei Elektroden zum Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Gerät, wobei mindestens eine der Elektroden als Blindelektrode dient, an der keine Spannung anliegt, und die andere Elektrode als aktive Elektrode dient, die ein Zugspannung im piezoelektrischen Gerät erzeugt, wenn eine Spannung angelegt wird; einen oder zwei Widerstände zum Erkennen der Zugspannung an einer oder zwei Positionen der aktiven Elektrode; und einen oder mehrere Widerstände an der Blindelektrode, wobei die entsprechenden Widerstände der aktiven Elektrode und der Blindelektrode verbunden sind, so dass ein Temperaturausgleich durch den Widerstand der Blindelektrode erfolgt, wenn die Zugspannungsdetektion durch den Widerstand der aktiven Elektrode erfolgt, um eine Brückenschaltung zu bilden.

Außerdem werden zwei oder mehr aktive Elektroden bereitgestellt und die entsprechenden Widerstände der aktiven Elektroden verwenden den identischen Widerstand zum Temperaturausgleich auf der Blindelektrode gemeinsam, um eine Brückenschaltung zu konfigurieren.

Ferner ist der Feinjustierungsmechanismus aus einem hohlzylindrischen piezoelektrischen Gerät geformt, das eine im Zylinder angeordnete gemeinsamen Elektrode und zwei oder mehr an der Außenseite desselben angeordnete Elektroden aufweist, wobei mindestens eine der zwei oder mehr Elektroden an der Außenseite als Blindelektrode verwendet wird.

Des Weiteren ist der Widerstand aus einer linearen Halbleiterstruktur gebildet und so angeordnet, dass die Längsrichtungen der linearen Widerstandstruktur, die an jeweils der aktiven Elektrode und der Blindelektrode vorgesehen ist, parallel zur Mittelachse des zylindrischen piezoelektrischen Geräts verlaufen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist demzufolge eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie mit hoher Steifigkeit und einem hohen Maß an Messgenauigkeit bereitzustellen, indem ein Versatzsensor eines Dehnmessstreifens angeordnet wird, der in einem kleinen Raum eingebaut werden kann, um den Temperaturausgleich ausführen zu können.

Beim wie oben beschrieben konfigurierten Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie kann die Zugspannung durch den Widerstand gemessen werden. Deshalb arbeitet der Feinjustierungsmechanismus als Aktuator mit günstiger Linearität ohne Beeinträchtigung durch Hysterese oder Kriechen des piezoelektrischen Geräts, wodurch die Messgenauigkeit verbessert wird. Außerdem wird durch die Verwendung des Dehnmessstreifens zur Messung des Versatzes der erforderlich Einbauraum kleiner als für andere Versatzsensoren, so dass die Baugröße des Geräts verringert und die Steifigkeit verbessert wird.

Im Allgemeinen wird in dem Fall, in dem der Dehnmessstreifen mit dem Widerstand verwendet wird, die Zugspannung im Widerstand selbst aufgrund der Temperatur erzeugt, wodurch die Messgenauigkeit verschlechtert wird. Die vorliegende Erfindung stellt einen Feinjustierungsmechanismus bereit, der auf dem piezoelektrischen Gerät ausgeformt ist und enthält: mindestens zwei Elektroden zum Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Gerät, wobei mindestens eine der Elektroden als Blindelektrode dient, an der keine Spannung anliegt, und die andere Elektrode als aktive Elektrode dient, die ein Zugspannung im piezoelektrischen Gerät erzeugt, wenn eine Spannung angelegt wird; einen oder zwei Widerstände zum Erkennen der Zugspannung an einer oder zwei Positionen der aktiven Elektrode; einen oder mehrere Widerstände an der Blindelektrode, wobei die entsprechenden Widerstände der aktiven Elektrode und der Blindelektrode verbunden sind, so dass ein Temperaturausgleich durch den Widerstand der Blindelektrode erfolgt, wenn die Zugspannungsdetektion durch den Widerstand der aktiven Elektrode erfolgt, um eine Brückenschaltung zu bilden. Folglich wird der Einfluss der Temperaturdrift ausgeschaltet und die Messgenauigkeit verbessert.

Da in diesem Fall die aktive Elektrode und die Blindelektrode am selben piezoelektrischen Gerät angeordnet sind, können die Einbauumgebung und der Einbauzustand der entsprechenden Widerstände unter nahezu identischen Bedingungen verglichen werden, wodurch die Genauigkeit des Temperaturausgleichs verbessert wird.

Der Feinjustierungsmechanismus enthält zwei oder mehr aktive Elektroden und die entsprechenden Widerstände der aktiven Elektroden verwenden den identischen Widerstand zum Temperaturausgleich auf der Blindelektrode gemeinsam, um eine Brückenschaltung zu konfigurieren.

Deshalb kann der Einbauraum für die Widerstände an der Blindelektrode wirksam genutzt werden und die Anzahl der auf den Blindelektroden anzubringenden Widerstände wird verringert, wodurch der Verdrahtungsaufwand geringer wird. Folglich kann das gesamte Gerät kleiner bauen und die Steifigkeit der Einheit wird erhöht.

Durch Konfigurieren des Feinjustierungsmechanismus eines zylindrischen piezoelektrischen Geräts nimmt die Baugröße des Geräts weiter ab und die Steifigkeit des Geräts wird verbessert.

Wenn außerdem jeweils zwei Widerstände an der aktiven Elektrode und der Blindelektrode vorgesehen werden und das Ausgangssignal über die Brückenschaltung abgenommen wird, wird das Ausgangssignal im Vergleich zu dem Fall, in dem des Ausgangssignal von je einer Elektrode abgenommen wird, verdoppelt, wodurch der Rauschabstand des Ausgangssignals verbessert wird.

Da der Halbleiter als Widerstand verwendet wird, kann eine feinere Zugspannung im Vergleich zu dem Fall gemessen werden, in dem der aus Metall gebildete Widerstand verwendet wird, wodurch die Genauigkeit der Versatzmessung des Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie weiter verbessert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Umrissansicht eines Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie, der aus einem zylindrischen piezoelektrischen Gerät geformt ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Ansicht des in 1 dargestellten Feinjustierungsmechanismus im abgewickelten Zustand;
3 ist ein Schaltbild der an den Elektroden an den jeweiligen Achsen des in 2 dargestellten Feinjustierungsmechanismus angebrachten Dehnmessstreifen;
4 ist eine allgemeine Ansicht eines Atomkraftmikroskops, das mit dem in 1 dargestellten Feinjustierungsmechanismus konfiguriert ist;
5 ist eine Ansicht des Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie, der aus einem zylindrischen piezoelektrischen Gerät geformt ist, im abgewickelten Zustand gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Schaltbild der an den XY-Elektroden des in 5 dargestellten Feinjustierungsmechanismus angebrachten Dehnmessstreifen;
7 ist ein Schaltbild der an der Z-Elektrode des in 5 dargestellten Feinjustierungsmechanismus angebrachten Dehnmessstreifen;
8 ist eine Zeichnung des Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie, der aus einem zylindrischen piezoelektrischen Gerät geformt ist, gemäß dem Stand der Technik, wobei 8A eine Schnittansicht und 8B eine Vorderansicht des angesteuerten Zustands ist;
9 ist eine Ansicht des in 8 dargestellten Feinjustierungsmechanismus im abgewickelten Zustand gemäß dem Stand der Technik;
10 ist ein Schaltbild einer Brückenschaltung zum Erkennen eines Ausgangssignals des Dehnmessstreifens;
11 ist eine Zeichnung, die das Verfahren mit einem Dehnmessstreifen gemäß dem Stand der Technik zur Erkennung der Kompressions-/Dehnungsspannung zeigt, wobei 11A eine Zeichnung ist, die ein Verfahren zum Anbringen des Dehnmessstreifens zeigt, und 11B ein Schaltbild ist;
12 ist eine Zeichnung, die das Verfahren mit zwei Dehnmessstreifen (mit Temperaturausgleich) gemäß dem Stand der Technik zur Erkennung der Kompressions-/Dehnungsspannung zeigt, wobei 12A eine Zeichnung ist, die ein Verfahren zum Anbringen des Dehnmessstreifens zeigt, und 12B ein Schaltbild ist;
13 ist eine Zeichnung, die das Verfahren mit zwei Dehnmessstreifen (ohne Temperaturausgleich) zur Erkennung der Kompressions-/Dehnungsspannung zeigt, wobei 13A eine Zeichnung ist, die ein Verfahren zum Anbringen des Dehnmessstreifens zeigt, und 13B ein Schaltbild ist;
14 ist eine Zeichnung, die das Verfahren mit vier Dehnmessstreifen (ohne Temperaturausgleich) gemäß dem Stand der Technik zur Erkennung der Kompressions-/Dehnungsspannung zeigt, wobei 14A eine Zeichnung ist, die ein Verfahren zum Anbringen des Dehnmessstreifens zeigt, und 14B ein Schaltbild ist; und
15 ist eine Zeichnung, die das Aktiv-/Blind-Verfahren gemäß dem Stand der Technik zur Erkennung der Kompressions-/Dehnungsspannung zeigt, wobei 15A eine Zeichnung ist, die ein Verfahren zum Anbringen des Dehnmessstreifens zeigt, und 15B ein Schaltbild ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nunmehr die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
Eine erste Ausführungsform eines Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie der Erfindung ist in den 1 bis 4 dargestellt. 1 ist eine Umrissansicht eines Feinjustierungsmechanismus, der aus einem zylindrischen piezoelektrischen Gerät gebildet wird, gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Bei der ersten Ausführungsform wird ein zylindrisches piezoelektrisches Gerät 1 gebildet, indem das piezoelektrische Gerät zu einer hohlzylindrischen Form geformt wird wie in 1 dargestellt. Eine gemeinsame Elektrode 5 ist im Innern des zylindrischen piezoelektrischen Geräts 1 vorgesehen. Der gesamte Außenumfang des zylindrischen piezoelektrischen Geräts 1 ist vom distalen Ende 1b zum proximalen Ende 1a in drei Ebenen geteilt, nämlich eine erste Ebene (obere Ebene), eine zweite Ebene (mittlere Ebene) und eine dritte Ebene (untere Ebene). Eine Z-Elektrode 2, die als aktive Elektrode zum Erzeugen einer Zugspannung in Richtung der Mittelachse des Zylinders dient, und eine als Blindelektrode dienende Blindelektrode 3 sind auf den beiden Ebenen der ersten bzw. zweiten Ebene in Bandform entlang des Außenumfangs des Zylinders angeordnet. Auf der dritten Ebene, die die untere Ende am proximalen Ende ist, ist eine Quadrantenelektrode 4 vorgesehen, die den Umfang in Umfangsrichtung in vier Abschnitte teilt.
2 ist eine Ansicht des zylindrischen piezoelektrischen Geräts 1 von 1 im abgewickelten Zustand, die ein Verfahren zum Anbringen von Dehnmessstreifen, die als Widerstände dienen, zum Messen der Zugspannungen der jeweiligen Elektroden, die Polarität des Polens und die Verdrahtung zum Anlegen der Spannung an die jeweiligen Elektroden zeigt.
Ein bandförmige Z-Elektrode 2 und die Blindelektrode 3 des zylindrischen piezoelektrischen Gerät 1 werden mit Polenbehandlung gleichmäßig von der inneren Elektrode (gemeinsame Elektrode 5) zur äußeren Elektrode (bandförmige Z-Elektrode 2, Blindelektrode 3) des Zylinders angebracht. Die Quadrantenelektroden 4a, 4b, 4c, 4d werden mit Polenbehandlung von der inneren Elektrode (gemeinsame Elektrode 5) zu den Quadrantenelektroden 4a, 4b, 4c, 4d angebracht, so dass die Polarität bezüglich der gemeinsamen Elektrode 5 entgegengesetzt wird. Solche durch Polen bereitgestellten Polaritäten sind durch die Bezugszeichen Plus und Minus für jede Elektrode in 2 gekennzeichnet. Die Z-Elektrode 2 hat eine Plus-Polarität, die bandförmige Blindelektrode 3 hat eine Plus-Polarität, die X-Elektrode 4a und die Y-Elektrode 4b der Quadrantenelektroden 4a, 4b, 4c, 4d haben Plus-Polarität und die X-Elektrode 4c sowie die Y-Elektrode 4d haben jeweils Minus-Polarität.
Jeweils zwei d. h. insgesamt vier Dehnmessstreifen 6 werden an der bandförmigen Z-Elektrode 2 und der Blindelektrode 3 auf der ersten und der zweiten Ebene angebracht und fixiert. Der Dehnmessstreifen 6 wird erhalten, indem ein Halbleiter 7 aus Silizium des N-Typs auf einem Grundmaterial 8 aus Isolierpapier und Phenol-Epoxydharz in einer linearen Struktur ausgeformt wird. Die Dehnmessstreifen 6 werden an der bandförmigen Z-Elektrode 2 und der Blindelektrode 3 auf eine solche Weise angebracht und fixiert, dass die Längsrichtung der linearen Struktur des Halbleiters 7 parallel (d. h. in der gleichen Richtung wie die) zur Mittelachse des Zylinders verläuft.
Je zwei d. h. insgesamt acht Dehnmessstreifen 6, die dem an den bandförmigen Elektroden 2, 3 angebrachten und fixierten Dehnmessstreifen 6 ähnlich sind, werden an den Quadrantenelektroden 4a, 4b, 4c, 4d angebracht und fixiert, so dass die Längsrichtung der linearen Strukturen parallel zur Mittelachse des Zylinders verläuft.
Bei der ersten Ausführungsform werden insgesamt zwölf Dehnmessstreifen 6, von denen jeder einen Halbleiterwiderstand hat, zur Verstärkung der Ausgangsspannung und zur Ermöglichung der Messung einer feinen Zugspannung verwendet.
Die gemeinsame Elektrode 5 des Feinjustierungsgeräts liegt an Masse und wie in 2 dargestellt ist die bandförmige Z-Elektrode der ersten Ebene mit einer Spannungsvexsorgung 9 verbunden und die bandförmige Blindelektrode 3 der zweiten Ebene ist an Masse gelegt, wie mit "GND" (Abkürzung für GROUND) gekennzeichnet ist.
Spannungsversorgungen 10, 11 sind zwischen den entgegengesetzten Elektroden 4a, 4c und 4b, 4d der Quadrantenelektrode 4 auf der dritten Ebene angeschlossen.
Wenn die gleiche Spannung an die zwei entgegengesetzten Elektroden gelegt wird, tritt in Richtung des Polens eine Kompressions- bzw. Dehnungsspannung auf. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Zugspannung auch senkrecht zur Richtung des Polens erzeugt. Folglich dehnt sich eine der Elektroden in axialer Richtung und die andere Elektrode zieht sich in axialer Richtung zusammen und als Ergebnis wird das zylindrische piezoelektrische Gerät 1 senkrecht zur Mittelachse gebogen.
Wenn des proximale Ende 1a des zylindrischen piezoelektrischen Geräts 1 als das feste Ende fixiert wird und das distale Ende 1b desselben als freies Ende frei bleibt, wie im Stand der Technik gemäß 8B, wird der distale Endabschnitt 1b in einer Bogenform in der mit dem bogenförmigen Pfeil in 8B gekennzeichneten Richtung versetzt. Wenn der Winkel der Zugspannung sehr klein ist, bewegt sich das distale Ende ungefähr in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse. Deshalb wird ein Versatz in einer zweidimensionalen Ebene durch die Quadrantenelektrode 4 erzielt. Die Quadrantenelektrode 4 ist an der Seite des festen Endes vorgesehen und so konfiguriert, dass der Ausgangsversatz um einen Betrag entsprechend den Längen der bandförmigen Elektroden 2, 3 erhöht wird.
Hier werden die beiden Dehnmessstreifen 6 an der bandförmigen Z-Elektrode 2 auf der ersten Ebene durch R1, R3 und die beiden Dehnmessstreifen 6 an der bandförmigen Blindelektrode 3 auf der zweiten Ebene durch R2 bzw. R4 dargestellt. Die insgesamt vier Dehnmessstreifen R1, R2, R3, R4, die in zwei Ebenen an der bandförmigen Z-Elektrode 2 und der Blindelektrode 3 angebracht werden, sind an beiden Enden der linearen Struktur des Halbleiterwiderstands 7 elektrisch verbunden und als Brückenschaltung konfiguriert.
3 ist eine Zeichnung, die ein Verfahren zum Anschließen der Dehnmessstreifen zeigt, die an den Elektroden der jeweiligen in 2 dargestellten Achsen angebracht sind. Die Bezugszeichen R1, R2, R3, R4 des Widerstands in 3 entsprechen den Bezugszeichen R1, R2, R3, R4 der Dehnmessstreifen der bandförmigen Z-Elektrode 2 bzw. der Blindelektrode 3 von 2.
Wie in 3 dargestellt ist die Brückenschaltung auf eine solche Weise konfiguriert, dass eine Gleichspannung der Spannung E zwischen dem Widerstand R1 und dem Widerstand R4 und zwischen dem Widerstand R2 und dem Widerstand R3 angelegt wird, so dass die Ausgangsspannung e zwischen dem Widerstand R1 und dem Widerstand R2 und zwischen dem Widerstand R3 und dem Widerstand R4 durch die Änderung des Widerstandswertes aufgrund von Zugspannungen in den jeweiligen Widerständen R1, R2, R3, R4 erkannt werden kann.
Da sich der Anfangswert des Widerstands des Dehnmessstreifens in Abhängigkeit von der individuellen Differenz ändert, wird im Allgemeinen ein variabler Widerstand zur Korrektur hinzugefügt, um solche Schwankungen des Anfangswertes des Widerstands zu beseitigen. Die in 3 dargestellte Brückenschaltung ist ein Beispiel, bei dem ein variabler Widerstand 12 mit Drei-Kontaktpunktsystem verwendet wird, bei der die Ausgangsspannung e auf 0 V eingeregelt wird, indem der Widerstandswert des variablen Widerstands 12 in einem Zustand variiert wird, in dem keine Zugspannung an den entsprechenden Widerständen R1, R2, R3, R4 erzeugt wird.
In diesem Zustand wird Spannung an die Elektrode 2 auf der ersten Ebene gelegt, damit die Zugspannung ε_Z in Z-Richtung in der ersten Ebene erzeugt werden kann. Die Änderung des Dehnmessstreifens aufgrund der Änderung der Umgebung, z. B. der Temperatur, wird durch ε_T angegeben. Die Z-Elektrode 2 und die Blindelektrode 3, an denen der jeweilige Dehnmessstreifen angebracht ist, bestehen aus dem gleichen Material und sind auf dem identischen zylindrischen piezoelektrischen Gerät nebeneinander angeordnet, die Umgebung, der die jeweiligen Dehnmessstreifen ausgesetzt sind, ist gleich und folglich ist der Betrag der Zugspannung aufgrund der Temperaturänderung der gleiche.
Deshalb beträgt aus Gleichung (1) die Ausgangsspannung: e = Ks/4·(ε1 – ε2 + ε3 – ε4)·E = Ks/4·{(εZ + εT) – (εT) + (εZ + εT) – (εT)}·E = Ks/4·2εZ·E (7)
Folglich wird die Zugspannung aufgrund der Temperatur beseitigt und eine Ausgangsspannung, die auf das Doppelte verstärkt wurde, erhalten.
Im Allgemeinen hat der Dehnmessstreifen mit einem Halbleiterwiderstand eine geringe maximale zulässige Zugspannung. Wenn der Halbleiter-Dehnmessstreifen an einer gekrümmten Oberfläche angebracht wird, wird er deshalb in einem Maß gekrümmt, das die maximal zulässige Zugspannung überschreitet, und deshalb kann die Messung nicht erfolgen. Da jedoch der lineare Dehnmessstreifen gemäß der vorliegenden Erfindung so ange bracht wird, dass die Längsrichtung der linearen Struktur des Dehnmessstreifens parallel zur Mittelachse verläuft, ist die Anhaftrichtung des Widerstandes keine gekrümmte Oberfläche, sondern eben, wodurch ein Problem wie das, bei dem das Ausmaß der Verformung den maximal zulässigen Betrag der Zugspannung überschreitet, nicht auftritt.
Die an den entsprechenden Elektroden 4a, 4b, 4c, 4d der Quadrantenelektrode paarweise angebrachten Dehnmessstreifen R1, R2, R3, R4 sind ebenfalls als Brückenschaltung konfiguriert, wie aus 3 zu ersehen ist. Mit anderen Worten, die Dehnmessstreifen R1, R3 und R2, R4 der X-Elektroden 4a, 4c zum Ansteuern in Richtung der X-Achse entsprechen den Widerständen R1, R3 und R2, R4 in der in 3 dargestellten Brückenschaltung. Die Dehnmessstreifen R1, R3 und R2, R4 auf den Y-Elektroden 4b, 4d zum Ansteuern in Richtung der Y-Achse entsprechen den Widerständen R1, R3 und R2, R4 der in 3 dargestellten Brückenschaltung.
Was die X-Elektroden 4a, 4c zum Ansteuern in Richtung der X-Achse betrifft, wird Spannung an die entsprechenden Elektroden gelegt und wenn eine Dehnungsspannung + ε_X parallel zur Mittelachse an einer Seite der Elektrode 4a erzeugt wird, wird eine Kompressionsspannung – ε_X entgegengesetzter Polarität und mit gleichem Absolutwert an der entgegengesetzten Elektrode 4c erzeugt, und folglich krümmt sich das zylindrische piezoelektrische Gerät um das feste Ende 1a am pxoximalen Ende. Da die Umgebung des entsprechenden Dehnmessstreifens identisch ist, wird der gleiche Betrag der Zugspannung ε aufgrund der Temperatur im entsprechenden Dehnmessstreifen erzeugt. Die Ausgangsspannung zu diesem Zeitpunkt wird wie folgt aus Gleichung (1) erhalten. e = Ks/4·(ε1 – ε2 + ε3 – ε4)·E = Ks/4·{((εX + εT) – (–εX + εT) + (εX + εT) – (–εZ + εT)}·E = Ks/4·4εX·E (8)
Mit anderen Worten, die Zugspannung aufgrund der Temperatur wird beseitigt und eine vierfach verstärkte Spannung erhalten.
Anhand der Gleichung (7) und der Gleichung (8) zeigt sich, dass die Ausgangsspannung e proportional zum Dehnmessstreifenfaktor K_s und zur Spannung E ist, die an die Brückenschaltung gelegt wird. Mit anderen Worten, je größer der Dehnmessstreifenfaktor K_s und je höher die Spannung E sind, umso stärker ist das erhaltene Ausgangssignal. Ein handelsüblicher Dehnmessstreifen mit einem Metallwiderstand hat in den meisten Fällen einen Widerstandswert von 120 Ω und einen Dehnmessstreifenfaktor K_s = 2, während die Kennwerte des Halbleiter-Dehnmessstreifens dieser Ausführungsform ein Widerstandswert von 2 kΩ und ein Dehnmessstreifenfaktor K_s = 170 sind.
Da der Dehnmessstreifenfaktor des Halbleiter-Dehnmessstreifens 85 mal größer ist als der des Dehnmessstreifens mit dem Metallwiderstand und der Widerstandswert etwa 17 mal größer ist, kann deshalb die an den Widerstand anzulegende Spannung, d. h. der Wert von E, erhöht werden, wodurch der Verstärkungsfaktor erhöht werden kann. Folglich nimmt der Rauschabstand des Ausgangssignals zu, so dass ein hohes Maß an Messgenauigkeit selbst bei einer sehr geringen Zugspannung möglich ist. Der Betrag der Zugspannung bezüglich der Temperatur des Halbleiterwiderstands ist größer als der des Metallwiderstands und somit wird die Messgenauigkeit verringert. Da jedoch bei dieser Ausführungsform der Temperaturausgleich durch die Brückenschaltung erfolgt, wird eine Verringerung selbst bei Verwendung des Halbleiterwiederstands verhindert.
Im Folgenden wird die Rastersondenmikroskopie unter Verwendung des Feinjustierungsmechanismus, der aus dem zylindrischen piezoelektrischen Gerät 1 gebildet ist, beschrieben. Hier wird ein Fall beschrieben, in dem ein Atomkraftmikroskop als Beispiel für die Rastersondenmikroskopie verwendet wird, beschrieben.
4 ist eine allgemeine Ansicht eines Atomkraftmikroskops, das mit dem Feinjustierungsmechanismus konfiguriert ist, der aus dem zylindrischen piezoelektrischen Gerät 1 von 1 gebildet wird.
Ein Feinjustierungsmechanismus 1 ist am proximalen Ende 1a an der oberen Oberfläche eines Grobjustierungsmechanismus 20 befestigt und mit einem Probentisch 13 am distalen Abschnitt 1b ausgeführt. Ein Probenhalter 15 ist an der Position gegenüber einer Probe 14 auf dem Probentisch 13 vorgesehen, und ein Probenschenkel 16 mit einer Mini atursonde an seinem distalen Ende ist angebaut. Der Versatz des Probenschenkels 16 wird durch einen optischen Hebel 19 gemessen, der aus einem Halbleiterlaser 17 und einem Quadranten-Fotodetektor 18 besteht. Der aus dem zylindrischen piezoelektrischen Gerät 1 gebildete Feinjustierungsmechanismus ist am Grobjustierungsmechanismus 20 angeordnet und platziert die Probe 14 in der Nähe einer Sonde 16.
Wenn die Probe 14 und die Sonde 16 nahe beieinander an der Zone positioniert werden, wo die Atomkraft wirksam wird, hängt die zwischen der Sonde und der Probe ausgeübte Kraft vom Abstand zwischen diesen ab. Deshalb kann der Abstand zwischen der Sonde und der Probe durch Erkennen der Auslenkung des Probenschenkels 16 mittels des optischen Hebels 19 und durch Verstellen des Abstands durch den Versatz des aus dem zylindrischen piezoelektrischen Gerät 1 gebildeten Feinjustierungsmechanismus in Richtung der Z-Achse durch die Z-Elektrode 2 konstant gehalten werden, so dass der voreingestellte Betrag der Auslenkung erhalten wird. Wenn eine Rasterabtastung der Probe 14 in Richtung der XY-Achse durch die Quadrantenelektrode 4 des aus dem zylindrischen piezoelektrischen Gerät 1 gebildeten Feinjustierungsmechanismus vorgenommen wird, kann das Bild der Rauheit der Probenoberfläche erhalten werden.
Zu diesem Zeitpunkt kann durch Überwachung der Ausgangssignale der Dehnmessstreifen (nicht dargestellt), die an den jeweiligen Elektroden angebracht sind, der Betrag des Versatzes in den XYZ-Richtungen erfasst werden. Im oben gezeigten Beispiel wird eine Gleichspannung an die Brückenschaltung gelegt. In diesem Fall wird jedoch eine Wechselspannung angelegt, um den Rauschabstand zu verbessern, und das Ausgangssignal wird von einem Verstärker (nicht dargestellt) verstärkt, und dann wird der Versatzbetrag durch einen Sperrverstärker (nicht dargestellt) erkannt.
Hinsichtlich der XY-Richtung wird das Ausgangssignal des Dehnmessstreifens in eine Steuerschaltung (nicht dargestellt) eingegeben und eine Regelung mit Rückführung ausgeführt, so dass die XY-Richtung ihre Linearität beibehält.
Der Feinjustierungsmechanismus für die Z-Richtung kann aus einem geschlossenen Regelkreis bestehen. Im Falle des Atomkraftmikroskops besteht jedoch der Feinjustierungsmechanismus für die Z-Richtung aus einem offenen Regelkreis, da normalerweise nur der absolute Versatz erforderlich ist, und er ist so konfiguriert, dass der absolute Versatz angezeigt wird, der vom Ausgangssignal des Dehnmessstreifens erhalten wird. Durch Konfigurieren des Feinjustierungsmechanismus für die Z-Richtung mit offenem Regelkreis wird so das Ansprechverhalten in Richtung der Z-Achse verbessert.
[Zweite Ausführungsform]
Im Folgenden wird anhand der 5, 6 und 7 eine zweite Ausführungsform des Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie beschrieben. Die Komponenten, die den entsprechenden bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Komponenten gemeinsam sind, sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und der gemeinsame Inhalt bezüglich Struktur und Funktionsweise der entsprechenden Komponenten wird nicht detailliert beschrieben.
Der Feinjustierungsmechanismus gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet ebenfalls das zylindrische piezoelektrische Gerät 1 mit der gleichen Form wie in 1 dargestellt. 5 ist eine Ansicht de Außenumfangsfläche des zylindrischen piezoelektrischen Geräts im abgewickelten Zustand, die das Anbringen der Dehnmessstreifen, die Polaritäten des Polens (Plus- und Minuszeichen) und die Verdrahtung für eine an die jeweiligen Elektroden zu legende hohe Spannung zeigt.
Bei der zweiten Ausführungsform sind zwei Dehnmessstreifen Rz1, Rz3 an der bandförmigen Z-Elektrode 2 zur Feinjustierung in Z-Richtung, Dehnmessstreifen Rx1, Rx2, Ry1, Ry2 sind jeweils an den X-Elektroden 4a, 4c und den Y-Elektroden 4b, 4d zur Feinjustierung in der XY-Richtung und vier Dehnmessstreifen Rc1, Rc2, Rc3, Rc4 sind an der bandförmigen Blindelektrode 3 angebracht. Mit anderen Worten, es sind insgesamt zehn Dehnmessstreifen vorgesehen.
6 ist ein Schaltbild der Dehnmessstreifen an den X-Elektroden 4a, 4c und den Y-Elektroden 4b, 4d. Die in 6 dargestellten Widerstände Rx1, Rx2, Ry1, Ry2 entsprechen den Dehnmessstreifen Rx1, Rx2, Ry1, Ry2 an den X-Elektroden 4a, 4c bzw. an den Y-Elektroden 4b, 4d in 5 und die Widerstände Rc3, Rc4 in 6 entsprechen jeweils den beiden Dehnmessstreifen Rc3, Rc4 der vier Dehnmessstreifen, die an der bandförmigen Blindelektrode 3 in 5 angebracht sind.
7 ist ein Schaltbild der Dehnmessstreifen auf der bandförmigen Z-Elektrode 2. Die in 7 dargestellten Widerstände Rz1, Rz3 entsprechen jeweils den Dehnmessstreifen Rz1, Rz3, die in 5 an den bandförmigen Z-Elektroden 2 angebracht sind. Die in 7 dargestellten Widerstände Rc1, Rc2 entsprechen jeweils den beiden Dehnmessstreifen Rc1, Rc2 der vier Dehnmessstreifen, die an der bandförmigen Blindelektrode 3 in 5 angebracht sind.
Bei der zweiten Ausführungsform ist eine Brückenschaltung des Verfahrens mit vier Dehnmessstreifen konfiguriert, bei der Dehnmessstreifen an der Blindelektrode 3 für die XY-Elektrode 4 zusätzlich zur Z-Elektrode 2 angebracht sind. Mit anderen Worten, der Temperaturausgleich durch das Verfahren mit vier Dehnmessstreifen unter Verwendung aktiver/Blindelektroden ist bei allen XYZ-Elektroden möglich.
Die Dehnmessstreifen für die Blindelektrode der XY-Elektrode 4 nutzen die identischen Dehnmessstreifen Rc3, Rc4 und sind zu einer in 6 dargestellten Brückenschaltung kombiniert mit den vier Dehnmessstreifen Rx1, Rx2, Ry1, Ry2 konfiguriert. Mit anderen Worten, die Dehnmessstreifen Rc3, Rc4 werden zwischen den beiden Brückenschaltungen als ein Widerstand für den Temperaturausgleich gemeinsam genutzt. Wenn das Verfahren mit vier Dehnmessstreifen angewendet wird, wird die Verdrahtung komplex, obwohl der Verstärkungsfaktor erhöht wird und auch der Temperaturausgleich ausgeführt werden kann. Indem jedoch der Dehnmessstreifen als Blindelement zwischen den beiden Brückenschaltungen gemeinsam genutzt wird, kann die Anzahl der Dehnmessstreifen oder der Verdrahtungsaufwand verringert werden.
Die Dehnmessstreifen Rz1, Rz3 der Z-Elektrode 2 konfigurieren ebenfalls eine Brückenschaltung, wie in 7 dargestellt ist, in Kombination mit den Dehnmessstreifen Rc1, Rc2, die auf der Blindelektrode 3 vorgesehen sind, die identisch mit XY ist. Durch gemeinsames Nutzen der Blindelektrode, an der die Dehnmessstreifen angebracht sind, kann so der Einbauraum wirksam genutzt werden.
Die Dehmessstreifen für die Blindelektrode können getrennt für die jeweiligen XY-Elektroden in der Zone der Blindelektrode angebracht werden.
Mit dieser Anordnung kann der Temperaturausgleich durch das Verfahren mit vier Dehnmessstreifen ausgeführt werden. Deshalb wird die Messgenauigkeit verbessert und gleichzeitig baut die Feinjustierung oder die Vorrichtung kleiner, wodurch die Steifigkeit der Einheit verbessert wird.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene erste und zweite Ausführungsform beschränkt.
Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform das Verfahren mit vier Dehnmessstreifen erläutert worden ist, ist es auch möglich, das Verfahren mit zwei Dehnmessstreifen anzuwenden, bei dem diese nur an R1, R3 in 3 bezüglich der Z-Richtung und nur an R1, R2 in 3 bezüglich der XY-Richtung angebracht werden. Obwohl der erhaltende Ausgang in diesem Fall der Hälfte des Verfahrens mit vier Dehnmessstreifen entspricht, wird der Einfluss der Zugspannung aufgrund der Temperatur ausgeschaltet.
Der Widerstandstyp ist nicht auf Halbleiter beschränkt. Der Dehnmessstreifen aus Metall oder der Dehnmessstreifen mit dem piezoelektrischen Element kann ebenfalls verwendet werden. Im Falle des Metall-Dehnmessstreifens, der am häufigsten verwendet ist, beträgt der Dehnmessstreifenfaktor 2, was in der Größenordnung von zwei Stellen kleiner ist als der des Halbleiter-Dehnmessstreifens der Ausführungsformen, und der Widerstandswert beträgt 120 Ω, was in der Größenordnung von einer Stelle kleiner ist, wodurch die Spannung, die an die Brückenschaltung gelegt werden kann, ebenfalls niedriger wird. Demzufolge ist die Ausgangsspannung erheblich geringer. Allerdings ist er dadurch gekennzeichnet, dass seine Kosten niedriger sind und die Temperatureigenschaften günstiger sind als die des Halbleiter-Dehnmessstreifens.
Obwohl die Erfindung auf die Z-Elektrode angewendet wird, die aus einem zylindrischen piezoelektrischen Gerät in den Ausführungsformen gebildet wird, sind außerdem piezoelektrische Geräte oder mehrlagige piezoelektrische Geräte anderer Formen sämtlich in der Erfindung enthalten.
Obwohl bei den Ausführungsformen die Probe durch den Feinjustierungsmechanismus bewegt wird, ist es auch möglich, die Sondenseite anzusteuern.
Der Anwendungsbereich des Feinjustierungsmechanismus der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das Atomkraftmikroskop beschränkt, sondern kann auf sämtliche Elektronenrastermikroskope wie ein Reibungskraftmikroskop, ein Atomkraftmikroskop mit Probenschenkelvibration, ein Magnetkraftmikroskop usw. angewendet werden. Seit kurzem wird die Rastersondenmikroskopie auch auf die Bearbeitung von Proben sowie die Manipulation von Proben angewendet. Bei diesen Anwendungen wird die Positioniergenauigkeit des Feinjustierungsgeräts gefordert und deshalb ist der Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie der vorliegenden Erfindung ziemlich wirksam.

Claims

Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie für die Feinjustierung der relativen Position zwischen einem zu messenden Objekt (Probe) und einer Sonde, um die Rauheit oder die physikalischen Eigenschaften des zu messenden Objekts durch Abtasten der Oberfläche des zu messenden Objekts durch Abtasten der Oberfläche des zu messenden Objekts mit der Sonde zu messen, aufweisend: ein den Feinjustierungsmechanismus bildendes piezoelektrisches Gerät; mindestens zwei Elektroden zum Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Gerät, wobei mindestens eine der Elektroden als Blindelektrode dient, an der keine Spannung anliegt, und die andere Elektrode als aktive Elektrode dient, die ein Zugspannung im piezoelektrischen Gerät erzeugt, wenn eine Spannung angelegt wird; einen oder zwei Widerstände zum Erkennen der Zugspannung an einer oder zwei Positionen der aktiven Elektrode; und einen oder mehrere Widerstände an der Blindelektrode, wobei die entsprechenden Widerstände der aktiven Elektrode und der Blindelektrode verbunden sind, so dass ein Temperaturausgleich durch den Widerstand der Blindelektrode erfolgt, wenn die Zugspannungsdetektion durch den Widerstand der aktiven Elektrode erfolgt, um eine Brückenschaltung zu bilden.
Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie nach Anspruch 1 mit zwei oder mehr aktiven Elektroden, wobei die entsprechenden Widerstände der aktiven Elektroden den identischen Widerstand zum Temperaturausgleich auf der Blindelektrode gemeinsam nutzen, um eine Brückenschaltung zu konfigurieren.
Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie nach Anspruch 1, bei dem der Feinjustierungsmechanismus aus einem hohlzylindrischen piezoelektrischen Gerät geformt ist, das eine im Zylinder angeordnete gemeinsamen Elektrode und zwei oder mehr an der Außenseite desselben angeordnete Elektroden aufweist, wobei mindestens eine der zwei oder mehr Elektroden an der Außenseite als Blindelektrode verwendet wird.
Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie nach Anspruch 2, bei dem der Feinjustierungsmechanismus aus einem hohlzylindrischen piezoelektrischen Gerät geformt ist, das eine im Zylinder angeordnete gemeinsamen Elektrode und zwei oder mehr an der Außenseite desselben angeordnete Elektroden aufweist, wobei mindestens eine der zwei oder mehr Elektroden an der Außenseite als Blindelektrode verwendet wird.
Feinjustierungsmechanismus zur Rastersondenmikroskopie nach Anspruch 4, bei dem der Widerstand aus einer linearen Halbleiterstruktur gebildet und so angeordnet ist, dass die Längsrichtungen der linearen Struktur des Widerstands auf jeweils der aktiven Elektrode und der Blindelektrode parallel zur Richtung der Mittelachse des zylindrischen piezoelektrischen Geräts verlaufen.