DE102018105756B3 - Cantilever for a scanning probe microscope and atomic force microscope - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kantilever (14) für ein Rastersondenmikroskop, insbesondere ein Rasterkraftmikroskop (10), mit (a) einem Grundkörper (20), der einen Rumpfabschnitt (44), der an einem freien Ende (E) einen Befestigungsabschnitt (46) zum Befestigen am Rastersondenmikroskop hat, und am gegenüberliegenden Ende einen Kopfabschnitt (32) aufweist, und (b) einer Spitze (34) zum Rastern eines Untersuchungsobjekts, die sich vom Kopfabschnitt (32) weg erstreckt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass (c) der Grundkörper (20) einen Halsabschnitt (42) aufweist, der sich an den Rumpfabschnitt (44) anschließt und an den sich der Kopfabschnitt (32) anschließt und der eine Halsabschnitt-Torsionssteifigkeit hat und dass (d) die Halsabschnitt-Torsionssteifigkeit höchstens einem Zehntel einer Rumpfabschnitt-Torsionssteifigkeit des Rumpfabschnitts (44) entspricht. The invention relates to a cantilever (14) for a scanning probe microscope, in particular an atomic force microscope (10), comprising (a) a base body (20) having a body portion (44) at a free end (E) an attachment portion (46) for Attaching to the scanning probe microscope, and at the opposite end has a head portion (32), and (b) a tip (34) for scanning an object to be examined, which extends away from the head portion (32). According to the invention, (c) the base body (20) has a neck portion (42) adjoining the body portion (44) and adjoining the head portion (32) and having a neck portion torsional rigidity and (i ) the neck portion torsional stiffness is at most one-tenth of a body portion torsional rigidity of the body portion (44).
Description
Die Erfindung betrifft einen Kantilever für ein Rastersondenmikroskop, insbesondere ein Rasterkraftmikroskop, mit (a) einem Grundkörper, der einen Rumpfabschnitt, der an einem freien Ende einen Befestigungsabschnitt zum Befestigen am Rastersondenmikroskop hat, und am anderen Ende einen Kopfabschnitt aufweist und (b) einer Spitze zum Rastern des Untersuchungsobjekts, das sich vom Kopfabschnitt weg erstreckt. Insbesondere handelt es sich bei dem Kantilever um einen Kantilever für ein Rasterkraftmikroskop.The invention relates to a cantilever for a scanning probe microscope, in particular an atomic force microscope, comprising (a) a base body having a body portion having a mounting portion for attachment to the scanning probe microscope at a free end and a head portion at the other end and (b) a tip for rasterizing the examination object extending away from the head portion. In particular, the cantilever is a cantilever for an atomic force microscope.
Derartige Kantilever werden verwendet, um in einem Rastersondenmikroskop, insbesondere einem Rasterkraftmikroskop, in Wechselwirkung mit einer Oberfläche des zu untersuchenden Objekts zu gelangen. Da die Objekte, die technisch hergestellt werden können, in den letzten Jahren beständig kleiner geworden sind, besteht der Wunsch, immer kleiner werdende Strukturen und Kräfte mittels eines Rasterkraftmikroskops zu erfassen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Messgenauigkeit bestehender Rasterkraftmikroskope umso kleiner wird, je dünner die Spitze des Kantilevers für die zu vermessenden Strukturen ist. Mit kleiner werdenden Strukturbreiten in der Nanotechnologie ist eine dünne Spitze zu bevorzugen.Such cantilevers are used to interact in a scanning probe microscope, in particular an atomic force microscope, with a surface of the object to be examined. Since the objects that can be manufactured technically have become steadily smaller in recent years, there is a desire to capture ever-smaller structures and forces by means of an atomic force microscope. However, it has been found that the measurement accuracy of existing atomic force microscopes becomes smaller the thinner the tip of the cantilever is for the structures to be measured. With smaller structure sizes in nanotechnology, a thin tip is preferable.
Aus der
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Aus der
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Aus der Veröffentlichung „Microfabricated torsion levers optimized for low force and high-frequency operation in fluids“ von Beyder und Sachs, Ultramicroscopy
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.The invention is based on the object to reduce disadvantages in the prior art.
Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Kantilever, bei dem der Grundkörper einen Halsabschnitt aufweist, der sich an den Rumpfabschnitt anschließt und an dem sich der Kopfabschnitt anschließt und der eine Halsabschnitt-Torsionssteifigkeit hat, wobei diese Halsabschnitt-Torsionssteifigkeit höchstens einem Zehntel einer Rumpfabschnitt-Torsionssteifigkeit des Rumpfabschnitts entspricht.The invention solves the problem by a generic cantilever in which the main body has a neck portion adjoining the body portion and adjoining the head portion and having a neck portion torsional stiffness, said neck portion torsional stiffness being at most one tenth of a body portion torsional stiffness. Torsional stiffness of the fuselage section corresponds.
In anderen Worten besitzt der Grundkörper mit dem Halsabschnitt eine Schwächung, die die Torsionssteifigkeit herabsetzt. Die Spitze kann daher im Vergleich zu bekannten Kantilevern deutlich leichter seitlich ausgelenkt werden.In other words, the main body with the neck portion has a weakening, which reduces the torsional stiffness. The tip can therefore be deflected much easier laterally compared to known Kantilevern.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass es besonders günstig ist, wenn die Spitze in einer Richtung zurückweicht, die möglichst gut der Normalenrichtung auf die Oberfläche des Prüflings am Antastpunkt entspricht. Bei bekannten Kantilevern ist die Torsionssteifigkeit des Kantilevers sehr hoch im Vergleich zur Biegesteifigkeit. Das führt dazu, dass die Spitze in eine von der Normalenrichtung abweichende Richtung gedrückt wird, wenn sie in Normalenrichtungen in Kontakt mit der zu vermessenden Oberfläche kommt. Dies führt zur Fehlinterpretation der gemessenen Kontur. Kommt die Spitze beispielsweise unter einem 45°-Winkel in Kontakt mit der zu untersuchenden Oberfläche, so kann die Spitze seitwärts kaum ausweichen. Kommt die Spitze beispielsweise unter einem 90°-Winkel in Kontakt mit der zu untersuchenden Oberfläche, so kann nur ein sehr geringes Torsionssignal detektiert werden, da die Biegesteifigkeit der weichen Spitze viel kleiner als die Torsionssteifigkeit des Kantilevers ist. Eine Auslenkung findet so maßgeblich im Bereich der Spitze, durch verbiegen dieser, statt. Dies ist nicht detektierbar und führt zu Messfehlern. Bei dem erfindungsgemäßen Kantilever hingegen ist die Torsionssteifigkeit so klein, dass der Kopfabschnitt sich verdrehen kann und ein ausreichendes Torsionssignal detektiert werden kann. Zudem führt die Position des Halsabschnitts nahe der Spitze zu einem größeren Biegewinkel pro Auslenkung der Spitze. Diese Verbesserungen führen zu größeren Messsignalen und zu einem geringeren Messfehler.The invention is based on the finding that it is particularly favorable when the tip recedes in a direction which corresponds as well as possible to the normal direction on the surface of the test object at the touch point. In known cantilevers, the torsional stiffness of the cantilever is very high in comparison to the flexural rigidity. This causes the tip to be pushed in a direction deviating from the normal direction when it comes into contact with the surface to be measured in normal directions. This leads to the misinterpretation of the measured contour. For example, if the tip comes into contact with the surface to be examined at a 45 ° angle, the tip can hardly move sideways. For example, if the tip comes in contact with the surface to be examined at a 90 ° angle, only a very small torsional signal can be detected, since the bending stiffness of the soft tip is much smaller than the torsional rigidity of the cantilever. A deflection is so significant in the field of Tip, by bending this, instead. This is not detectable and leads to measurement errors. By contrast, in the case of the cantilever according to the invention, the torsional stiffness is so small that the head section can twist and a sufficient torsion signal can be detected. In addition, the position of the neck portion near the tip results in a greater bending angle per deflection of the tip. These improvements result in larger measurement signals and a lower measurement error.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Grundkörper derjenige Teil des Kantilevers verstanden, der nicht zur Spitze gehört. In anderen Worten ist der Kantilever zusammengesetzt aus dem Grundkörper und der Spitze. Die Spitze ist derjenige Abschnitt des Kantilevers, dessen freies Ende zum Wechselwirken mit der Oberfläche des Prüflings ausgebildet ist.In the context of the present description, the basic body is understood as meaning that part of the cantilever which does not belong to the apex. In other words, the cantilever is composed of the main body and the tip. The tip is that portion of the cantilever whose free end is adapted to interact with the surface of the specimen.
Unter dem Merkmal, dass ein Rumpfabschnitt, ein Kopfabschnitt und der Halsabschnitt existieren, wird insbesondere verstanden, dass zumindest drei unterscheidbare Abschnitte existieren, bei denen das angegebene Kriterium zur Torsionssteifigkeit erfüllt ist. In anderen Worten ist es möglich, nicht aber notwendig, dass die entsprechenden Abschnitte bereits dadurch sichtbar werden, dass sie sich in ihren Querschnitten oder Materialien voneinander unterscheiden.By the feature that a body portion, a head portion and the neck portion exist, it is specifically understood that at least three distinguishable portions exist in which the specified criterion of torsional rigidity is satisfied. In other words, it is possible, but not necessary, for the corresponding sections to be already visible by being different in their cross-sections or materials.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Halsabschnitt-Torsionssteifigkeit höchstens einem Zehntel einer Kopfabschnitt-Torsionssteifigkeit des Kopfes oder Rumpfabschnitt-Torsionssteifigkeit des Rumpfes. In diesem Fall existieren zwei torsionssteife Abschnitte, nämlich der Rumpfabschnitt und der Kopfabschnitt, die von einem torsionsweichen Halsabschnitt miteinander verbunden sind. Insbesondere geht der Rumpfabschnitt direkt in den Halsabschnitt über und der Halsabschnitt geht unmittelbar in den Kopfabschnitt über. Allerdings ist es auch denkbar, dass der Kantilever zwei oder mehr Halsabschnitte aufweist. Maßgeblich ist lediglich, dass die drei genannten Abschnitte, mit Ausnahme des Rumpfabschnitts zumindest einmal existieren. Besonders günstig ist es jedoch, wenn genau ein Kopfabschnitt, genau ein Halsabschnitt und genau ein Rumpfabschnitt existieren.According to a preferred embodiment, the neck portion torsional rigidity corresponds to at most one tenth of the head portion torsional rigidity of the head or torso portion torsional rigidity of the trunk. In this case, there are two torsionally rigid portions, namely the body portion and the head portion, which are connected by a torsionally soft neck portion. In particular, the body portion passes directly into the neck portion and the neck portion immediately merges into the head portion. However, it is also conceivable that the cantilever has two or more neck sections. All that matters is that the three sections, with the exception of the fuselage section, exist at least once. However, it is particularly favorable if exactly one head section, exactly one neck section and exactly one body section exist.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass sich die Spitze entlang einer z-Richtung vom Kopfabschnitt weg erstreckt und dass sich der Rumpfabschnitt entlang einer y-Richtung erstreckt. Die x-Richtung ergibt sich aus diesen Festlegungen dadurch, dass das entstehende Koordinatensystem ein Rechtssystem ist.In the following, it is assumed that the tip extends along a z-direction away from the head portion and that the body portion extends along a y-direction. The x-direction results from these definitions in that the resulting coordinate system is a legal system.
In diesem Koordinatensystem kann die inverse Steifigkeit des Kantilevers bezüglich einer Bewegung der Spitze relativ zum Befestigungsabschnitt durch eine Gesamt-Inverssteifigkeitsmatrix
Ein erstes Spitzensteifigkeitsverhältnis in Form eines Quotienten aus dem ersten Diagonalelement
Vorzugsweise beträgt ein zweiter Spitzensteifigkeitswert in Form eines Quotienten aus dem zweiten Diagonalelement
Günstig ist es, wenn ein erster Quer-Inverssteifigkeitswert
Die Nicht-Diagonalelemente der Gesamt-Inverssteifigkeitsmatrix C betragen vorzugsweise höchstens das 4-fache des dritten Diagonalelementes
Die Masse des Kopfabschnitts und der Spitze sowie die Halsabschnitt-Biegesteifigkeit und Halsabschnitt-Torsionssteifigkeit sind vorzugsweise so gewählt, dass eine erste Eigenfrequenz des Kantilevers zumindest 1000 Hertz beträgt. Ist die erste Eigenfrequenz zu klein, muss die Masse des Kopfabschnitts verringert werden. Alternativ kann die Biegesteifigkeit und/oder die Torsionssteifigkeit erhöht werden, sofern die oben angegebene Forderung an das Verhältnis der Torsions-Steifigkeiten zwischen Halsabschnitt und den übrigen Abschnitten gewahrt bleibt. The mass of the head portion and the tip, and the neck portion bending stiffness and neck portion torsional stiffness are preferably selected such that a first natural frequency of the cantilever is at least 1000 hertz. If the first natural frequency is too small, the mass of the head section must be reduced. Alternatively, flexural stiffness and / or torsional rigidity may be increased as long as the above requirement for the ratio of torsional stiffnesses between the neck portion and the remaining portions is maintained.
Eine nominelle inverse Steifigkeit liegt vorzugsweise zwischen 100 m/N und 0,01 m/N.A nominal inverse stiffness is preferably between 100 m / N and 0.01 m / N.
Vorzugsweise ist die Spitze aufgeweitet. Eine aufgeweitete Spitze ist unter dem Begriff „flared tip“ bekannt. Eine aufgeweitete Spitze bedeutet, dass das freie Ende der Spitze einen größeren Durchmesser hat als beabstandet vom freien Ende. Derartige Tastspitzen sind besonders dann vorteilhaft, wenn auch seitlich angetastet werden soll. In diesem Fall ist die verminderte Torsionssteifigkeit des erfindungsgemäßen Kantilevers besonders vorteilhaft.Preferably, the tip is widened. A flared tip is known by the term "flared tip". A flared tip means that the free end of the tip has a larger diameter than spaced from the free end. Such probe tips are particularly advantageous when it should also be touched on the side. In this case, the reduced torsional rigidity of the cantilever according to the invention is particularly advantageous.
Erfindungsgemäß ist zudem ein Rasterkraftmikroskop mit einer Befestigungsvorrichtung und einem erfindungsgemäßen Kantilever, der an seinem Befestigungsabschnitt mittels der Befestigungsvorrichtung befestigt ist.According to the invention, an atomic force microscope with a fastening device and a cantilever according to the invention, which is attached to its attachment portion by means of the fastening device.
Ein derartiges Rasterkraftmikroskop besitzt vorzugsweise einen ersten Antrieb und einen zweiten Antrieb sowie eine Ansteuereinheit, die ausgebildet ist zum Ansteuern der Antriebe. Vorzugsweise ist die Ansteuereinheit so ausgebildet, dass die Spitze in einer ersten Oszillationsrichtung und einer zweiten Oszillationsrichtung bewegbar ist, wobei die zweite Oszillationsrichtung quer zur ersten Oszillationsrichtung verläuft. Besonders günstig ist es, wenn die Antriebe und die Ansteuereinheit ausgebildet sind zum Bewegen des Kopfabschnitts in einer Dreh-Oszillationsbewegung relativ zum Rumpfabschnitt und/ oder Befestigungsabschnitt. Bevorzugt sind die Antriebe und die Ansteuereinheit so ausgebildet, dass der Halsabschnitt eine Torsionsschwingung ausführt.Such an atomic force microscope preferably has a first drive and a second drive and a drive unit which is designed to drive the drives. Preferably, the drive unit is configured so that the tip is movable in a first oscillation direction and a second oscillation direction, wherein the second oscillation direction is transverse to the first oscillation direction. It is particularly favorable if the drives and the drive unit are designed to move the head section in a rotational oscillation movement relative to the body section and / or attachment section. Preferably, the drives and the drive unit are designed so that the neck portion performs a torsional vibration.
Das Rasterkraftmikroskop umfasst vorzugsweise zudem eine Detektionseinheit zum Erfassen einer zumindest zweidimensionalen, vorzugsweise dreidimensionalen Auslenkung des Kopfabschnitts relativ zum Rumpfabschnitt.The atomic force microscope preferably also includes a detection unit for detecting an at least two-dimensional, preferably three-dimensional deflection of the head portion relative to the body portion.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
-
1a eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen Rasterkraftmikroskops, -
1b ein Kräftediagramm zur Erläuterung der Kräfte, die auf die Spitze beim Kontakt mit einer Oberfläche des zu untersuchenden Objekts wirken, -
2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kantilevers, der an einer Befestigungsvorrichtung des Rasterkraftmikroskops gemäß1 befestigt ist, -
3 in den3a bis3d weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kantilever und -
4 in den4a bis4c weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kantilever und -
5 in den5a bis5b weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kantilever.
-
1a a three-dimensional view of an atomic force microscope according to the invention, -
1b a force diagram for explaining the forces acting on the tip when in contact with a surface of the object to be examined, -
2 a first embodiment of a cantilever according to the invention, the at a mounting device of the atomic force microscope according to1 is attached, -
3 in the3a to3d Further embodiments of cantilevers according to the invention and -
4 in the4a to4c Further embodiments of cantilevers according to the invention and -
5 in the5a to5b Further embodiments of cantilever according to the invention.
Das Rasterkraftmikroskop
Das Rasterkraftmikroskop
Die Spitze
Die Ansteuereinheit
Wirkt auf die Spitze
Eine Bewegung der Spitze
K ist die Inverse der Gesamt-Inverssteifigkeitsmatrix C und heißt Steifigkeitsmatrix.K is the inverse of the total inverse stiffness matrix C and is called the stiffness matrix.
Eine Bewegung der Spitze relativ zum Kopfabschnitt
Eine Bewegung des Kopfabschnitts
Eine Masse
Eine Dicke
Es hat sich herausgestellt, dass eine Halslänge L42 = L1-L2 0,1 Mikrometer bis 60 Mikrometer beträgt. Eine Länge
Beispielsweise ist der Kantilever
Eine Eigenfrequenz des Kantilevers, d. h. die Frequenz, mit der er in seiner Grundmode schwingt, liegt oberhalb von einem Kilohertz, beispielsweise bei 1,5 Kilohertz.A natural frequency of the cantilever, d. H. the frequency with which it oscillates in its fundamental mode is above one kilohertz, for example at 1.5 kilohertz.
Aus der Gesamt-Inverssteifigkeitsmatrix C und der Spitzen-Inverssteifigkeitsmatrix
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- RasterkraftmikroskopAtomic Force Microscope
- 1212
- Befestigungsvorrichtungfastening device
- 1414
- Kantilevercantilever
- 1616
- Ansteuereinheitcontrol unit
- 1818
- Antriebdrive
- 2020
- Grundkörper body
- 2222
- Positionsmesserposition knife
- 2424
- Lichtquellelight source
- 2626
- Detektordetector
- 2828
- Lichtstrahlbeam of light
- 3030
- Optik optics
- 3232
- Kopfabschnittheader
- 3434
- Spitzetop
- 3636
- Oberflächesurface
- 3838
- Prüflingexaminee
- 4040
- x-y-Tisch x-y table
- 4242
- Halsabschnittneck section
- 4444
- Rumpfabschnittfuselage section
- 4646
- Befestigungsabschnittattachment section
- 4848
- Vorsprunghead Start
- 5050
- Einschnitt incision
- 5252
- Ausnehmungrecess
- 5454
- Strebe strut
- FH F H
- HorizontalkraftHorizontal force
- FSpitze F top
- Antastkraftcontact force
- Ee
- freies Endefree end
- mm
- MasseDimensions
- Lges L ges
- Länge des KantileversLength of the cantilever
- WW
- Breitewidth
- LL
- Längelength
- TT
- Dickethickness
Claims (9)
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DE102018105756.3A DE102018105756B3 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Cantilever for a scanning probe microscope and atomic force microscope |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE102018105756.3A DE102018105756B3 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Cantilever for a scanning probe microscope and atomic force microscope |
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---|---|
DE102018105756B3 true DE102018105756B3 (en) | 2019-03-28 |
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ID=65638493
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---|---|---|---|
DE102018105756.3A Active DE102018105756B3 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Cantilever for a scanning probe microscope and atomic force microscope |
Country Status (1)
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Legal Events
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---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |