DE102019131421A1

DE102019131421A1 - Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop und Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen einer Messprobe mit einem Rastersondenmikroskop

Info

Publication number: DE102019131421A1
Application number: DE102019131421.6A
Authority: DE
Inventors: Frederik Büchau-Vender; Wolfgang Dobler; Danilo Nitsche
Original assignee: Bruker Nano GmbH
Current assignee: Bruker Nano GmbH
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-05-27
Also published as: US11656244B2; US20210190818A1; CN112824907A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop, welche Folgendes aufweist: eine Probenaufnahme, die eingerichtet ist, eine zu untersuchende Messprobe aufzunehmen; eine Messsonde, die an einem Sondenhalter angeordnet ist und eine Sondenspitze aufweist, mit der die Messprobe messbar ist; eine Verlagerungseinrichtung, die eingerichtet ist, die Messsonde und die Probenaufnahme zum Messen der Messprobe relative zueinander zu bewegen, derart, dass die Messsonde zum Messen der Messprobe relativ zu dieser in wenigstens einer Raumrichtung eine Rasterbewegung ausführt; eine Steuereinrichtung, die mit der Verlagerungseinrichtung verbunden ist und die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme steuert; und eine Sensoreinrichtung, die eingerichtet ist, Bewegungsmesssignale für eine tatsächliche Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme zu erfassen, die bei der relativen Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme zum Messen der Messprobe ausgeführt wird, und die Bewegungsmesssignale an die Steuereinrichtung zu geben, wobei die Bewegungsmesssignale eine erste die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer ersten Raumrichtung und eine zweite die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer zweiten Raumrichtung anzeigen, die zur ersten Raumrichtung quer verläuft. Die Steuereinrichtung ist eingerichtet, die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme zu steuern, derart, dass die Verlagerungseinrichtung durch die Steuereinrichtung mit kompensierenden Steuersignalkomponenten beaufschlagt wird, welche eine erste Gegenbewegung, die die erste störende Bewegungskomponente in der ersten Raumrichtung im Wesentlichen kompensiert, und / oder eine zweite Gegenbewegung bewirken, die die zweite störende Bewegungskomponente in der zweiten Raumrichtung im Wesentlichen kompensiert. Weiterhin sind ein Rastersondenmikroskop mit der Messvorrichtung sowie ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen einer Messprobe mit einem Rastersondenmikroskop geschaffen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop, ein Rastersondenmikroskop sowie ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen einer Messprobe mit einem Rastersondenmikroskop.
Hintergrund
Rastersondenmikroskope sind als solche in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Sie werden genutzt, um Messproben rastersondenmikroskopisch zu untersuchen. Hierbei findet zum Abtasten der Messprobe eine Relativbewegung zwischen einer Sondenspitze einer Messsonde und einer Probenaufnahme statt, auf welcher die Messprobe für die Untersuchung angeordnet ist. Messsonde und Probeaufnahme werden mit Hilfe einer Verlagerungseinrichtung relativ zueinander bewegt. Die Sondenspitze und die Messprobe treten in Wechselwirkung. Für die Wechselwirkung werden Messsignale detektiert.
Ein solches Rasterkraftmikroskop kann einen elastisch biegsamen Hebelarm aufweisen, an dessen Ende sich die Sondenspitze befindet. Die Verlagerungseinrichtung weist Antriebe zur relativen Verlagerung zwischen der Sondenspitze und einer zu untersuchenden Messprobe auf, wobei in der Rasterkraftmikroskopie zum Beispiel Piezo-Aktuatoren als Antriebe verwendet werden. Weiterhin ist eine Detektionseinheit zum Messen der Kraft auf den Hebelarm vorgesehen. Die Bauteile werden je nach Ausführung an einer oder mehreren Halterungen fixiert. Die Bewegung der Antriebe kann, zum Beispiel wenn diese beim Messen eine periodische Schwingungsbewegung ausführen, unabhängig von ihrem eigenen Resonanzverhalten, durch mechanische Kopplung der verschiedenen Bewegungsachsen unbeabsichtigte Bewegungen ausführen oder interne Vibrationen der entsprechenden Halterungsstruktur anregen. Es resultiert eine verfälschte Abbildung der Oberfläche oder der Oberflächeneigenschaft der Probe, da die erwartete, durch die gezielte Ansteuerung der Antriebe erzeugte Trajektorie nicht mit der realen relativen Bewegung zwischen Sondenspitze und Probe übereinstimmt.
Bei der sondenmikroskopischen Untersuchung wird die Messprobe mittels der Messsonde (Sondenspitze) abgerastert. Hierbei ist darauf zu achten, dass die von der Messsonde bei der Untersuchung tatsächlich ausgeführte Abrasterung auch eine für die messtechnische Untersuchung vorgegebenen und geplanten Rasterform entspricht, so dass die beim Abrastern erzeugte Abbildung der Messprobe nicht verzerrt ist. Bei bekannten Rastersondenmikroskopen können in diesem Zusammenhang Probleme auftreten, wenn die in der Verlagerungseinrichtung verwendeten Piezoelemente eine nichtlineare Bewegung bewirken. Zusätzlich können noch sogenannte Creeps auftreten, was dazu führt, dass die Messsonde, die beispielsweise als ein Cantilever ausgeführt sein kann, und die Messprobe sich zusätzlich zur Abrasterungsbewegung relativ zueinander bewegen. In der Regel wird mittels Sensoren hierbei die Auslenkung zwischen zwei Bauteilen gemessen, wobei eines der Bauteile von der Verlagerungseinrichtung bewegt wird, das andere Bauteil hingegen nicht. Hierbei wird bei der Messdatenauswertung regelmäßig davon ausgegangen, dass Verbindungen zwischen Verlagerungseinrichtung (und deren Aufnahme) sowie dem Ort der Wechselwirkung zwischen Messsonde und Messprobe starr sind. Bei höheren Scan- oder Abtastgeschwindigkeiten (Abraster-Frequenz) trifft diese Annahme in der Regel nicht mehr zu und daher bekommt man Bildverzerrungen, die vom Sensor nicht mehr erkannt und somit auch nicht herausgeregelt werden können.
Zusammenfassung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop, ein Rastersondenmikroskop sowie ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen einer Messprobe mit einem Rastersondenmikroskop anzugeben, bei denen eine Messprobenuntersuchung mit verbesserter Genauigkeit ausgeführt werden kann.
Zur Lösung ist eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop nach dem unabhängigen Anspruch 1 geschaffen. Weiterhin sind ein Rastersondenmikroskop sowie ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen einer Messprobe mit einem Rastersondenmikroskop nach den nebengeordneten Ansprüchen 14 und 15 geschaffen. Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem Aspekt ist eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop geschaffen, welche Folgendes aufweist: eine Probenaufnahme, die eingerichtet ist, eine zu untersuchende Messprobe aufzunehmen; eine Messsonde, die an einem Sondenhalter angeordnet ist und eine Sondenspitze aufweist, mit der die Messprobe messbar ist; eine Verlagerungseinrichtung, die eingerichtet ist, die Messsonde und die Probenaufnahme zum Messen der Messprobe relative zueinander zu bewegen, derart, dass die Messsonde zum Messen der Messprobe relativ zu dieser in wenigstens einer Raumrichtung eine Rasterbewegung ausführt; eine Steuereinrichtung, die mit der Verlagerungseinrichtung verbunden ist und die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme steuert; und eine Sensoreinrichtung, die eingerichtet ist, Bewegungsmesssignale für eine tatsächliche Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme zu erfassen, die bei der relativen Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme zum Messen der Messprobe ausgeführt wird, und die Bewegungsmesssignale an die Steuereinrichtung zu geben, wobei die Bewegungsmesssignale eine erste die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer ersten Raumrichtung und eine zweite die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer zweiten Raumrichtung anzeigen, die zur ersten Raumrichtung quer verläuft. Die Steuereinrichtung ist weiterhin eingerichtet, die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme in Abhängigkeit von den Bewegungsmesssignalen zu steuern, derart, dass die Verlagerungseinrichtung durch die Steuereinrichtung mit kompensierenden Steuersignalkomponenten beaufschlagt wird, welche für die Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme eine erste Gegenbewegung, die die erste störende Bewegungskomponente in der ersten Raumrichtung im Wesentlichen kompensiert, und / oder eine zweite Gegenbewegung bewirken, die die zweite störende Bewegungskomponente in der zweiten Raumrichtung im Wesentlichen kompensiert.
Nach einem weiteren Aspekt ist ein Rastersondenmikroskop mit der Messvorrichtung geschaffen.
Nach einem anderen Aspekt ist ein Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen einer Messprobe mit einem Rastersondenmikroskop geschaffen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anordnen einer Messprobe auf einer Probenaufnahme eines Rastersondenmikroskops und sondenmikroskopisches Untersuchen der Messprobe mittels einer Messsonde, die an einem Sondenhalter angeordnet ist und eine Sondenspitze aufweisen. Hierbei werden die Messsonde und die Probenaufnahme mittels einer Verlagerungseinrichtung relativ zueinander bewegt, derart, dass die Messsonde relativ zur Messprobe in wenigstens einer Raumrichtung eine Rasterbewegung ausführt. Es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die mit der Verlagerungseinrichtung verbunden ist und die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme steuert. Mittels einer Sensoreinrichtung werden Bewegungsmesssignale für eine Bewegung der Messsonde und / oder eine Bewegung der Probenaufnahme, die bei der relativen Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme ausgeführt wird, erfasst, wobei die Bewegungsmesssignale eine erste die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer ersten Raumrichtung und eine zweite die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer zweiten Raumrichtung anzeigen, die zu ersten Raumrichtung quer verläuft. Die Bewegungsmesssignale werden an die Steuereinrichtung gegeben. Die Steuereinrichtung steuert die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme in Abhängigkeit von den Bewegungsmesssignalen derart, dass die Verlagerungseinrichtung durch die Steuereinrichtung mit kompensierenden Steuersignalkomponenten beaufschlagt wird, welche für die Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme eine erste Gegenbewegung, die die erste störende Bewegungskomponente in der ersten Raumrichtung im Wesentlichen kompensiert, und / oder eine zweite Gegenbewegung bewirken, die die zweite störende Bewegungskomponente in der zweiten Raumrichtung im Wesentlichen kompensiert.
Mit Hilfe der Sensoreinrichtung wird die von Messsonde und / oder Messprobe, welche auf der Probenaufnahme angeordnet ist, bei der Messung tatsächlich ausgeführte Bewegung erfasst und auf die Steuereinrichtung rückgekoppelt, so dass diese die Steuersignale für die Verlagerungseinrichtung zum relativen Bewegen von Messsonde und Messprobe in Abhängigkeit hiervon erzeugen kann. Weicht die von Messsonde und Messprobe beim Abrastern oder Abtasten der Messprobe tatsächlich ausgeführte Bewegung von der für die sondenmikroskopische Untersuchung vorgegebenen Rasterbewegung ab, kann dies so korrigiert werden. Es wird hiermit verbessert sichergestellt, dass die bei der Untersuchung der Messprobe ausgeführte Relativbewegung zwischen Messsonde und Probenaufnahme (Abrastern der Messprobe) der für die Untersuchung geplanten und vorgegebenen Bewegung entspricht.
Eine Rasterbewegung (Abrastern) im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist eine relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Messprobe, um die Messsonde mit einem untersuchenden Bereich der Messprobe in eine Wechselwirkung zu bringen. Beispielweise können hierbei in einer zur Messprobe lateralen Richtung eine Dreiecksbewegung und in der anderen lateralen Richtung eine Stufenfunktion ausgeführt werden, so dass ein viereckiger Bereich der Messprobe abgerastert wird.
Die erste oder die zweite Raumrichtung (Raumachse) kann der wenigstens einen Raumrichtung der Rasterbewegung entsprechen.
Die Sensoreinrichtung kann eingerichtet sein, die Bewegungsmesssignale im Rahmen einer Absolutmessung zu erfassen. Eine Absolutmessung im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist eine Messung einer physikalischen Größe bezogen auf ein Inertialsystem, was bedeutet, dass die Messung frei von jeglichen Referenzpunkten erfolgt, also insbesondere frei von Referenzpunkten auf der Messvorrichtung wie auch in der Umgebung der Messvorrichtung, zum Beispiel einem Labor.
Die Sensoreinrichtung kann eingerichtet sein, für die tatsächliche Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme Bewegungsmesssignale zu erfassen, die eine erste die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in x-Richtung einer x-y-Ebene der Probenaufnahme anzeigen.
Die Bewegungsmesssignale können Positionsmesssignale für die erste die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in der ersten Raumrichtung und für die zweite die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in der zweiten Raumrichtung umfassen.
Die Steuereinrichtung und die Verlagerungseinrichtung können eingerichtet sein, beim Messen der Messprobe die Rasterbewegung der Messsonde relativ zur Messprobe in der zumindest einen Raumrichtung als eine periodische Bewegung auszuführen. Das Ausführen einer sinusförmigen oder einer dreiecksförmigen periodischen Bewegung in zumindest einer Raumrichtung kann vorgesehen sein.
Die Steuereinrichtung und die Verlagerungseinrichtung können eingerichtet sein, beim Messen der Messprobe die periodische Bewegung der Messsonde relativ zur Messprobe hinsichtlich einer Amplitude und / oder einer Phase der periodischen Bewegung in Abhängigkeit von den Bewegungsmesssignale zu steuern. Ausgehend von den für die Bewegung der Messsonde und / oder die Bewegung der Probenaufnahme erfassten Bewegungssignale, zm Beispiel im Rahmen einer Absolutmessung, werden Steuersignale für die Steuerung der schwingenden Bewegung zum Abrastern der Messprobe erzeugt.
Die Steuereinrichtung und die Verlagerungseinrichtung können weiterhin eingerichtet sein, beim Messen der Messprobe die periodische Bewegung der Messsonde relativ zur Messprobe hinsichtlich einer Amplitude und / oder einer Phase der periodischen Bewegung in Abhängigkeit von den Bewegungsmesssignale zu steuern.
Die Sensoreinrichtung kann eine eingerichtet sein, beim Messen der Messprobe erste Bewegungsmesssignale für eine Bewegung der zum Ausführen der relativen Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme bewegten Messsonde oder Probenaufnahme zeitabhängig zu erfassen. Hierzu kann zum Beispiel ein Beschleunigungssensor verwendet werden. Aus den Messsignalen, die mittels der Sensoreinrichtung bereitgestellt werden, lassen sich mittels Integration Geschwindigkeits- und Weginformationen für die Bewegung der Messsonde oder der Probenaufnahme ableiten. Die ersten Bewegungssignale werden für ein Bauteil der Messvorrichtung erfasst, welches mittels der Verlagerungseinrichtung beim Messen der Messprobe und der hierfür ausgeführten Relativbewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme bewegt wird.
Die Sensoreinrichtung kann eingerichtet sein, beim Messen der Messprobe zweite Bewegungsmesssignale für eine Bewegung der zum Ausführen der relativen Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme mittels der Verlagerungseinrichtung nicht bewegten Probenaufnahme oder Messsonde zeitabhängig zu erfassen. Hierzu kann zum Beispiel ein Beschleunigungssensor verwendet werden. Auf diese Weise können auch für die Probenaufnahme oder die Messsonde Bewegungsinformationen erfasst werden. Eine solche zusätzliche und nicht beabsichtigte Bewegung kann insbesondere bei höheren Scan- oder Abtastgeschwindigkeiten auch für das Bauteil der Messvorrichtung auftreten, welches für das Messen der Messprobe (zum Ausführen der relativen Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme) nicht gezielt bewegt wird und für das im Stand der Technik daher eine unbewegte Ruhestellung angenommen wird. Mittels Integration lassen sich aus den Beschleunigungssignalen zum Beispiel Informationen über Absolutwerte für die Geschwindigkeit und den Weg der Bewegung ableiten.
Die Sensoreinrichtung kann zumindest teilweise an dem Sondenhalter gebildet sein. An dem Sondenhalter kann die Sensoreinrichtung benachbart zur Lagerung der Messsonde an dem Sondenhalter angeordnet sein, insbesondere in unmittelbarer Nähe hierzu. Die Sensoreinrichtung kann hierbei auf einer äußeren Oberfläche des Sondenhalters angeordnet sein. Alternativ kann eine Integration der Sensoreinrichtung in ein Gehäuse oder einen Block des Sondenhalters vorgesehen sein. Die Sensoreinrichtung kann teilweise Bestandteil der Messsonde sein. Die Sensoreinrichtung kann zumindest teilweise an der Probenaufnahme gebildet sein. In Verbindung mit der zumindest teilweisen Ausbildung der Sensoreinrichtung an der Probenaufnahme gelten die vorangehend im Zusammenhang mit dem Sondenhalter gemachten Erläuterungen zu Ausgestaltungsoptionen entsprechend.
Die Sensoreinrichtung kann eine kapazitive Sensoreinrichtung aufweisen.
Die Steuereinrichtung und die Verlagerungseinrichtung können eingerichtet sein, beim Messen der Messprobe die Rasterbewegung der Messsonde relativ zur Messprobe mit einer Schwingungsfrequenz von wenigstens etwa 100 Hz auszuführen. Schwingungsfrequenzen bis zu etwa 1 kHz können vorgesehen sein, alternativ bis zu etwa 20 kHz. Es wurde überraschend festgestellt, dass bei Schwingungsfrequenzen ab etwa 100 Hz die Messgenauigkeit leidet oder sich sogar verfälschte Messergebnisse festgestellt wurden. Die Ursache hierfür wird in zusätzlichen Bewegungen der Bauteile oder Funktionselemente der Messvorrichtung, die zum Beispiel durch Resonanzschwingungen hervorgerufen sein können. Insbesondere bei solchen Schwingungsfrequenzen können mit der vorgeschlagenen Technologie verbesserte Messergebnisse erreicht werden. Es wurde überraschend gefunden, dass bei Schwingungsfrequenzen ab etwa 100 Hz die Messgenauigkeit leidet oder sich sogar verfälschte Messergebnisse ergeben. Die Ursache hierfür wird in zusätzlichen Bewegungen der Bauteile oder Funktionselemente der Messvorrichtung gesehen, die zum Beispiel durch Resonanzschwingungen hervorgerufen sein können. Insbesondere bei solchen Schwingungsfrequenzen können mit der vorgeschlagenen Technologie verbesserte Messergebnisse erreicht werden.
Es kann eine weitere Sensoreinrichtung vorgesehen sein, welche eingerichtet ist, weitere Bewegungssignale im Rahmen einer Relativbewegung zu erfassen, insbesondere um langsame Bewegungen, die den oben beschriebenen Problemen nicht unterliegen, messen und wahlweise ausgleichen zu können, ohne mögliche Nachteile einer absoluten Messung, zum Beispiel hohes Rauschen, bei langsamen Bewegungen zuzulassen. Hierbei kann es sich um eine Relativbewegung in Bezug auf den Sondenhalter handeln, zum Beispiel relativ zum Ständerbauteil. Die weitere Sensoreinrichtung kann zum Beispiel an einem Ständerbauteil, an dem die Verlagerungseinrichtung aufgenommen ist, und an dem Sondenhalter gebildet sein. Die weitere Sensoreinrichtung kann eine Abstandssensoreinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, einen sich beim Messen der Messprobe infolge der mittels der Verlagerungseinrichtung bewirkten Bewegung ändernden Abstand zwischen dem Ständerbauteil und dem Sondenhalter zeitabhängig zu erfassen. Das Erfassen des zeitlich sich ändernden Abstands liefert ein Maß für die während der rastersondenmikroskopischen Untersuchung der Messprobe ausgeführte Relativbewegung zwischen Messsonde und Probenaufnahme. Die Abstandssensoreinrichtung kann beispielsweise mit einem oder mehreren Abstandssensoren gebildet sein, die einander zugeordnet an dem Ständerbauteil einerseits und an der Verlagerungseinrichtung andererseits gebildet sind. Die weitere Sensoreinrichtung kann zum Beispiel einen kapazitiven Sensor einen Dehnungsmessstreifen, einen Differentialtransformator oder einen anderen relativen Sensor aufweisen.
Die Sensoreinrichtung kann mit einem ersten Sensorelement an dem Sondenhalter und einen zweiten, dem ersten Sensorelement zugeordneten Sensorelement an der Probenaufnahme gebildet sein. Aus den Signalen für das erste und das zweite Sensorelement ergibt sich für jede Raumrichtung eine relative Messung, ohne dass eine aufwändige Ausrichtung der Sensorelemente nötig ist. Das erste und das zweite Sensorelement können zum Beispiel einander gegenüberliegend angeordnet sein.
Die weitere Sensoreinrichtung kann zum Steuern der relativen Bewegung zwischen Messsonde und Probenaufnahme beim Abrastern der Messprobe verwendet werden, wobei die erste und ggf. die zweite Sensoreinrichtung die Steuerung korrigieren. Es kann vorgesehen sein, dass die Korrektur erst ab einer Schwellwert-Geschwindigkeit einsetzt, beispielweise ab etwa 100 Hz, insbesondere bei einer sinusförmigen Bewegung.
Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme in Abhängigkeit von den Bewegungsmesssignalen unter Anwendung oder mittels einer gekoppelten Regelung zu steuern. Hierbei wird die kompensierende Steuersignalkomponente, welche für die Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme die erste Gegenbewegung in der ersten Raumrichtung bereitstellt, unter Berücksichtigung einer Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme bereitgestellt, welche verursacht ist durch eine Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme in der zweiten Raumrichtung. Die Bewegung in der zweiten Raumrichtung bedingt oder verursacht eine Bewegung in der ersten Raumrichtung.
Die vorangehend im Zusammenhang mit der Messvorrichtung erläuterten Ausführungen können für das Rastersondenmikroskop und / oder das Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen der Messprobe mit dem Rastersondenmikroskop entsprechend vorgesehen sein.
Figurenliste
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop;
2 eine schemtische Darrstellung eines Ablaufdiagramms für eine gekoppelten Regelung, also einer Regelung, bei der Messsignale von verschiedenen Sensoren sowie in allen Raumrichtungen erfasst werden;
3 eine schemtische Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit mechanischer Kopplung, die unterdrückt wird;
4 eine schemtische Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit interner Vibration einer Halterung, die berücksichtigt wird; und
5 eine schematische Darstellung für ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein zusätzlicher Sensor vorgesehen ist.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung 1 für ein Rastersondenmikroskop. Rastersondenmikroskope sind in verschiedenen Ausführungsformen als solche bekannt, beispielsweise auch als Rasterkraftmikroskope (AFM). Eine Messsonde 2, die auch als Nahfeldsonde bezeichnet werden kann und bei der es sich beispielsweise um einen Cantilever handelt, ist an einem Sondenhalter 3 aufgenommen, konkret an einer Unterseite 4 des Sondenhalters 3. Bei der Rastersondenmikroskopie wird die Wechselwirkung der Messsonde 2 mit einer Messprobe 6 erfasst. Die zu untersuchende Messprobe 6 wird mittels dieser Messsonde 2 in einem Rasterprozess Punkt für Punkt abgetastet. Die sich für jeden einzelnen Punkt ergebenden Messwerte können dann zu einem digitalen Bild zusammengesetzt werden.
Zum sondenmikroskopischen Untersuchen wird eine Sonden- oder Messspitze 5 der Messsonde 2 gegenüber der Messprobe 6 angeordnet, die auf einer Probenaufnahme 7 angeordnet ist, wahlweise auf einem hierauf angeordneten Probenhalter (nicht dargestellt). Mit Hilfe einer Verlagerungseinrichtung 8, die an einem Ständerbauteil 9 aufgenommen ist, wird der Sondenhalter 3 mit der Messsonde 2 relativ zur Probenaufnahme 7 mit der Messprobe 6 bewegt, um die Messprobe 6 abzutasten (abzurastern). Es wird eine sogenannte Kraftdetektion ausgeführt, mit der ein Maß für eine Wechselwirkung zwischen der Sondenspitze 5 und der Messprobe 6 erfasst wird. Dieser Wechselwirkung entsprechend erfolgt eine Auslenkung der Sondenspitze 5, zum Beispiel zur Messprobe 6 hin. Diese Auslenkung der Sondenspitze 5 kann zum Beispiel dem Lichtzeigerprinzip entsprechend erfasst werden. Hierbei wird zum Beispiel in bekannter Art und Weise ein Messlichtstrahl auf einen Abschnitt der Messsonde 2 gerichtet und dort reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl wird dann mit einem lichtsensitiven Element erfasst, zum Beispiel einer Fotodiode. Dieses Messprinzip ist als solches in verschiedenen Ausführungsformen bekannt und hier daher nicht weiter zu erläutern.
Mittels einer Sensoreinrichtung 10 werden Bewegungsmesssignale für eine tatsächliche Bewegung der Messsonde 2 und / oder der Probenaufnahme 7 erfasst, die bei der relativen Bewegung zwischen der Messsonde 2 und der Probenaufnahme 7 zum Messen der Messprobe 6 ausgeführt wird. Die Bewegungsmesssignale werden an eine Steuereinrichtung 11 gegeben, wobei die Bewegungsmesssignale eine erste die zum Messen der Messprobe 6 ausgeführten Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer ersten Raumrichtung und eine zweite die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer zweiten Raumrichtung anzeigen, die zur ersten Raumrichtung quer verläuft.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung 10 zwei Positionssensoren 20, 21 auf (vgl. 3), jeweils einer pro Raumrichtungen. In der nachfolgenden Beschreibung werden wir zur vereinfachten Darstellung von Lagesensoren ausgehen, eine Verallgemeinerung auf andere Sensortypen zur Messung bspw. zeitlicher Ableitungen der Position ist ohne größeren Aufwand möglich.
Für ein Rastersondenmikroskop können kapazitive Sensoren für zwei Positionssensoren 20, 21 benutzt werden, die eine relative Verschiebung der Messsonde 2 gegenüber dem Ständerbauteil 9 messen. Die Positionssensoren 20, 21 können zwei Elektroden 22, 23 aufweisen, die einen Plattenkonsensator bilden und deren Abstand dessen Kapazität bestimmt. In der Regel wird davon ausgegangen, dass sich die Position des Ständerbauteils 9 nicht gegenüber der Messprobe 6 bewegt. Die Messapparatur sei weitestgehend mechanisch von äußeren Störungen entkoppelt. Messen die Positionsssensoren 20, 21 dennoch eine Gesamtbewegung 23, die nicht durch die Ansteuerung von Antrieben 24, 25 der Verlagerungseinrichtung 8 vorgegeben ist und sich aus der Überlagerung der gezielt erzeugten Ist-Trajektorie (Ist-Bewegungsbahn) 26 und der durch die Kopplung hervorgerufenen Bewegung 27 der Messsonde 2 ergeben, so kann die Ist-Trajektorie 23 gegenüber der Messprobe 6 durch eine unabhängige Regelung der beiden Achsen nicht hinreichend korrigiert werden.
Darüberhinaus kann es für schnelle periodische Scan- oder Abtastbewegungen der Messsonde 2 dazu kommen, dass die Sensorhalterung 6 nicht mehr räumlich starr gegenüber der Messprobe 6 ist, beispielsweise durch Anregung mechanischer Resonanzen 28 der Messapparatur.
Bei Anbringung von Positionssensoren innerhalb der Messapparatur wird in diesem Fall die Gesamtbewegung 23 (reale Verschiebung) der Sondenspitze 5 gegenüber der Messprobe 6 nicht mehr hinreichend genau gemessen. In diesem Fall wird ein weiterer Sensor 29 verwendet, der zusätzlich die Bewegung der Halterungsstruktur misst oder die Gesamtbewegung 23 der Sondenspitze 5, d. h. die Überlagerung der Halterungsbewegung mit der durch die Antriebe 24, 25 erzeugten Ist-Trajektorie 26. Je dichter der weitere Sensor 29 an der Sondenspitze 5 platziert wird, desto genauer können die tatsächlich auftretenden Abweichungen der Sondenspitze 5 von der Soll-Bewegung bestimmt und somit korrigiert werden.
Die angestrebte Bewegung der Mess- oder Sondenspitze 5 zum Zeitpunkt t kann in folgender Form geschrieben werden: $\vec{r} (t) = {\vec{r}}_{0} + {\vec{v}}_{0} t + {\vec{r}}_{ϖ} (t) .$
Hierbei ist ${\vec{r}}_{0}$
ein Referenzpunkt im Raum, ${\vec{v}}_{0}$
ist ein Geschwindigkeitsvektor, um die kontinuierliche Abtastbewegung in einer Achse zu beschreiben. Im Normalfall ist dies die Bewegung der langsamen Scanrichtung, zum Beispiel das Fortschreiten der Zeilen. ${\vec{r}}_{ϖ} (t)$
ist eine periodische Bewegung mit Kreisfrequenz ω und höheren Harmonischen bis zur Ordnung N in komplexer Schreibweise: ${\vec{r}}_{ω} (t) = \sum_{n = 1}^{N} {\vec{c}}_{n} e^{- i n ω t} .$
In einem typischen Regelkreis wird versucht die ganze Kurve $\vec{r} (t)$
zu regeln. Mit höheren Geschwindigkeiten liefert die Regelung zunehmende Abweichungen von der Soll-Trajektorie, weswegen anstelle dessen eine Vorwärtsregelung („feed forward“) vorgesehen ist. Im Unterschied zu Regelungsprozessen, bei denen der Eingang zu einzelnen Zeitpunkten aufgrund der Abweichungen im Ausgang angepasst wird, ist vorgesehen, mehrere Messwerte entlang einer Trajektorie zu berücksichtigen, um den ganzen Satz von Koeffizienten ${\vec{c}}_{n}$
des Eingangs zu korrigieren. Eine solches Vorgehen kann auch als „iterative learning control“ bezeichnet werden.
In einem möglichen Ausführungsbeispiel wird die Regelung zweigeteilt (vgl. 2): Der konstante und der lineare Anteil ${\vec{r}}_{0} + {\vec{v}}_{0} t$
werden vom normalen langsamen Regelkreis geregelt. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Regelung nur auf Anteile ω regelt. Dies kann zum Beispiel mit einem Tiefpassfilter 11 realisiert werden. Die schnelleren periodischen Bewegungen der einzelnen Raumachsen (deren Amplitude prinzipiell auch Null sein darf) werden durch eine Vorwärtsregelung 12 gesteuert, was unten weiter erläutert wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für eine Reglungsschleiefe erläutert.
Die gewünschte Sollbewegung $\vec{r} (t)$
wird mittels der Antriebe 24, 25 auf die Sondenspitze 5 übertragen. Durch die Antwortfunktion des Systems aus Sondenspitze 5, Antrieben 24, 25 der Verlagerungseinrichtung 8 und anderen elektronischen Bauelementen entspricht die hieraus resultierende Bewegung der Mess- oder Sondenspitze 5 nicht exakt der gewünschten Bewegung, unter anderem kann die echte Bewegung zeitlich verzögert sein. Wird nun die echte Bewegung der Sondenspitze 5 fortlaufend gemessen, so kann dann mit einem iterativen Verfahren (Vorwärtsregelung) eine Ansteuerungsfunktion der Verlagerungseinrichtung 8 mit den Antrieben 24, 25 derart angepasst werden, dass nach einigen Iterationen die gewünschte periodischen Bewegung mit hinreichender Genauigkeit erreicht wird.
Hierbei können folgende Probleme auftreten, welche das Erreichen der gewünschten Bewegung zumindest behindern können:

- Mechanische(s) und elektronische(s) Kopplung / Übersprechen: Bei getrennter Regelung der einzelnen Raumachsen können Störungen dieser Art nicht hinreichend eliminiert werden, da die Änderung der Ansteuerung der einen Richtung mit einer Änderung der anderen Richtung einhergeht.
- Die Messaperatur aus Ansteuerung, Sondenspitze 5 und Sensoreinrichtung schwingt als Ganzes gegenüber der Messprobe: Die Positionsmessung durch einen intern angebrachten Lagesensor der Messaperatur erlaubt aufgrund der überlagerten Bewegungen mit der Bewegung der Halterungsstruktur keine hinreichende Regelung der Istbewegung hin zur Sollbewegung der Sondenspitze 5 relativ zur Messprobe 6.
- Äußere konstante periodische Störungen, welche der Grundfrequenz ω interner Vibrationen oder einer der höheren Harmonischen entsprechen und diese anregen.
- Nichtlinearitäten der Antwortfunktion, welche beim Anregen mit einer Frequenz auch deren Oberschwingungen mit anregen.

An sich bekannte Regelungsschleifen für Rastersondenmikroskope regeln jeweils eine Achse unabhängig. Hierbei wird zwischen modellbasierten und modellfreien Algorithmen unterschieden. Für modellbasierte Algorithmen wird das System modelliert und versucht, die Antwortfunktion zu invertieren und die Ansteuerung so anzupassen, dass das Ausgangssignal dem gewünschten Signal entspricht.
Unter modellfreien Algorithmen werden üblicherweise iterative Verfahren verstanden, die die inverse Antwortfunktion mittels Iteration berechnen und sich gegebenenfalls an eine sich zeitlich ändernde Antwortfunktion anpassen können. Nachfolgend wird ein gekoppeltes modellfreies Verfahren erläutert, das mit Hilfe der Messdaten der Sensoreinrichtung, insbesondere der Positionssensoren 20, 21, eine deutlich verbesserte Regelung der Istbewegung der Messsonde 2 hin zur Sollbewegung relativ zur Messprobe 6 auch bei Auftreten der oben genannten Störungen erreicht.
Eine periodische Scan- oder Abtastbewegung wird mittels einer Spektralanalyse aus gemessenen Werten der Positionssensoren 20, 21 über mindestens eine Periode jeweils in Fourier-Koeffizienten zerlegt. Wird ein Positionssensor verwnedet, der eine bestimmte Ableitung der Scanbewegung misst, so müssen die Fourier-Koeffizienten entsprechend korrigiert werden. Für einen Geschwindigkeitssensor heißt das eine Phasen-Anpassung um 90° und eine Amplituden-Anpassung um den Faktor ω^-1. Mit allen so ermittelten Koeffizienten kann dann die Regelung für die Verlagerungseinrichtung 8 dynamisch so adaptiert werden, dass die echte Bewegung der Mess- oder Sondenspitze 5 der Sollbewegung nach ein paar Perioden sehr nahe kommt.
Die unterschiedliche Sensortypen haben verschiedene Vor- und Nachteile:

- Sensortyp 1 - Lagesensoren, zum Beispiel kapazitive Sensoren: Diese lassen typischerweise eine sehr genaue Positionsbestimmung für langsame Bewegungen zu. Bei schnellen periodischen Messbewegungen können aufgrund von Eigenschwingungen des Messgerätes die Messwerte der relativen Position der Messsonde zur Probe systematisch verfälscht werden.
- Sensortyp 2 - Geschwindigkeits- oder Beschleunigungssensoren oder ein Sensor zur Bestimmung einer höheren Ableitung der momentanen Lage: Diese können sehr genau die Geschwindigkeit / Beschleunigung für hinreichend schnelle periodische Bewegungen messen. Eine absolute globale Position der Messsonde gegenüber der Probe mittels Integration ist aufgrund von langsamen oder niederfrequenten Translationen eher schwierig zu bestimmen.

Für Frequenzen der Abtastbewegung (Scanbewegung), bei denen ausschließlich mechanische oder elektronische Kopplung auftritt, kann beispielweise mit Hilfe der Lagessensoren (Sensortyp 1) eine Korrektur der Ist-Trajektorie (Ist-Bewegungsbahn) hin zur Soll-Trajektorie (Soll-Bewegungsbahn) erreicht werden. Für andere Störungen kann zum Beispiel entweder ein weiterer Lagessensor vorgesehen sein, der die Bewegung der Halterungsstrukur misst und in die Regelung einbezieht, oder ein Sensor vom Typ 2 kann zum Einsatz kommen
Durch eine Aufteilung der Zuständigkeiten der Regelung auf die Sensortypen kann die Genauigkeit der Regelung wesentlich verbessert werden. Bei Zeilenraten oberhalb einer Schwellenfrequenz (abhängig von der Güte des Sensors und der internen Vibrationen der Messapartur) werden dann zusätzlich Daten vom Sensortyp 2 für die Regelung herangezogen. Diese können Informationen über Schwingungsbewegungen der Halterungsstruktur enthalten, die bei der Zerlegung in die Fourier-Koeffizienten der Messwerte auftreten und somit über den Regelungs-Algorithmus korrigiert werden können. Um die absolute globale Lage des Scanbereichs konstant zu halten, wird die nullte Ordnung der Spektralkoeffizienten vom Sensortyp 1 (gleichzusetzen mit dem Durchschnitt über eine Periode) für die äußere langsame Regelungsschleife verwendet. Die Regelung ist beispielhaft in 2 dargestellt.
2 zigt eine schemtische Darstellung eines Ablaufdiagramms für eine gekoppelte Regelung, also einer Regelung, bei der Messsignale von verschiedenen Sensoren sowie in allen Raumrichtungen erfasst werden. Die Messsignale (Messdaten) vom Sensortyp I $({\vec{y}}_{m})$
werden mit dem Tiefpass 11 in eine normale Regelschleife geleitet. Alle periodischen Messsignale (Sensordaten) können in der Vorwärtsregelung 12 benutzt werden, um das Inverse der Systemantwort zu berechnen. Während der Iterationen der Vorwärtsregelung 12 wird versucht, den periodischen Anteil der Messungen auf den periodischen Anteil des Sollwertes $\vec{r} (t)$
zu regeln.
Das Verfahren für eine Vorwärtsregelung inklusive Kopplung einer oder aller Raumachsen oder -richtungen wird im Folgenden für eine Ausführungsbeispiel hergeleitet. Hierbei wird im Frequenzraum gearbeitet, womit alle Parameter explizit von der Frequenz abhängen und komplexe Zahlen sind. Die Kombination von System 13 und Messapparatur 14 (vgl. 2), also zum Beispiel die Messvorrichtung 1 aus 1, transformiert ein Eingangssignal $\vec{u}$
in ein Messsignal $\vec{y},$
was sich als $\vec{y} = G (\vec{u})$
schreiben lässt. Im Allgemeinen ist G eine nichtlinearer Operator (eine nichtlineare Funktion von $\vec{u}) .$
Je nach verwendetem Sensortyp ergeben sich zur Auslenkung proportionale Messwerte ${\vec{y}}_{m}$
(Typ 1) oder dessen zeitliche Ableitung, beispielsweise die Beschleunigung ${\vec{y}}_{m}$
(Typ 2). Letzteres lässt sich mittels geeigneter Transformation in ein zur Auslenkung proportionales Signal umrechnen.
Die Formulierung „System“ in der hier verwendeten Bedeutung betrifft effektive Spannungen an den Antrieben 24, 25 sowie die mechanische Beschaffenheit der Verlagerungseinrichtung. Die Kopplung der Raumachsen oder -richtungen ergibt sich als Folge der konstruktiven Gestaltung der Verlagerungseinrichtung
Das Ziel der Vorwärtsregelung ist es, vor jeder Zeile $\vec{u}$
so anzupassen, dass $\vec{y}$
für die folgende Zeile der Sollbewegung $\vec{r}$
möglichst nahekommt. Unter der Annahme von Linearität wird G zu einer Matrix und das Problem reduziert sich darauf, die Inverse von G zu berechnen und auf die gewünschte Form von $\vec{r}$
anzuwenden. $\vec{u} = G^{- 1} \vec{r}$
Im allgemeinen Fall hat die Matrix G den Rang N × d, wobei N die maximale Ordnung der Fourierkoeffizienten aus Gleichung (2) und d die Anzahl der gekoppelten Achsen ist. Für die folgende Herleitung nehmen wir zur Vereinfachung an, dass verschiedene Frequenzterme nicht miteinander koppeln.
Hierdurch wird Gleichung (3) zu ${\vec{y}}_{ω} = G_{ω} {\vec{u}}_{ω},$
wobei sich der Rang der Matrix G auf d verringert hat. Im Folgenden wird der Index ω weggelassen. In iterativer Form lässt sich dann Gleichung (4) für die Iteration k in einer der folgenden Formen schreiben: ${\vec{u}}_{k + 1} = G_{k}^{- 1} \vec{r}$
oder ${\vec{u}}_{k + 1} = {\vec{u}}_{k} + G_{k}^{- 1} (\vec{r} - {\vec{r}}_{k}) .$
Im Beispiel der Regelung zweier Achsen ist $\vec{r} = (x, y), \vec{u} = (u, v)$
und es wird $(\begin{matrix} x \\ y \end{matrix}) = G_{k} (\begin{matrix} u \\ v \end{matrix})$
Erhalten. Wird jetzt Gleichung (3) von rechts mit $\vec{u}$
multipiliziert, dem transponiert-konjugierten Vektor zu $\vec{u},$
so wird $\vec{r} \vec{u} = G \vec{u} \vec{u},$
erhalten, oder ausgeschrieben in der Iteration k $(\begin{matrix} x_{k} {\bar{u}}_{k} & x_{k} {\bar{v}}_{k} \\ y_{k} {\bar{u}}_{k} & y_{k} {\bar{v}}_{k} \end{matrix}) = G_{k} (\begin{matrix} u_{k} {\bar{u}}_{k} & u_{k} {\bar{v}}_{k} \\ v_{k} {\bar{u}}_{k} & v_{k} {\bar{v}}_{k} \end{matrix}),$
u steht für die komplexe Konjugation von u. Wir bilden jetzt den Mittelwert 〈·〉 über alle aufgezeichneten Datenpunkte: $(\begin{matrix} 〈 x \bar{u} 〉 & 〈 x \bar{v} 〉 \\ 〈 y \bar{u} 〉 & 〈 y \bar{v} 〉 \end{matrix}) = G (\begin{matrix} 〈 u \bar{u} 〉 & 〈 u \bar{v} 〉 \\ 〈 v \bar{u} 〉 & 〈 u \bar{v} 〉 \end{matrix}) .$
Welche Art von Mittelwert hier benutzt wird, ist egal, solange das Mittel linear in den Komponenten ist und die Beziehung 1 = 1 erfüllt ist. Als Beispiele seien hier die exponentielle Glättung, der gleitende Mittelwert oder das arithmetisches Mittel über alle aufgezeichneten Datenpunkte genannt.
Demnach lässt sich nach G^-1 wie folgt ausdrücken: $G^{- 1} = (\begin{matrix} 〈 u \bar{u} 〉 & 〈 u \bar{v} 〉 \\ 〈 v \bar{u} 〉 & 〈 v \bar{v} 〉 \end{matrix}) {(\begin{matrix} 〈 x \bar{u} 〉 & 〈 x \bar{v} 〉 \\ 〈 y \bar{u} 〉 & 〈 y \bar{v} 〉 \end{matrix})}^{- 1}$
Für eine hinreichend Konvergenz der Istbewegung zur Sollbewegung wird die Determinante der zweiten Matrix in Gleichung (12) sehr klein. Es kann ein Minimum für die Determinante festgelegt werden, ab dem G^-1 in Gleichung (7) gleich null gesetzt und die Berechnung nach Gleichung (12) umgangen wird.
Das Rauschen der Messdaten verhindert, dass die Determinante exakt null wird. Zusätzlich müssen Startwerte für die Iteration so gewählt werden, dass der Algorithmus stabil anläuft.
Die so gewählte Form der Vorwärtsregelung konvergiert zuverlässig innerhalb weniger Iterationsschritte und führt somit in kurzer Zeit zu einer optimierten Trajektorie der Messsonde 2 relativ zu Messprobe 6. Die erzeugte Ansteuerung der Antriebe 24, 25, die zum Beispiel mit der Piezo-Aktuatoren gebildet sind, wird entsprechend aller Kopplungs- und Störungseinflüsse der Messeinrichtung angepasst.
Es ist eine gekoppelte Regelung vorgesehen, die nachfolgend weiter erläutert wird. Die Formulierung „gekoppelte Regelung“ bezieht sich hier darauf, dass die Regelung gekoppelte Bewegungen in den verschiedenen Raumachsen / Raumrichrungen berücksichtigt. Die Regelung berücksichtigt eine Bewegung in einer der Raumachsen / Raumrichtungen, die nur auftritt oder versursacht ist, weil eine Bewegung in einer anderen der Raumachsen / Raumrichtungen erfolgt oder stattfindet. Die vorgeschlagene Regelung behandelt oder berücksichtigt diese als Kopplungsanteile. Die Raumachsen / Raumrichtungen werden so nicht unabhängig voneinander geregelt, sondern gekoppelt.
Eine Anpassung der dynamischen Regelung (die Neuberechnung von G^-1) muss nicht fortlaufend erfolgen, sie kann nur gelegentlich oder auch nur einmalig vor Beginn der eigentlichen Messung erfolgen. Dies schränkt dann dahingehend ein, dass andere dynamische, neu auftretende Störungen nicht unterdrückt werden können.
Zum Erweitern der Regelung mit äußeren konstant periodischen Störungen kann Folgendes vorgesehen sein: Wird zur Herleitung anstelle des Modells in Gleichung (5) das erweiterte Modell ${\vec{r}}_{ϖ} = G_{ϖ} {\vec{u}}_{ϖ} + {\vec{f}}_{ϖ}$
herangezogen, wobei ${\vec{f}}_{ϖ}$
für eine feste Frequenz ω jeweils konstant ist, dann wird Folgendes erhalten: $G^{- 1} = (\begin{matrix} 〈 u \bar{u} 〉 - 〈 u 〉 〈 \bar{u} 〉 & 〈 u \bar{v} 〉 - 〈 u 〉 〈 \bar{v} 〉 \\ 〈 v \bar{u} 〉 - 〈 v 〉 〈 \bar{u} 〉 & 〈 v \bar{v} 〉 - 〈 v 〉 〈 \bar{v} 〉 \end{matrix}) {(\begin{matrix} 〈 x \bar{u} 〉 - 〈 x 〉 〈 \bar{u} 〉 & 〈 x \bar{v} 〉 - 〈 x 〉 〈 \bar{v} 〉 \\ 〈 y \bar{u} 〉 - 〈 y 〉 〈 \bar{u} 〉 & 〈 y \bar{v} 〉 - 〈 y 〉 〈 \bar{v} 〉 \end{matrix})}^{- 1} .$
Sind eventuell auftretende nichtlineare Frequenzkopplungen sehr klein, so ist dieses Modell eine Möglichkeit, mit nur minimal erhöhtem Aufwand auf diese zu regeln.
Soll auf alle Frequenzkopplungen geregelt werden, kann die volle Matrix G aus Gleichung (4) gebildet und invertiert werden. Für eine schnelle Vorwärtsregelung können Daten aus den verschiedenen Sensortypen der Sensoreinrichtung zu einem Positionssignal kombiniert werden, um Messfehler weiter zu reduzieren.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Claims

Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop, mit - einer Probenaufnahme, die eingerichtet ist, eine zu untersuchende Messprobe aufzunehmen; - einer Messsonde, die an einem Sondenhalter angeordnet ist und eine Sondenspitze aufweist, mit der die Messprobe messbar ist; - einer Verlagerungseinrichtung, die eingerichtet ist, die Messsonde und die Probenaufnahme zum Messen der Messprobe relative zueinander zu bewegen, derart, dass die Messsonde zum Messen der Messprobe relativ zu dieser in wenigstens einer Raumrichtung eine Rasterbewegung ausführt; - einer Steuereinrichtung, die mit der Verlagerungseinrichtung verbunden ist und die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme steuert; und - einer Sensoreinrichtung, die eingerichtet ist, Bewegungsmesssignale für eine tatsächliche Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme zu erfassen, die bei der relativen Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme zum Messen der Messprobe ausgeführt wird, und die Bewegungsmesssignale an die Steuereinrichtung zu geben, wobei die Bewegungsmesssignale eine erste die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer ersten Raumrichtung und eine zweite die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer zweiten Raumrichtung anzeigen, die zu ersten Raumrichtung quer verläuft; wobei die Steuereinrichtung weiterhin eingerichtet ist, die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme in Abhängigkeit von den Bewegungsmesssignalen zu steuern, derart, dass die Verlagerungseinrichtung durch die Steuereinrichtung mit kompensierenden Steuersignalkomponenten beaufschlagt wird, welche für die Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme eine erste Gegenbewegung, die die erste störende Bewegungskomponente in der ersten Raumrichtung im Wesentlichen kompensiert, und / oder eine zweite Gegenbewegung bewirken, die die zweite störende Bewegungskomponente in der zweiten Raumrichtung im Wesentlichen kompensiert.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung eingerichtet ist, die Bewegungsmesssignale im Rahmen einer Absolutmessung zu erfassen.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 der 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung eingerichtet ist, für die tatsächliche Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme Bewegungsmesssignale zu erfassen, die eine erste die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in x-Richtung einer x-y-Ebene der Probenaufnahme anzeigen.
Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e - k e n n z e ich n e t, dass die Bewegungsmesssignale Positionsmesssignale für die erste die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in der ersten Raumrichtung und die zweite die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in der zweiten Raumrichtung umfassen.
Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e - kennzeichnet, dass die Steuereinrichtung und die Verlagerungseinrichtung eingerichtet sind, beim Messen der Messprobe die Rasterbewegung der Messsonde relativ zur Messprobe in der zumindest einen Raumrichtung als eine periodische Bewegung auszuführen.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung und die Verlagerungseinrichtung eingerichtet sind, beim Messen der Messprobe die periodische Bewegung der Messsonde relativ zur Messprobe hinsichtlich einer Amplitude und / oder einer Phase der periodischen Bewegung in Abhängigkeit von den Bewegungsmesssignale zu steuern.
Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung eingerichtet ist, beim Messen der Messprobe erste Bewegungsmesssignale für eine Bewegung der zum Ausführen der relativen Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme bewegten Messsonde oder Probenaufnahme zeitabhängig zu erfassen.
Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung eingerichtet ist, beim Messen der Messprobe erste Bewegungsmesssignale beim Messen der Messprobe zweite Bewegungsmesssignale für eine Bewegung der zum Ausführen der relativen Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme mittels der Verlagerungseinrichtung nicht bewegten Probenaufnahme oder Messsonde zeitabhängig zu erfassen.
Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung eine kapazitive Sensoreinrichtung aufweist.
Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung zumindest teilweise an wenigstens einer der folgenden Vorrichtungskomponenten gebildet ist: Sondenhalter und Probenaufnahme.
Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde mit einem Cantilever gebildet ist.
Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung und die Verlagerungseinrichtung eingerichtet sind, beim Messen der Messprobe die Rasterbewegung der Messsonde relativ zur Messprobe mit einer Schwingungsfrequenz von wenigstens etwa 100Hz auszuführen.
Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Sensoreinrichtung vorgesehen ist, welche eingerichtet ist, weitere Bewegungssignale im Rahmen einer Relativbewegung zu erfassen.
Rastersondenmikroskop zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen einer Messprobe, mit einer Messvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zum rastersondenmikroskopischen Untersuchen einer Messprobe mit einem Rastersondenmikroskop, mit - Anordnen einer Messprobe auf einer Probenaufnahme eines Rastersondenmikroskops; und - sondenmikroskopisches Untersuchen der Messprobe mittels einer Messsonde, die an einem Sondenhalter angeordnet ist und eine Sondenspitze aufweist; wobei hierbei - die Messsonde und die Probenaufnahme mittels einer Verlagerungseinrichtung relative zueinander bewegt werden, derart, dass die Messsonde relativ zur Messprobe in wenigstens einer Raumrichtung eine Rasterbewegung ausführt; - eine Steuereinrichtung, die mit der Verlagerungseinrichtung verbunden ist, die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme steuert; - mittels einer Sensoreinrichtung Bewegungsmesssignale für eine Bewegung der Messsonde und / oder eine Bewegung der Probenaufnahme, die bei der relativen Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme ausgeführt wird, erfasst werden, wobei die Bewegungsmesssignale eine erste die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer ersten Raumrichtung und eine zweite die Rasterbewegung störende Bewegungskomponente in einer zweiten Raumrichtung anzeigen, die zu ersten Raumrichtung quer verläuft; und - die Bewegungsmesssignale an die Steuereinrichtung gegeben werden; wobei die Steuereinrichtung die relative Bewegung zwischen der Messsonde und der Probenaufnahme in Abhängigkeit von den Bewegungsmesssignalen derart steuert, dass die Verlagerungseinrichtung durch die Steuereinrichtung mit kompensierenden Steuersignalkomponenten beaufschlagt wird, welche für die Bewegung der Messsonde und / oder der Probenaufnahme eine erste Gegenbewegung, die die erste störende Bewegungskomponente in der ersten Raumrichtung im Wesentlichen kompensiert, und / oder eine zweite Gegenbewegung bewirken, die die zweite störende Bewegungskomponente in der zweiten Raumrichtung im Wesentlichen kompensiert.