-
Technisches Gebiet
-
Die
Erfindung bezieht sich eine Vorrichtung zur Schwingungsanregung
eines einseitig in einem Rasterkraftmikroskop (RKM) befestigten
und aus Halbleitermaterial, das über
keine piezoelektrischen Eigenschaften verfügt, bestehenden Federbalkens, an
dessen freien Ende eine Spitze angebracht ist, die in Kontakt mit
einer zu untersuchenden Probenoberfläche bringbar ist.
-
Mit
der Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie (RKM) wurde ein großer Fortschritt
bei der Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften erreicht.
Erstmals ist es mit Hilfe der Kraftmikroskopie (AFM, Atomic Force
Microscopy) möglich,
Informationen über
Oberflächen
und oberflächennahe
Bereiche verschiedenster Proben und Komponenten mit einer Auflösung von
Nanometern bis hinunter zu einzelnen Atomen zu erhalten.
-
Kraftmikroskope
sind kommerziell erhältlich. Der
Sensor besteht aus einer kleinen Blattfeder von etwa 100 μm bis 500 μm Länge mit
einer Spitze, die mittels piezoelektrischer Verstellelemente über die Probe
gerastert wird. Ein Positionssensor misst die Auslenkung der Feder.
Dieser Positionssensor besteht häufig
aus einer Laserdiode und einer positionsempfindlichen Photodiode.
Der Laserstrahl wird auf die reflektierende Rückseite der Blattfeder fokussiert,
dort reflektiert und auf die Photodiode gelenkt. Eine Verbiegung
der Feder bewirkt eine Positionsänderung
des Laserstrahls und damit eine Änderung der
Photospannung. Die Topographie der Oberfläche wird abgebildet, indem über eine
Regelschleife der Sensor oder die Probe während des Scannens senkrecht
zur Probenoberfläche,
d.h. in z-Richtung, so nachgeführt
wird, dass die Auslenkung der Feder konstant bleibt. Die z-Spannung
wird als Farbwert kodiert und über
einen Rechner dargestellt.
-
Dynamische
Betriebsarten hingegen, bei denen die Blattfeder in Schwingung versetzt
wird, haben in der Rasterkraftmikroskopie in steigendem Maße an Bedeutung
gewonnen, weil mit ihrer Hilfe empfindliche Proben ohne Beschädigung abgebildet werden
können
und weil aus Amplitude und Phase der Blattfederschwingung neben
der Oberflächentopographie
auch physikalische Eigenschaften der Probenoberfläche abgeleitet
werden können.
-
Die
Blattfeder wird dabei mit oder nahe ihrer Resonanzfrequenz in Schwingungen
versetzt und über
der Probenoberfläche
positioniert, so dass die Blattfeder über ihre Spitze die Probenoberfläche nur für eine sehr
geringe Zeit ihrer Oszillationsperiode berührt. Dadurch wird ein Schleifen
der Spitze über die
Probe verhindert, was bei Untersuchungen an schwach gebundenen oder
weicher Probenoberflächen
von Vorteil ist. Anders als im berührungslosen Modus ist die Oszillationsamplitude
groß genug
um die Adhäsionskräfte der
Probenoberfläche
zu überwinden.
Mittels Amplitudenvariation können
Oberflächenstrukturen
identifiziert und vermessen werden. Wird die Probenspitze bspw. über eine Überhöhung geführt, so
nimmt die Amplitude der Oszillation ab, läuft sie hingegen eine Vertiefung
steigt die Amplitude automatisch an.
-
Mit
Hilfe der so genannten Ultraschall-Kraftmikroskopie (Atomic Force
Acoustic Microscopy, AFAM) kann man lokale elastische Eigenschaften von
Materialien mit einer Ortsauflösung
von einigen Nanometern abbilden und quantitativ bestimmen. Es handelt
sich um einen dynamischen AFM Betriebsmodus, bei dem ausgenutzt
wird, dass eine mit seiner Resonanzfrequenz schwingende Blattfeder kleinste Änderungen
in den Spitze-Probe-Wechselwirkungen detektieren kann.
-
Von
besonderer Bedeutung ist hierbei die Schwingungsanregung der Blattfeder.
So gilt es darauf zu achten, durch die im Rahmen zur Schwingungsanregung
einzusetzenden Mittel und Techniken das durch die Blattfedergeometrie
sowie deren Eigenelastizität
vorgegebene Schwingungsverhalten möglichst wenig zu beeinträchtigen.
-
Stand der Technik
-
Im
Folgenden soll ein Überblick über bekannte
Anregungstechniken von AFM-Blattfedern gegeben
werden:
Da die Blattfeder eines Rasterkraftmikroskops, wie eingangs
erwähnt,
einseitig in einer Halterung befestigt bzw. einspannt ist, bietet
es sich an, ein zur Schwingungsanregung der Blattfeder erforderliches Schwingersystem
im Bereich der Halterung selbst zu integrieren. Bevorzugt werden
hierzu piezoelektrische Schwingersysteme eingesetzt, die neben der Blattfeder
auch zumindest Teilbereiche der Halterung selbst in Schwingungen
zu versetzen vermögen.
Ein Nachteil dieser Art der Anregung ist, dass die Eigenresonanzen
der Halterung sich mit den Eigenresonanzen des Federbalkens, die
man messen möchte, überlagern
können. Überdies
sind bei dieser Art der Schwingungsanregung Grenzen gesetzt hinsichtlich erreichbarer
Resonanzmoden längs
der Blattfeder.
-
Eine
andere Möglichkeit
zur Schwingungsanregung der Blattfeder besteht darin, ein Schwingungssystem
direkt auf die Blattfeder aufzubringen, um so störende Schwingungsanregungen
im Bereich der Halterung zu vermeiden.
-
In
Appl. Phys. Lett. 64, 12 (1994), J.Vac. Sci. Technol. B 15, 1506
(1997) sowie Appl. Phys. Lett. 85, 6398 (2004) wird vorgeschlagen,
die Blattfeder mittels eines Ultraschallwandlers anzuregen, indem der
Ultraschallwandler mit der zu untersuchenden Probe an einer der
Probenoberfläche
abgewandten Seite kontaktiert wird. Der Ultraschallwandler ist mit einem
externen Frequenzgenerator verbunden, der den Wandler mit einer
sinusförmigen
Wechselspannung versorgt, so dass Longitudinal-, bzw. Transversalwellen
in die Probe ausgesendet werden und somit senkrecht zur Probenoberfläche, bzw.
längs der Oberfläche Verschiebungen
hervorruft. Ist die Blattfeder über
ihre Spitze in Kontakt mit der Probenoberfläche, so werden die Schwingungen
von der Probenoberfläche
auf die Blattfeder übertragen,
die in Biege-, bzw. Torsions- und Lateralmoden zu schwingen beginnt.
Angeregt werden auf diese Weise Kontaktresonanzen des Systems Probe-Blattfeder,
bei denen Kräfte
zwischen der Spitze der Blattfeder und der Probenoberfläche wirken,
durch die sich die Resonanzen der freien Blattfeder zu höheren Frequenzen, den
so genannten Kontaktresonanzen, hin verschieben.
-
Aus
der
US 6,006,593 geht
ein Verfahren zur Messung von Oberflächeneigenschaften mittels AFM hervor,
bei dem die Anregung der Blattfeder an deren Aufhängung am
Ende der Blattfeder mittels eines Schwingungswandlers erfolgt, der
mit einem Frequenzgenerator verbunden ist. Dieser Wandler überträgt die Schwingung
auf die Blattfeder. Ist dieser in Kontakt mit der Probenoberfläche, so
können
mit dieser Methode ebenfals Kontaktresonanzen des Systems Probe-Blattfeder angeregt
werden. Als Wandler können
ein Ultraschallwandler oder die thermoelastische Ausdehnung der
Aufhängung
durch einen amplitudenmodulierten Laserstrahl verwendet werden.
-
Auch
sind kontaktfreie Anregungstechniken bekannt, mit denen die Blattfeder
in resonante Schwingungen versetzt werden kann. So geht aus der
DE 103 21 931 B4 ein
diesbezügliches
Verfahren hervor, dem die Erkenntnis zugrunde liegt, dass bei Schwingungsanregung
der Probenoberfläche
in lateral zur Oberfläche
orientierte und längs
einer Schwingungsrichtung linear polarisierte Schwingungen sowie
zusätzlicher
Ausrichtung der Blattfeder senkrecht zur Schwingungsrichtung über der
Probenoberfläche,
die Blattfeder durch innerhalb eines zwischen der Probenoberfläche und
der Blattfeder befindlichen gasförmigen
Koppelmediums, bspw. Luft, eingekoppelte Scherwellen zum Schwingen
angeregt werden kann.
-
Einen
anderen Ansatz beschreibt K. EI Hami et al. in „Selective excitation of the
vibration modes of a cantilever spring, Sensores and Actuators A
64 (1998), 151-155.
Längs der
Oberfläche
der Blattfeder werden Polymerstreifen aus piezoelektrischem Material
aufgebracht, die mit elektrischer Wechselspannung versorgt werden,
wodurch die Blattfeder in resonante Schwingungen versetzt wird.
-
In
der US-Schrift
US 6,211,540 wird
ein Halbleiter-Spannungs-Sensor beschrieben, der eine einseitig
eingespannte Blattfeder vorsieht, deren Durchbiegung mittels eines
Sensors erfasst wird, in dem ein Schottky-Kontakt enthalten ist.
Rastert die Spitze der Blattfeder eine Probenoberfläche ab,
so wird die Blattfeder ausgelenkt und es kommt zur Verbiegung der
Blattfeder. Der Schottky-Kontakt, der sich auf der Blattfeder befindet, ändert seine
elektrischen Eigenschaften aufgrund dieser Verformung.
-
Gleichsam
der vorstehenden Druckschrift beschreibt die WO 97/24915 ein Mikroelektromechanisches
System, das eine verformbare Struktur aufweist, die mit einem Sensorelement,
das bspw. als Schottky-Kontakt ausgebildet ist, kombiniert ist.
-
Darstellung der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Schwingungsanregung
einer einseitig in einem Rasterkraftmikroskop befestigten, und aus
Halbleitermaterial bestehenden Blattfeder derart auszubilden, dass
mit möglichst
einfachen technischen Mitteln eine Schwingungsanregung der Blattfeder
zuverlässig
möglich
wird und dies auch bei hohen Frequenzen, so dass auch resonante
Schwingungsmoden höherer
Ordnungen, d.h. 2. oder 3. Ordnung, angeregt werden können. Die
Vorrichtung soll insbesondere keine teuren Materialien erfordern, so
insbesondere nicht den Einsatz piezoelektrischer Materialien voraussetzen,
und mit einfachen verfahrenstechnischen Mitteln realisierbar sein.
-
Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Vorteilhafte den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise ausbildende
Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele
zu entnehmen.
-
Die
lösungsgemäße Vorrichtung
sieht eine Blattfeder vor, die aus einem Halbleitermaterial besteht,
das selbst über
keine piezoelektrischen Eigenschaften verfügt. Vorzugsweise eignet sich
hierzu Silizium, das p-, n-dotiert oder undotiert vorliegen kann. Die
Blattfeder ist zumindest abschnittsweise mit einer Metallschicht
unter Ausbildung eines Schottky-Kontaktes verbunden, an dem eine
elektrische Wechselspannung angelegt wird. Hierzu dient vorzugsweise eine
elektrische Spannungsquelle, die mit der Metallschicht elektrisch
verbunden ist. Alternativ oder in Kombination ist es jedoch auch
möglich,
in den Bereich des Schottky-Kontaktes mit einer geeigneten elektrischen
Feldquelle eine im Schottky-Kontaktbereich wirkende elektrische
Wechselspannung zu induzieren. Es zeigt sich, dass sich bei Anlegen
einer elektrischen Wechselspannung im Schottky-Kontaktbereich freie
resonante Schwingungen längs
der Blattfeder ausbilden, ohne dabei auf piezoelektrische Materialien
und den damit verbundenen an sich bekannten piezoelektrischen Effekt
zurückgreifen
zu müssen.
-
Auch
ist es möglich,
im Falle eines Oberflächenkontaktes
der Spitze der Blattfeder mit einer Probe mit Hilfe des lösungsgemäßen Vorsehens
eines Schottky-Kontaktes, Kontaktresonanzen im System Probe-Blattfeder
anzuregen.
-
Durch
Aufbringen einer Metallschicht auf wenigstens eine Blattfederoberfläche wird
innerhalb des aus einem Halbleitermaterial bestehenden Federbalkens
eine sogenannte Schottky-Barriere in Form einer Raumladungszone
geschaffen, die sich als Verarmungsschicht an Ladungsträgern zwischen
dem Halbleiter und der Metallschicht ausbildet. Wird am Schottky-Kontakt
eine elektrische Wechselspannung angelegt, so ändert sich die Größe der Raumladungszone
in Abhängigkeit
der Wechselspannung, d.h. sie vergrößert bzw. verkleinert sich.
Die Änderung
der Dicke der sich ausbildenden Raumladungszone ist mit einer Gitterverzerrung
des Halbleitermaterials verbunden, die wiederum unterschiedliche
Ursachen haben kann. Nach dem derzeitigen Verständnis des zu beobachtenden
Effektes zur Schwingungsanregung eines aus Halbleitermaterial gefertigten
Federbalkens unter Ausbildung eines Schottky-Kontaktes, wird davon
ausgegangen, dass die Kopplung an Gitterverzerrungen über mehrere
Kopplungsmechanismen, zum Beispiel das so genannte Deformationspotential
erfolgt. So kann beobachtet werden, dass sich Schwingungen in jenem
Bereich des Federbalkens ausbilden, der von einer Metallschicht überzogen
ist, d.h. in dem sich der Schottky-Kontakt befindet. Ausgehend von
diesem Bereich übertragen
sich die Schwingungen auf die gesamte Blattfeder, auch wenn sie
nur teilweise mit einer entsprechenden Metallschicht kontaktiert
ist.
-
Grundsätzlich können, wie
bereits vorstehend erwähnt,
sowohl Eigenmoden des freien Federbalkens als auch Kontaktresonanzen
angeregt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sorgt das Vorsehen
einer zusätzlichen
Gleichspannungsquelle, deren Gleichspannungspotential an den Schottky-Kontakt
in Überlagerung
mit der Wechselspannung angelegt wird, für eine Vergrößerung oder
Verkleinerung, je nach Polarität
der Gleichspannung, der Tiefenausdehnung des Schottky-Kontaktes,
wodurch die Effektivität
der Anregung verändert
und gezielt eingestellt werden kann.
-
Kurze Beschreibung der
Erfindung
-
Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es
zeigen:
-
1a und
b schematisierte Darstellung einer an einem Rasterkraftmikroskop
befestigten Blattfeder mit metallisierter Blattfederoberfläche,
-
2a-c
Drauf- und Seitenansichten einer in einem Chip integrierten Blattfeder
mit Metallschicht sowie
-
3a-i
Seiten- und Draufsichtdarstellungen einer Blattfeder mit unterschiedlich
ausgebildeten Metallschicht-Anordnungen bzw. Metallschicht-Ausbildungen.
-
Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
-
In
den 1a und b sind jeweils schematisiert Seitenansichten
einer Blattfederanordnung 2 gezeigt, die über ihre
Probenspitze 3 in Kontakt mit der Probenoberfläche einer
Probe 4 bringbar ist. Die Blattfederanordnung 2 ist
einstückig
aus einkristallinem Silizium gefertigt und weist einen Befestigungsabschnitt 2a auf,
der im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine
Federkraft beaufschlagte Klemmvorrichtung 5 einseitig an
einem festen Gegenlager 1 des Rasterkraftmikroskops verbunden
ist. Einseitig frei endend ragt seitlich über den Befestigungsabschnitt 2a die
eigentliche Blattfeder 2b, auf deren Oberseite eine Metallschicht 6 abgeschieden
ist, die zudem auch einen Bereich des Befestigungsabschnittes 2a überdeckt,
an dem ein elektrischer Kontakt 7 vorgesehen ist, der mit
einer Spannungsquelle 8 verbunden ist. Die Blattfederanordnung 2,
auf die in den 2a bis 2c noch
näher eingegangen
wird ist vollständig
aus einkristallinem Silizium gefertigt und somit mit den Mitteln
der Siliziumtechnologie herstellbar. Aus diesem Grunde wird der
Befestigungsabschnitt 2a zumeist auch als Chip bezeichnet,
von dem sich die Blattfeder 2b als frei endender Steg absetzt.
-
Durch
Abscheiden einer Metallschicht 6 auf der Halbleiteroberfläche der
Blattfederanordnung samt Blattfederoberseite bildet sich ein Schottky-Kontakt
aus, der sich als Verarmungsschicht an Ladungsträgern zwischen Halbleiter und
der Metallschicht auszeichnet. Wird über die Spannungsquelle 8 ein
Wechselspannungspotenzial an die Metallschicht 6 angelegt,
so beginnt sich die Blattfeder 2b aufgrund auftretender
Gitterverzerrungen periodisch zu deformieren. Durch geeignete Wahl
der Wechselfrequenz des applizierten Wechselspannungspotenzials
und in Abhängigkeit
von Form und Größe der Blattfeder 2b beginnt
die Blattfeder resonante Schwingungen auszuführen ohne dabei in Kontakt
zu einem schwingenden Medium zu stehen. Das Schwingungsverhalten
der Blattfeder 2b ist mit Hilfe eines Positionsdetektors 9 erfassbar,
indem das an der Blattfederoberseite reflektierte Licht einer Lichtquelle 10,
vorzugsweise eines Lasers, von einer Photodiode 11 detektiert
und entsprechend ausgewertet wird. Die von Seiten der Photodiode
generierten Diodensignale werden mit Hilfe eines schnellen Log-In-Verstärkers unter
einem entsprechend nachgeschalteten Digital-Oszilloskops bezüglich Amplitude
und Phase spektral ausgewertet.
-
Alternativ
zur lediglich einseitigen Metallisierung der Blattfederoberseite
ist es ebenso möglich, zur
Schwingungsanregung die Blattfederanordnung 2 sowohl auf
der Ober- als auch Unterseite mit einer entsprechenden Metallschicht 6 zu
beschichten. Ein derartiger Aufbau ist in 1b in
Seitenansicht dargestellt. Auf die bereits unter Bezugnahme in 1a eingeführten und
beschriebenen Bezugszeichen wird an dieser Stelle, um Wiederholungen
zu vermeiden, verwiesen. Zur Spannungsversorgung der an der Unterseite
vorgesehenen Metallschicht 6' ist
eine zweite Kontaktstelle 7' vorgesehen, über die
eine entsprechende Spannungszuführung
seitens der Spannungsquelle 8 erfolgt.
-
Sowohl
im Falle des Ausführungsbeispiels
in 1a als auch mit einer doppelseitigen Metallbeschichtung
der Blattfederanordnung 2 ist es möglich, die Blattfeder 2b in
Schwingungen zu versetzen, ohne dass die Probenspitze 3 in
Kontakt mit der Oberfläche
der Probe 4 ist. Wie bereits erwähnt kann durch geeignete Frequenzwahl
des anliegenden Wechselspannungspotenzials das Schwingungsverhalten
beeinflusst werden. Hierzu weist die Spannungsquelle 8 einen
Funktionsgenerator zur Erzeugung von Wechselspannungen mit Frequenzen
zwischen 10 kHz und 5 MHz. Die Spannungsquelle 8 verfügt darüber hinaus über eine
Gleichspannungsquelle zur Erzeugung eines Gleichspannungspotenzials,
bspw. von –50
Volt bis +50 Volt, das zusätzlich zur
Wechselfrequenz, d.h. durch Addition zur Wechselspannung, an die
Metallschicht 6 angelegt werden kann, so sich auch die
Amplitude der sich längs
der Blattfeder ausbildenden Schwingungen gezielt beeinflussen lassen.
-
Die
Drauf- und Seitenansichten auf eine Blattfederanordnung 2 gemäß den Bilddarstellungen in 2a bis
c zeigen unterschiedliche Ausbildungsformen der jeweils an der Oberseite
der Blattfederanordnung 2 abgeschiedenen Metallschicht 6,
die mittels an sich bekannter Abscheidetechniken, wie Bedampfen,
Sputtern, galvanisches oder stromloses Metallabscheiden auf der
jeweiligen Oberfläche
der Blattfederanordnung aufgetragen werden kann.
-
Typischerweise
weist die Blattfederanordnung 2 im Befestigungsabschnitt 2a eine
Länge L
von 4 mm, eine Breite B von ca. 2 mm und eine Dicke D von ca. 300 μm auf. Einstückig mit
dem Befestigungsabschnitt 2a verbunden ist die Blattfeder 2b vorgesehen,
die typischerweise eine Länge
l zwischen 100 μm
und 500 μm,
eine Breite b von 20 μm bis
60 μm sowie
eine Dicke d von 1 μm
bis 10 μm
aufweist. Die gesamte Blattfederanordnung 2 weist an ihrem
der Blattfeder 2b zugewandten Endbereich gemäß Ausführungsbeispiel
in 2a eine homogene Metallschicht 6 auf,
vorzugsweise in Form einer Platin- oder Goldschicht, die eine Schichtdicke
von typischerweise 100 nm bis 1 μm
besitzt. Die der Zeichenebene gemäß 2a zugewandte
Oberseite der Blattfeder 2b ist hierbei ganzflächig mit
der Metallschicht 6 überzogen.
-
Grundsätzlich ist
es zur Schwingungsanregung des Blattfederabschnittes 2b nicht
erforderlich, den Befestigungsabschnitt 2a mit der Metallschicht 6 mit
zu überdecken.
Andererseits bedarf es jedoch entsprechender Kontaktbereiche, mit
der die Metallschicht 6 elektrisch kontaktiert wird. Hierzu
ist in 2b lediglich an der Oberseite
des Befestigungsabschnittes 2a ein kleiner Bereich mit
einer Metallschicht 6 überdeckt,
der zur elektrischen Kontaktierung der die Blattfederoberseite 2b vollständig überdeckenden
Metallschicht dient.
-
In 2c sind
an der Oberfläche
des Befestigungsabschnittes 2a räumlich zwei getrennte Elektrodenflächen 6a und 6b vorgesehen,
die mit als Interdigital- Elektrodenstrukturen
ausgebildeten, räumlich
getrennten Metallschichten verbunden sind, die an der Oberfläche der
Blattfeder 2b abgeschieden sind. Die Ausbildung der Metallschicht
längs der Blattfederoberfläche in Form
von Interdigital-Elektroden bzw. Interdigital-Finger führt zur
Anregung von Torsionsmoden längs
der einseitig eingespannten Blattfeder 2b. Selbstverständlich ist
es möglich,
die Ausbildung der Kontaktbereiche 6a und 6b unterschiedlich
vorzunehmen und in unterschiedlicher Weise an der Oberfläche des
Befestigungsabschnittes 2a anzubringen.
-
3a zeigt
eine Seiten- sowie Draufsicht auf die Blattfeder 2b, der
in der Darstellung links einstückig
in den Blattfederbefestigungsabschnitt 2a übergeht
und in der Bilddarstellung rechts stegartig frei endend ausgebildet
ist. In der in 3a dargestellten Form ist auf
der Blattfederoberseite eine Metallschicht 6 ganzflächig aufgebracht,
beispielsweise mittels Abscheidetechnik. Zwischen der aus einkristallinem
Silizium bestehenden Blattfeder 2b und der darauf aufgebrachten,
vorzugsweise aus Platin oder Gold bestehenden Metallschicht 6 bildet
sich ein Schottky-Kontakt aus, der, wie eingangs erläutert, zu einer
Raumladungszone im Sinne einer Ladungsverarmungszone führt, die
in Gegenwart eines elektrischen Wechselpotentials aufgrund auftretender
Gitterverzerrungen innerhalb des Halbleitermaterials Schwingungen
längs der
stegartig ausgebildeten Blattfeder 2b iniziiert, an deren
Ende die Probenspitze 3 vorgesehen ist.
-
Wird
im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
gemäß 3a die
Oberfläche
der Blattfeder 2b gemäß Ausführungsbeispiel
in 3b nur teilweise mit einer Metallschicht 6 bedeckt,
so zeigt sich, dass sich bevorzugt die ersten drei freien Biegemoden
des Blattfederabschnittes 2 angeregt werden können. Befindet
sich darüber
hinaus die Blattfeder 2b mit ihrer Probenspitze in Kontakt
mit der Oberfläche
einer Probe (nicht dargestellt), so ist es überdies möglich, mit Hilfe des wechselspannungsbeaufschlagten Schottky-Kontaktes
zwischen der Metallschicht 6 und der Blattfeder 2b die
ersten drei Biegekontaktresonanzen auszubilden.
-
Versuche
haben gezeigt, dass es möglich
ist, bevorzugt den ersten Biegemode der Blattfeder 2b anzuregen,
sofern am Ende des Blattfederabschnittes 2b ein lokaler Metallschichtbereich 6' abgeschieden
ist gemäß Bilddarstellung
in 3c. Lediglich zur elektrischen Kontaktierung des
Metallschichtbereiches 6' verläuft an der
Oberseite der Blattfeder 2b ein ausgedünnter Metallschichtsteg 6'', der jedoch möglichst kleinflächig ausgebildet
ist und somit wenig Einfluss auf die Ausbildung eines Schottky-Kontaktes hat.
Die Anregung des zweiten Biegemodes konnte gezielt erreicht werden,
indem längs
der Blattfeder 2b zwei voneinander beabstandete Metallschichtfelder 61 und 62 gemäß Bilddarstellung
in 3d abgeschieden sind. Hierbei befindet sich ein
Metallschichtfeld 61 etwas außerhalb zur Mitte der Blattfeder 2b und
der zweite Metallschichtbereich 62 am Endbereich der Blattfeder 2b,
der Probenspitze 3 unmittelbar gegenüberliegend. Beide Metallschichtfelder 61 und 62 sind über eine
elektrische Verbindungsleitung 6'',
die möglichst
schmal ausgebildet ist, elektrisch kontaktiert.
-
Zur
Ausbildung des dritten Biegemodes der Blattfeder 2b sind
jeweils drei Metallschichtfelder 61, 62, 63 längs einer
Oberseite der Blattfeder 2b vorgesehen (siehe Ausführungsbeispiel
in 3e). Auch konnten besonders gute Erfolge bei der
Anregung des zweiten Biegemodes verzeichnet werden, indem an der
Oberseite der Blattfeder 2b zwei getrennte Metallschichtfelder 61, 62 vorgesehen
worden sind (siehe Ausführungsbeispiel
gemäß 3f)
und zusätzlich
an der Unterseite des Blattfederabschnittes 2b ein weiteres
Metallschichtfeld 63 angebracht wurde. Hierbei liegen die
Metallschichtfelder 61 und 63 unmittelbar gegenüber.
-
Entsprechend
der Elektrodenanordnung im Ausführungsbeispiel
gemäß 3g konnte
die Ausbildung des dritten Biegemodes hinsichtlich des Blattfederabschnittes 2b gezeigt
werden. Hier befinden sich ebenfalls an der Oberseite und Unterseite des
Blattfederabschnittes 2b Elektrodenflächen 61, 62, 63 sowie 64 und 65.
-
Schließlich zeigt 3g eine
Prinzipdarstellung zur Anordnung von als Interdigital-Finger ausgebildete
Metallschichten 6 auf der Oberseite der Blattfeder 2b.
Mit der in 3g dargestellten Metallschichtanordnung
können
Torsionsmoden angeregt werden, vorzugsweise der zweite Mode. Ausführungsbeispiel
gemäß 3i zeigt
eine Interdigital-Elektrodenanordnung mit jeweils fünf getrennten Metallschichtbereichen 6,
die an der Oberseite des Blattfederabschnittes 2b vorgesehen
und jeweils durch randseitige schmale Metallisierungen 6' entsprechend
elektrisch kontaktiert sind, mit der der fünfte Torsionsmode der Blattfeder
angeregt werden kann.
-
Grundsätzlich ist
festzuhalten, dass die Anordnung der Metallbeschichtungen je nach
Modenanregung unterschiedlich auszubilden ist. Auch gilt es zu beachten,
ob sich freie Resonanzen oder Kontaktresonanzen längs des
Blattfeder ausbilden sollen. Gemäß den Ausführungsbeispielen
in den 3f sowie 3g konnte
gezeigt werden, dass durch zusätzliches
Vorsehen von Metallschichtfeldern sowohl auf der Oberseite als auch
auf der Unterseite die Schwingungsanregung längs der Blattfeder verstärkt werden
konnte. Werden im Unterschied zu in den 3f und 3g gezeigten
Ausführungsbeispielen
die Metallschichtfelder auf der Ober- und Unterseite der Blattfeder
versetzt zueinander angeordnet, so bilden sich Phasenverschobene
Schwingungsmoden aus.
-
- 1
- Befestigungsbereich
des Rasterkraftmikroskops
- 2
- Blattfeder
- 2a
- Befestigungsabschnitt
- 2b
- Blattfederabschnitt
- 3
- Probenspitze
- 4
- Probe
- 5
- Klemmvorrichtung
- 6
- Metallschicht
- 6'
- Metallschichtleitung
- 61-65
- Metallschichtfelder
- 7
- Kontaktstelle
- 7'
- Kontaktstelle
- 8
- Spannungsversorgung
- 9
- Positionsdetektor
- 10
- Lichtquelle,
Laser
- 11
- Photodiode