DE102007025240A1

DE102007025240A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung biologischer Systeme und Festkörpersystem

Info

Publication number: DE102007025240A1
Application number: DE102007025240A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Struckmeier
Original assignee: Nambition GmbH
Current assignee: Nambition GmbH
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2007-05-31
Publication date: 2008-12-04
Also published as: WO2008145340A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung einer jeweiligen Auslenkung mehrerer regelmäßig angeordneter Messbalken (3) in einem Rastersondenmikroskop oder einem Rasterkraftmikroskop, umfassend: wenigstens eine Strahlenquelle (7), die eingerichtet ist wenigstens einen Messstrahl (5) zu erzeugen; eine Strahlenoptik, die eingerichtet ist den wenigstens einen Messstrahl (5) auf zumindest einen Teil der mehreren Messbalken (3) so zu richten, dass jeder Messbalken davon einen Messstrahl reflektiert; einen Detektor (10) mit mehreren Segmenten (12), der die von den Messbalken (5) reflektierten Messstrahlen (5) gleichzeitig detektiert, wobei jedes Segment des Detektors eingerichtet ist, ein von der auf das Segment eingestrahlten Energie abgeleitetes Signal auszugeben; eine Analyseeinrichtung (20), die die von dem Detektor (10) kommenden Signale auswertet und entsprechend einer Auslenkung eines Messbalkens (3) zuordnet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen und Verfahren zur Untersuchung biologischer Systeme sowie Festkörpersystem, und insbesondere solche, die Rastersondenmikroskopie oder Rasterkraftmikroskopie ermöglichen.
Hintergrund der Erfindung
Biologische Systeme und darin ablaufende Prozesse beruhen auf molekularen Wechselwirkungen. Molekulare Kräfte in biologischen Systemen unterscheiden sich von anderen Molekularsystemen, insbesondere hinsichtlich chemischer Reaktionen und physikalischer Änderungen eines Gesamtsystems. Aussagen über molekulare Wechselwirkungen in biologischen Systemen stellen aber die Voraussetzung dar, um derartige Systeme zu analysieren und weiterführende Aussagen machen zu können.
Zur Messung molekularer Wechselwirkungen in biologischen Systemen oder Festkörpersystem werden unter anderem rastersondenmikroskopische Ansätze verwendet, um Oberflächentopografien mit hoher lateraler und vertikaler Auflösung zu bestimmen. Unter lateraler Auflösung ist hierbei die Auflösung in einer Ebene einer zu untersuchenden Oberfläche eines zu untersuchenden Systems zu verstehen, während die Auflösung senkrecht zu dieser Ebene als vertikale Auflösung bezeichnet wird.
Beispiele für kraftspektroskopische und rastersondenmikroskopische Ansätze umfassen rasterkraftmikroskopische Ansätze, wie zum Beispiel die Rasterkraftmikroskopie (SFM, engl.: scanning force microscopy) oder Kraftspektroskopie (oder AFM, engl.: atomic force microscopy)
Mit solchen rasterkraftmikroskopischen Ansätzen können neben der Topologie einer Oberfläche einer Probe auch deren Elastizität oder dort wirkende Adhäsionskräfte erfasst werden. Die Rasterkraftmikroskopie, in diesem Falle üblicherweise als "Kraftspektroskopie" bezeichnet, ermittelt molekulare Kräfte einer Probe mittels einer Sonde, mit der die Probe abgetastet wird, um z. B. Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen quantitativ zu charakterisieren. Üblicherweise umfasst die Sonde eine an einem freitragenden Ausleger oder Messbalken, der auch als Cantilever bezeichnet wird, befestigte Spitze. Zur Untersuchung der Probe wird z. B. die Sonde über die Oberfläche der Probe gerastert, wobei die lateralen und vertikalen Positionen und/oder Auslenkungen der Sonde aufgezeichnet werden. Bewegungen der Sonde relativ zu der Probe sind aufgrund der elastischen Eigenschaften der Sonde und insbesondere des Cantilevers möglich. Auf der Grundlage erfasster lateraler und vertikaler Positionen und/oder Auslenkungen der Probe werden molekulare Kräfte seitens der Probe und daraus deren Oberflächentopografie ermittelt.
Um die Oberflächentopografie einer Probe zu ermitteln, werden die Oberflächen der Probe und die Sonde eines Rasterkraftmikroskops derart miteinander in Kontakt gebracht, dass eine zwischen diesen wirkende Kraft auf einen vorbestimmten Wert (z. B. 50–100 pN) festgelegt wird. Danach werden die Probe und die Sonde relativ zu einander lateral so bewegt, dass eine gerasterte Abtastung der Oberflächenprobe durch die Sonde erfolgt. Dabei werden die Probe und/oder die Sonde auch vertikal bewegt, um die zwischen wirkende Kraft auf dem vorgegebenen Wert zu halten. Bewegungen der Probe und der Sonde relativ zu einander können durch eine entsprechende Anordnung, die beispielsweise eine Piezokeramik umfasst, bewirkt werden.
Üblicherweise werden Bewegungen der Sonde bzw. des Cantilevers mittels optischer Messeinrichtungen ermittelt, die Auflösungen im Bereich von 0,1 nm haben und eine Detektion von Kräften von einigen pN ermöglichen. Dazu wird herkömmlicherweise ein Messstrahl, bspw. ein Laserstrahl, auf einen Cantilever gerichtet und die Position des reflektierten Laserstrahls mit der optischen Messeinrichtung ermittelt. Auslenkungen des Cantilevers führen zu einer Veränderung des Laserstrahls auf der Messeinrichtung, wodurch eine einfache und direkte Möglichkeit der Messung der Auslenkung des Cantilevers gegeben ist.
Neben den üblichen Vorrichtungen, die einen einzelnen Cantilever verwenden, sind auch Vorrichtungen bekannt, die mehrere Cantilever verwenden, bspw. ein Cantileverarray, bei dem bspw. mehrere Cantilever regelmäßig nebeneinander angeordnet sind. Solche Cantileverarrays können zum Beispiel als nanochemischer Sensor verwendet werden, der chemische und biochemische Reaktionen sowohl in der Gasphase als auch in der Flüssigphase wahrnehmen kann. Cantileverrrays können auch mit einer entsprechenden Schicht versehen sein, sodass bspw. das Cantileverarray für bestimmte chemische Analyte ein bestimmtes Resonanzverhalten zeigt, usw.
Cantileverarrays werden typischerweise mittels Laserstrahlen ausgelesen, wobei auf jeden einzelnen Cantilever ein Laserstrahl trifft und dieser abgelenkt wird. Der abgelenkte Laserstrahl trifft üblicherweise auf eine Quadrantendiode, mit Hilfe derer die Positionsveränderungen des Laserstrahls und somit die Auslenkung eines Cantilevers ermittelt wird. Um die Auslenkung mehrere Cantilever mittels der Quadrantendiode zu ermitteln, sind die Laserstrahlen kodiert, bspw. zeitgemultiplext. Das heißt, die Auslenkungen der Cantilever werden nicht zeitgleich, sondern zeitlich versetzt ermittelt.
Das zeitlich versetzte Ermitteln der Auslenkung der Cantilever führt insbesondere bei Messungen mit zeitlich sich schnell verändernden Cantileverpositionen bzw. Cantileverauslenkungen zu einer unvollständigen und/oder nicht hochaufgelösten Aufnahme, bspw. von Kraftkurvenverläufen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren für die Rastersonde- bzw. Rasterkraftmikroskopie bereitzustellen.
Kurzfassung der Erfindung
Nach einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Messung einer jeweiligen Auslenkung mehrerer regelmäßig angeordneter Messbalken in einem Rastersondenmikroskop oder einem Rasterkraftmikroskop bereit, wobei die Vorrichtung umfasst: wenigstens eine Strahlenquelle, die eingerichtet ist wenigstens einen Messstrahl zu erzeugen; eine Strahlenoptik, die eingerichtet ist den wenigstens einen Messstrahl (5) auf zumindest einen Teil der mehreren Messbalken so zu richten, dass jeder Messbalken davon einen Messstrahl reflektiert; einen Detektor mit mehreren Segmenten, der die von den Messbalken reflektierten Messstrahlen gleichzeitig detektiert, wobei jedes Segment des Detektors eingerichtet ist, ein von der auf das Segment eingestrahlten Energie abgeleitetes Signal auszugeben; eine Analyseeinrichtung, die die von dem Detektor kommenden Signale auswertet und entsprechend einer Auslenkung eines Messbalkens zuordnet.
Nach einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer jeweiligen Auslenkung mehrerer regelmäßig angeordneter Messbalken in einem Rastersondenmikroskop oder Rasterkraftmikroskop bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Richten eines Messstrahls auf zumindest einen Teil der mehreren Messbalken; gleichzeitiges Detektieren der von den Messbalken jeweilig reflektierten Messstrahlen mit Hilfe eines Detektionsmittels, das mehrere Segmente aufweist, wobei eine Auftrefffläche jeweils eines Messstrahls auf dem Detektionsmittel wenigstens zwei Segmente erfasst; Analysieren der Position der Auftrefffläche auf dem Detektionsmittel und Ermitteln einer entsprechenden Auslenkung eines zugehörigen Messbalkens.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Rastersonden- oder Rasterkraftmikroskop mit einer Vorrichtung zur Messung einer jeweiligen Auslenkung mehrerer regelmäßig angeordneter Messbalken nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung bereit.
Weitere Aspekte und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Vorrichtung zur Messung einer jeweiligen Auslenkung mehrerer regelmäßig angeordneter Messbalken in einem Rastersondenmikroskops oder einem Rasterkraftmikroskops gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
2 den in 1 gezeigten Detektor näher illustriert.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung einer jeweiligen Auslenkung mehrerer Messbalken 3 in einem Rastersondenmikroskop oder einem Rasterkraftmikroskop.
Vor einer detaillierten Beschreibung der 1 folgen zunächst allgemeine Erläuterungen zu den Ausführungsbeispielen und deren Vorteile.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst bspw. eine Messeinrichtung eine Sonde für rastersondenmikroskopische und/oder kraftspektroskopische Messungen und einen Probenträger zur Anordnung einer Probe, die vermessen werden soll. Bei rastersondenmikroskopische oder kraftspektroskopische Messungen wird in einem bestimmten Raster mittels einer Sonde eine Probe abgetastet. Dabei kann entweder die Sonde in wohldefinierten Schritten über die Probe bewegt werden, oder die Sonde ist ortsfest und die Probe wird, bspw. mittels eines Probenträgers mit Positionierungseinheit bewegt. Bei manchen Ausführungsbeispielen werden sowohl die Sonde als auch der Probenträger positioniert. Auslenkungen der Sonde (bzw. beispielsweise gemessene Tunnelströme, je nach Mikroskopierverfahren) werden mittels bildgebender Verfahren in ein sichtbares, vergrößertes Bild der Probe umgesetzt.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst eine Sonde mehrere, bspw. regelmäßig angeordnete, Messbalken, auch Cantilever genannt. Die Messbalken sind bspw. in einem Array, bspw. nebeneinander angeordnet. Um die Auslenkung jedes einzelnen Cantilever zu messen, wird jeweils ein Messstrahl, von einer Strahlenquelle kommend, bspw. mit Hilfe einer Strahlenoptik auf jeweils einen Cantilever gerichtet. Ein Messstrahl trifft auf die Oberfläche eines Cantilevers, wird von dieser reflektiert und trifft schließlich auf einen Detektor. Auf dem Detektor weist der Messstrahl eine gewisse Auftrefffläche auf, die bspw. von einer Strahloptik, die sich zwischen dem Cantilever und dem Detektor befindet beeinflusst wird.
In manchen Ausführungsbeispielen hängt die Größe der Auftrefffläche lediglich von dem Abstand zwischen dem Cantilever und dem Detektor ab. In wieder anderen Ausführungsbeispielen hängt die Größe der Auftrefffläche von dem Abstand zwischen Cantilever und Detektor und einer dazwischenliegenden Strahloptik ab.
Der Detektor weist in manchen Ausführungsbeispielen bspw. verschiedene Segmente auf, die bspw. in einem 2-dimensionalen Array angeordnet sind. Die Segmente haben in den Ausführungsbeispielen unterschiedliche Formen, bspw. viereckig, sechseckig oder eine beliebige andere Form. Jedes Segment des Detektors ist eingerichtet ein Signal entsprechend der auf das Segment eingestrahlten Messstrahl-Energie zu erzeugen. Dadurch, dass jedes Segment des Detektors ein Signal ausgibt, ist eine gleichzeitige Detektion eines jeden Messstrahls durch den Detektor gegeben.
Bewegt sich der Cantilever über eine Probe, so erfährt er eine Auslenkung in z-Richtung, d. h. eine bezüglich der Probe im wesentlichen senkrechte Auslenkung. Diese Auslenkung des Cantilevers führt dazu, dass der auf ihn auftreffenden Messstrahl in einem veränderten Winkel reflektiert wird. Dadurch findet eine Abbildung der Cantilever-Bewegung über den Messstrahl auf den Detektor statt. Die Bewegung des Auftreffpunktes auf dem Detektor ist folglich direkt proportional zu der Auslenkung des Cantilevers und dem Gesetz der zentrischen Streckung folgend entsprechend vergrößert. Dadurch, dass jeder Cantilever zeitgleich einen Messstrahl reflektiert, wird demnach die Auslenkung jedes Cantilevers gleichzeitig als eine Bewegung des Auftreffpunktes auf dem Detektor abgebildet.
In einigen Ausführungsbeispielen ist die Fläche des Auftreffpunktes auf dem Detektor größer als die Fläche eines Segmentes, bspw. beträgt sie das 1,2fache eines Segments, oder sie ist so groß, dass sie im Mittel zwei, vier oder sogar 9 Segmente erfasst. Die von dem Messstrahl auf den Detektor eingestrahlte Energie verteilt sich somit auf mehr als ein Segment. Eine Bewegung des Auftreffpunktes auf dem Detektor geht demnach mit einer Intensitätsänderung in den von dem Messstrahl erfassten Segmenten einher. Die Intensitätsänderung selbst spiegelt sich in einer Änderung des jeweiligen von dem Segment erzeugten Signals wider.
In manchen Ausführungsbeispielen wertet eine Analyseeinrichtung die Signale und deren Änderungen aus und ermittelt daraus eine zugehörige Änderung der Auslenkung eines Cantilevers bzw. eine Position des Cantilevers. Je nach Anwendung kann die Analyseeinrichtung in den Ausführungsbeispielen zusätzlich noch eine entsprechende zwischen dem Cantilever und der Probe wirkende Kraft ermitteln.
In manchen Ausführungsbeispielen werden für die Positionsermittlung des Auftreffpunktes eines Messstrahls auf dem Detektor, je nach Größe der Fläche des Auftreffpunktes, mehr als ein Segment, bspw. zwei, vier oder neun Segmente herangezogen. Die Analyseeinrichtung gewichtet in manchen Ausführungsbeispielen bspw. die Signale der einzelnen Segmente, um die Position eines Auftreffpunktes entsprechend zu ermitteln und folglich auch Positionsveränderungen des Auftreffpunktes und damit Änderungen der Auslenkungen der Cantilever entsprechend zu ermitteln. Die Genauigkeit der Positionsermittlung des Auftreffpunktes eines Messstrahls auf dem Detektor hängt folglich unter anderem auch davon ab, wie viele Segmente für die Positionsermittlung herangezogen werden können. Die Zahl der Segmente, die für die Auswertung benutzt werden hängt unter anderen davon ab, wie groß die Auftrefffläche des Auftreffpunktes auf dem Detektor ist und wie viele Segmente von der Auftrefffläche erfasst werden. In manchen Ausführungsbeispielen werden nicht alle Segmente für bspw. die Positionsermittlung herangezogen, die von der Auftrefffläche des Messstrahls erfasst werden, sondern es können auch beliebige Teilgruppen von Segmenten einer Auftrefffläche für die Auswertung herangezogen werden.
In manchen Ausführungsbeispielen können nicht nur die Auftreffpunkte auf dem Detektor der Messstrahlen der jeweiligen Cantilever gleichzeitig ermittelt werden, sondern es ist auch möglich zu ermitteln, welcher Messstrahl von welchem Cantilever stammt. In Situationen, in denen die Messstrahlen in der gleichen Reihenfolge auf dem Detektor auftreffen, wie die Cantilever angeordnet sind, ist dies ohne weiteres möglich. In manchen Ausführungsbeispielen können sich aber bspw. Messstrahlen überkreuzen, sodass bspw. die Reihenfolge der Auftreffpunkte der Messstrahlen auf dem Detektor nicht der Reihenfolge der Cantilever entspricht. Daher können in manchen Ausführungsbeispielen solche Messstrahlen aus der Auswertung herausgenommen werden. In wieder anderen ist es möglich die Auftreffpunkte den Cantilevern eindeutig zuzuordnen, indem bspw. der (die) Messstrahl(en) kodiert ist (sind), bspw. durch ein entsprechendes Multiplexing.
In manchen Ausführungsbeispielen sorgt ein entsprechendes Initialisierungsverfahren für eine eindeutige Zuordnung der Messstrahlen und ihrer Auftreffpunkte zu den jeweiligen Cantilevern. Zum Beispiel umfasst das Verfahren in manchen Ausführungsbeispielen einen Initialisierungsschritt in welchem die Messstrahlen nacheinander auf die Cantilever geleitet werden und folglich nacheinander die Auftreffpunkte auf dem Detektor ermitteln werden. Dadurch ist es nicht nur möglich die Auftreffpunkte eindeutig den entsprechenden Cantilevern zuzuordnen, sondern bspw. kann in manchen Ausführungsbeispielen durch entsprechenden Einstellung einer Strahloptik, der Strahlenquelle, usw., dafür gesorgt werden, dass die Reihenfolge der Auftreffpunkte der Messstrahlen auf dem Detektor der Reihenfolge der Cantilever entspricht. In manchen Ausführungsbeispielen wird hingegen einfach die vertauschte Reihenfolge, bspw. durch eine entsprechend eingerichtete Analyseeinrichtung gespeichert. In wieder anderen gibt bspw. die Analyseeinrichtung ein Signal aus, das auf die falsche Reihenfolge hinweist oder bei sehr starken Abweichungen (bspw. wenn einem Cantilever kein Auftreffpunkt zugeordnet werden kann) ein Fehlersignal ausgibt, das bspw. auf einen Fehler des Cantileverarrays oder dessen Einrichtung in dem Rastersonden- oder Rasterkraftmikroskop hinweist.
In manchen Ausführungsbeispielen ist ein kompletter Messvorgang einer Probe automatisiert. Dabei werden bspw. anfangs vor Messbeginn die Auftreffpositionen der von den einzelnen Cantilevern eines Cantileverarrays reflektierten Messstrahlen von der Analyseeinrichtung auf dem Detektor ermittelt. Danach sorgt ein automatisiertes Abtastverfahren dafür, dass das Cantileverarray in einer vorgegebenen Weise über die Probe bewegt wird. Die Auslenkungen der einzelnen Cantilever werden über die Auftreffpositionen der entsprechenden Messstrahlen auf dem Detektor und der entsprechenden Auswertung der von dem Detektor kommenden Signale durch die Analyseeinrichtung ermittelt. Die gleichzeitige Auswertung der Signale sorgt dafür, dass die Auslenkungen aller Cantilever des Cantileverarrays gleichzeitig ermittelt werden können. Dies ist auch in Ausführungsbeispielen möglich, die Cantilever aus weichem Material verwenden und die sich folglich sehr leicht und damit auch schneller auslenken als härtere Cantilever.
In manchen Ausführungsbeispielen ist das automatisierte Verfahren noch weiter verfeinert. Zum Beispiel befinden sich in manchen Ausführungsbeispielen zwischen der Strahlquelle und dem Cantileverarry eine entsprechend steuerbare Strahlenoptik, die bspw. die einzelnen Messstrahlen auf die einzelnen Cantilever ausrichtet und bspw. die Fläche des Auftreffpunktes des Messstrahls optimiert. Weiterhin ist in manchen Ausführungsbeispielen eine Strahlenoptik zwischen dem Cantilever und dem Detektor angeordnet, sodass dort die reflektierten Messstrahlen hinsichtlich ihrer Ausrichtung, Intensität und hinsichtlich der Auftrefffläche auf dem Detektor optimiert werden können.
In manchen Ausführungsbeispielen kann bspw. die Anordnung anfangs automatisch kalibriert werden. Dazu optimiert bspw. die steuerbare Strahlenoptik zwischen der Strahlenquelle und dem Cantileverarray jeden einzelnen Messstrahl dahingehend, dass die Strahlenoptik jeden Messstrahl auf dem jeweiligen Cantilever zentriert und die von dem Messstrahl auf dem Cantilever ausgeleuchtet Fläche optimiert, bspw. den Durchmesser der ausgeleuchteten Fläche der Breite des Cantilevers anpasst. Weiterhin kann die steuerbare Strahlenoptik zwischen dem Cantilever und dem Detektor die einzelnen reflektierten Messstrahlen so ausrichten, dass die Auftreffpunkte auf dem Detektor gleich beabstandet sind und die gleiche Fläche aufweisen. Diese Optimierung kann bspw. von der Analyseeinrichtung gesteuert werden, die bspw. in einem ersten Schritt sukzessive die einzelnen Messstrahlen auf die Cantilever treffen lässt und den Strahlengang nacheinander – wie oben ausgeführt – durch entsprechende Steuerung der Strahlenoptiken optimiert. In einem zweiten Schritt können dann bspw. die Auftreffpunkte der einzelnen Messstrahlen auf dem Detektor optimiert werden, usw.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die Strahlenquelle so eingerichtetet, dass sie mehrere Messstrahlen zur Verfügung stellt, bspw. eine Anzahl von Messstrahlen, die der Anzahl der Cantilever entspricht. In anderen Ausführungsbeispielen stellt die Strahlenquelle nur einen Messstrahl bereit und eine Strahlenoptik teilt den einen Messstrahl in eine Vielzahl von Messstrahlen auf, die bspw. der Anzahl der Cantilever entspricht. In wieder anderen Ausführungsbeispielen ist eine Kombination der beiden Ausführungsbeispielen verwirklicht.
In manchen Ausführungsbeispielen ist die Strahlenquelle eingerichtet die Messstrahlen zu kodieren, bspw. zu multiplexen. In wieder anderen ist die Strahlenoptik entsprechend eingerichtet. In anderen hingegen ist wiederum eine Kombination verwirklicht.
In manchen Ausführungsbeispielen sind mehrere Segmente eines Detektors zu einem Segmentbereich zusammengefasst, der je nach der in den einzelnen Segmenten des Segmentbereichs gemessenen Intensitätsverteilungen ein entsprechendes Signal ausgibt. In diesen Ausführungsbeispielen analysiert folglich die Analyseeinrichtung nur indirekt jedes einzelne Signal der Segmente, da die Analyseeinrichtung nur ein Signal pro Segmentbereich erhält. Diese Signale der Segmentbereiche hängen allerdings wiederum von den einzelnen intrinsischen Signale der einzelnen Segmente ab. In wieder anderen Ausführungsbeispielen ist der Detektor bspw. eine CCD (engl. Charged Coupled Device) oder ein CMOS (engl. Complementary Metal Oxide Semiconductor) wie sie bspw. bei Digitalkameras zum Einsatz kommen.
In manchen Ausführungsbeispielen weist jedes einzelne Segment eines Detektors eine entsprechende Signalleitung auf, über die ein von der eingestrahlten Messstrahleenergie abgeleitetes Signal ausgegeben wird. In manchen Ausführungsbeispielen weist jedes Segment eine Einrichtung auf, die bspw. eingerichtet ist, ein von der eingestrahlten Energie abgeleitetes Signal auszugeben. In manchen Ausführungsbeispielen ist folglich der Detektor so eingerichtet, dass jedes einzelne seiner Segmente gleichzeitig oder wenigstens mit einer hohen Frequenz in der Lage ist ansprechend auf den auftreffenden Messstrahl ein Signal auszugeben.
Zurückkehrend zu 1 ist dort eine Sonde, bzw. ein Mehr-Cantilever oder Cantileverarray 1 mit mehreren – hier sechs – Cantilevern (Messbalken) 3 gezeigt. Eine Strahlenquelle 7 erzeugt Messstrahlen 5, hier bspw. Laserstrahlen, die jeweils auf die Cantilever 3 auftreffen, dort reflektiert werden und dann auf einen Detektor 10 auftreffen. Der Übersichtlichkeit halber sind nur drei Messstrahlen 5 gezeigt. In 1 sind die Messstrahlen 5 auf dem Weg zwischen der Strahlenquelle 7 dünn gezeigt, während sie sich auf dem Weg zwischen den Cantilevern 3 und dem Detektor 10 aufweiten. Diese Aufweitung ist in den Ausführungsbeispielen auf verschiedene Art und Weise bewirkt. In 1 wird die Divergenz der Messstrahlen 5 zwischen der Sonde 1 und dem Detektor durch den Abstand zwischen dem Detektor und der Sonde 1 entsprechend beeinflusst, sodass die Auftreffflächen der Messstrahlen 5 auf dem Detektor 10 die entsprechende Größen aufweisen.
In anderen Ausführungsbeispielen werden die Messstrahlen 5 bspw. über eine entsprechende Strahlenoptik zwischen dem Detektor 10 und der Sonde 1 beeinflusst und eingestellt. Gleiches gilt für den Strahlenweg der Messstrahlen 5 zwischen Strahlenquelle 7 und der Sonde 1 bzw. den entsprechenden Cantilevern 3, in dem ebenfalls eine Strahlenoptik angeordnet sein kann. Die Strahlenoptik ist in manchen Ausführungsbeispielen auch in der Strahlenquelle 7 integriert, wie bspw. in 1 gezeigt ist. Hier ist die Strahlenquelle 7 so eingerichtet, dass sie nicht nur die Messstrahlen 7 erzeugt, sondern diese auch entsprechend auf die Cantilever 3 ausrichtet.
Die Messstrahlen 5 treffen auf Segmente 12 des Detektors 10. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Detektor 10 16 × 16 Segmente auf. Die jeweilige Auftrefffläche der drei in 1 gezeigten Messstrahlen 5 erfasst ca. 9 Segmente. Bei dem in 1 gezeigten Detektor 10 handelt es sich um einen Multikanalarray-Detektor, der ein paralleles Auslesen jedes einzelnen Segmentes 12 ermöglicht. Auf der Oberseite des Detektors 10 sind Leitungen 12 angedeutet, die von jedem einzelnen Segment 12 zu einer Analyseeinrichtung 20 führen und somit die einzelnen von den Segmenten 12 erzeugten Signale weiterleiten. Jedes Segmente 12, auf das ein Messstrahl 5 auftrifft, d. h. das von dem Messstrahl 5 erfasst wird, erzeugt ein Signal, das im wesentlich der Energie bzw. der Intensität des Messstrahls 5 entspricht, die eingestrahlt wird. D. h. die von dem Messstrahl 5 auf den Detektor eingestrahlte Energie verteilt sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf 9 Segmente. Die Energie, die jedes dieser 9 Segmente in ein Signal umwandelt, ist in den einzelnen 9 Segmenten nicht notwendigerweise gleich. Erstens ist es möglich, dass der Messstrahl nicht homogen ist, d. h. bspw. die Intensitätsverteilung nicht homogen ist. Dies geschieht bspw. dadurch, dass der Messstrahl nicht gleichmäßig von dem Cantilever 3 reflektiert wird, wie es zum Beispiel in Randbereichen des Cantilevers 3 der Fall ist. Weiterhin ist es in manchen Ausführungsbeispielen möglich, dass eine Strahlenoptik die Intensitätsverteilung in dem Messstrahl beeinflusst, usw. Zusätzlich ist die Intensitätsverteilung in den Segmenten 12 aufgrund der unterschiedlichen Geometrie verschieden, da die Auftrefffläche der Messstrahlen 5 auf den Segmenten 12 im wesentlichen rund ist, während die Segmente 12 quadratisch sind. In anderen Ausführungsbeispielen wird dieser Formunterschied dadurch verringert, dass die Segmente bspw. eine sechseckige Form aufweisen. Es ist außerdem offensichtlich, dass je nach der Position an der der Messstrahl 5 auf den Detektor 10 auftrifft, die Auftrefffläche manchen Segmente 12 nur teilweise erfasst.
Die einzelnen Signale der Segmente 12 werden parallel an eine Analyseeinrichtung 20 weitergeleitet. Die Analyseeinrichtung erhält bspw. Signale von Segmenten A, B, D und D, wie es in 2 dargestellt ist. Dort ist beispielhaft gezeigt, wie sich zwei Auftreffflächen zweier Messstrahlen 5 auf dem Detektor verteilen. Ein Messstrahl erfasst vier Segmente A, B, C und D, während der andere Messstrahl 9 Segmente E bis M erfasst. Die Analyseeinrichtung erhält nun bspw. die Signale der Segmente A, B, C und D, die der auf diesen Segmenten eingestrahlte Energie des Messstrahls entsprechen. Um die Position des Messstrahls 5 auf dem Detektor 10 zu ermitteln, ermittelt die Analyseeinrichtung bspw. aus den Signalen A, B, C und D entsprechend Summen- und Differenzsignale. Dies geschieht bspw. auf mathematischem Wege, wobei sich bspw. das horizontale Signale aus S(horizontal) = ((A + C) – (B + D))/(A + B + C + D), unddas vertikale Signal aus S(vertikal) = ((A + B) – (C + D))/(A + B + C + D)ergibt.
Durch diese Reduzierung der ausgelesenen Signale A, B, C und D in ein Differenz- und Summensignal ist ein einfache Positionsbestimmung möglich. Die Auswertung der Signale ist in manchen Ausführungsbeispielen analog und/oder digital verwirklicht.
Auf gleiche Weise werden die 9 Signale der Segmente E bis M in entsprechende Differenz- bzw. Summensignale umgewandelt. Es ist unmittelbar einleuchtend, dass die Signalstärken A, B, C und D bzw. E bis M nicht gleich sind, sondern entsprechend unterschiedlich, je nachdem wie der jeweilige Messstrahl 5 die Segmente erfasst, wie seine Intensitätsverteilung ist, usw.
In manchen Ausführungsbeispielen wertet die Analyseeinrichtung 20 folglich nur Summen- und Differenzsignale bspw. der vier Segmente A bis D aus. Dadurch kann in manchen Ausführungsbeispielen die Analyseeinrichtung aus einer Änderung der lateralen und horizontalen Summen- bzw. Differenzsignale eine Änderung der Auslenkung der zugehörigen Cantilever ermitteln. Diese Daten können in manchen Ausführungsbeispielen beliebig weiterverarbeitet werden, bspw. für die Kraftspektroskopie oder für bildgebende Verfahren, die eine Darstellung einer Probenoberfläche simulieren usw.
In wieder anderen Ausführungsbeispielen gehen in die Positionsbestimmung des Auftreffpunktes auf dem Detektor auch spezifische Detektordaten, bspw. die Größe der jeweiligen Segmente ein, um eine absolute Position der jeweiligen Auftreffpunkte zu bestimmen. Dies ist bspw. dann hilfreich, wenn ermittelt werden soll, ob bspw. das Cantileverarray richtig in dem zugehörigen Mikroskop positioniert ist oder bspw. eine Drift des Systems ermittelt werden soll. Weiterhin ist es sinnvoll die absolute Position zu ermitteln, wenn bspw. die Auftreffflächen dem Randbereich des Detektors nahe kommen. Dann besteht die Gefahr, dass die Messstrahlen den Detektionsbereich des Detektors verlassen, dass die Auftrefffläche des Messstrahls nicht mehr vollständig von den Segmenten erfasst wird, und folglich eine Messung fehlschlägt.
In manchen Ausführungsbeispielen wird nur ein Teil der von dem Messstrahl 5 angeleuchteten Segmente 12 für die Auswertung verwendet; zum Beispiel, wenn 4 Segmente für die Auswertung verwendet werden und die Auftrefffläche eines Messstrahls einen Durchmesser aufweist, der bspw. die Breite zweier Segmente übersteigt. Das heißt in manchen Ausführungsbeispielen wird für die Auswertung nicht notwendigerweise die gesamte Auftrefffläche eines Messstrahls erfasst, sondern lediglich ein Teil. Dies ist bspw. dann einfach möglich, wenn zwar der Durchmesser der Auftrefffläche größer als die Breite zweier Segmente ist, aber jede Bewegung der Auftrefffläche zu einer Änderung der Signalwerte der einzelnen erfassten Segmente 12 führt. Dies ist bspw. dann der Fall, wenn der Durchmesser der Auftrefffläche nur geringfügig größer als die Breite zweier Segmente ist und folglich die Segmente A bis D nicht alle gleichstark ausgeleuchtet sind.
Die obigen Ausführungsbeispielen sind auch in allen dem Fachmann ersichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen verwirklicht.

Claims

Vorrichtung zur Messung der jeweiligen Auslenkung mehrerer regelmäßig angeordneter Messbalken (3) in einem Rastersondenmikroskop oder einem Rasterkraftmikroskop, umfassend: wenigstens eine Strahlenquelle (7), die eingerichtet ist, wenigstens einen Messstrahl (5) zu erzeugen; eine Strahlenoptik, die eingerichtet ist, den wenigstens einen Messstrahl (5) auf zumindest einen Teil der mehreren Messbalken (3) so zu richten, dass jeder Messbalken davon einen Messstrahl reflektiert; einen Detektor (10) mit mehreren Segmenten (12), der die von den Messbalken (5) reflektierten Messstrahlen (5) gleichzeitig detektiert, wobei jedes Segment des Detektors eingerichtet ist, ein von der auf das Segment eingestrahlten Energie abgeleitetes Signal auszugeben; eine Analyseeinrichtung (20), die die von dem Detektor (10) kommenden Signale auswertet und entsprechend einer Auslenkung eines Messbalkens (3) zuordnet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher eine Auftrefffläche eines Messstrahls (3) auf dem Detektor (10) wenigstens zwei Segmente (12) erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher zur Positionsbestimmung des Auftreffpunktes die Signale der wenigstens zwei Segmente (12) entsprechend ausgewertet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher wenigstens vier Segmente (12) zur Positionsbestimmung des Auftreffpunktes des Messstrahles (3) verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher wenigstens neun Segmente (12) zur Positionsbestimmung des Auftreffpunktes des Messstrahles (3) verwendet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fläche eines Auftreffpunkts eines Messstrahls (3) auf dem Detektor (10) wenigstens das 1,2fache einer Fläche eines Segments (12) des Detektors (10) beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Strahlenoptik eingerichtet ist, die Fläche eines und/oder die Position eines Auftreffpunktes eines Messstrahls (3) auf (10) zu verändern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Segment (12) des Detektors (10) gleichzeitig und/oder parallel Signale ausgeben.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die jeweiligen von den Messbalken (3) reflektierten Messstrahlen (5) kodiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Messstrahlen (5) gemultiplext sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die mehreren Messbalken (3) in einem Messbalken-Array (1) angeordnet sind.
Verfahren zur Bestimmung der jeweiligen Auslenkung mehrerer regelmäßig angeordneter Messbalken (3) in einem Rastersondenmikroskop oder Rasterkraftmikroskop, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Richten von jeweils einem Messstrahls (5) auf zumindest einen Teil der mehreren Messbalken (3); gleichzeitiges Detektieren der von den Messbalken (3) jeweils reflektierten Messstrahlen (5) mit Hilfe eines Detektionsmittels (10), das mehrere Segmente (12) aufweist, wobei eine Auftrefffläche jeweils eines Messstrahls auf dem Detektionsmittel (10) wenigstens zwei Segmente (12) erfasst; Analysieren der Position der Auftrefffläche auf dem Detektionsmittel (10) und Ermitteln einer entsprechenden Auslenkung eines zugehörigen Messbalkens (3).
Rastersonden- oder Rasterkraftmikroskop mit einer Vorrichtung zur Messung einer jeweiligen Auslenkung mehrerer regelmäßig angeordneter Messbalken nach einem der Ansprüche 1 bis 11.