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Querverweis
zu verwandten Anmeldungen
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Diese
Anmeldung basiert auf der US-amerikanischen Anmeldung mit der Seriennummer
60/306 578 ,
mit dem Anmeldetag 18.07.2001.
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Angaben
bezüglich
der Bundesförderung
für Wissenschaft
und Entwicklung Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der
Regierung unter der Erteilungsnummer NSF – DMR9988640 und NSF – DMR0080034
erteilt durch die National Science Foundation zuerkannt. Die Regierung
hat gewisse Rechte an dieser Erfindung.
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Diese
Erfindung betrifft Rastersondengeräte. Insbesondere betrifft die
Erfindung Verbesserungen eines Rasterkraftmikroskopes, welches zur
Messung der Auslenkungen eines Cantilevers verwendet wird.
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Rastersondengeräte, wie
z. B. Rasterkraftmikroskope (Atomic force microscope, AFM) haben gezeigt,
daß sie
exzellente Werkzeuge zur Abbildung einer breiten Palette von Materialien
wie z. B. Metallen, Halbleitern, Mineralien, Polymeren und Biomaterialien
sind. In einem AFM werden Kräfte über die Auslenkung
eines Cantilevers gemessen, wenn auf ihn eine Kraft einwirkt. Die
Auslenkung des Cantilevers wird von einem Detektionssystem, üblicherweise
durch Fokussierung eines einfallenden Strahls als Punkt auf den
Cantilever und die Lenkung des reflektierten Strahls auf einen segmentierten Detektor
gemessen. Spezielle AFMs, sogenannte "force pullers", wurden für den Zweck gebaut, durch Ziehen
an Molekülen
deren Struktur und Dynamik zu bestimmen. Cantilever und Cantileveranordnungen,
die denen in AFMs ähnlich
sind, wurden kürzlich
als chemische Abtastvorrichtung verwendet. In diesem Operationsmodus
ist eine chemisch empfindliche Schicht auf eine der mehreren Oberflächen des
Cantilevers aufgebracht. Wenn das Targetmolekül detektiert wird, werden die
nanomechanischen Eigenschaften des Cantilevers beeinflußt, wie
z. B. die Veränderung
der Auslenkung und/oder Resonanzfrequenz des Cantilevers.
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Seit
Ihrer Einführung
wurden die AFMs und die Cantilever-Abtastvorrichtungen zunehmend hinsichtlich
der Meßbarkeit
wesentlich kleinerer Kräfte sowie
hinsichtlich der Verwendung wesentlich kleinerer Cantilever weiterentwickelt.
Dies wiederum hat zu neuen Problemen hinsichtlich der Empfindlichkeit
der Instrumente geführt.
Es besteht ein Bedarf an einer erhöhten Empfindlichkeit und einer
kleineren Punktgröße, um die
kleineren Cantilever und kleineren Kräfte, die der Wissenschaftler,
zur Probenmessung oder -manipulation benötigt, daran anzupassen. Ähnliche
Detektionstechniken werden ebenso verwendet, um die Bewegung der
optischen Proben, welche im Near-Field Scanning Optical Microscopes (NSOM),
im scanning ion-conductance
microscope (SICM) und in einer Vielzahl von anderen Rastersonden
Mikroskopen verwendet werden, zu überwachen. Das wachsende Gebiet
der Nanotechnologie bietet eine ausreichende Motivation zur präzisen Messung
der Position und/oder Bewegung von einer breiten Palette von Objekten
bis auf den Nanometerbereich herab und darunter.
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Die
folgenden US-Patente sind für
die Erfindung relevant: US-Patent
Nr. 5 825 020 – Rasterkraftmikroskop
zur Generierung eines kleinen Punktes des einfallenden Lichtstrahls,
US-Patent #RE034489 – Rasterkraftmikroskop
mit einer optional ersetzbaren Flüssigkeitszelle und US-Patent
Nr.
4 800 274 – Hochauflösendes Rasterkraftmikroskop.
Die folgenden Veröffentlichungen
sind relevant für
die Erfindung: (1) Mario B. Viani, et al., "Small cantilevers for force spectroscopy
of single molecules;" Journal
of Applied Physics, Vol. 86, Nr. 4, 2258–2262. (2) Tilman E. Schaffer,
et al., "Characterization
and optimization of the detection sensitivity of an atomic force microscope
for small cantilevers; Journal of applied Physics, Vol. 84, Nr.
9, 4661–4666.
(3) Tilman E. Schaffen, et al., "An
atomic force microscope for small cantilevers;" SPIE – The International Society for
Optical Engineering, Vol. 3009, 48–52. (4) D.A. Walter, et al., "Short cantilevers
for atomic force microscopy;" Review
of Scientific Instrumentation, Vol. 67, Nr. 10, 3583–3590. (5)
T.E. Schaffer, et al., "Studies
of vibrating atomic force microscope cantilevers in liquid;" Journal of Applied
Physics, Vol. 80, Nr. 7, 3622–3627.
(6) Deron A. Walters, et al.; "Atomic
force microscopy using small cantilevers;" SPIE – The International Society
for Optical Engineering, Vol. 3009, 43–47. Alle vorgenannten Patente
und Veröffentlichungen
sind durch Ihre Zitierung hiermit bezogen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt Verbesserungen der optischen Laufweite
und Detektion der reflektierten Lichtstrahlen zur Verfügung, die
eine generelle Anwendbarkeit für
alle optischen Systeme zur Messung der Bewegung eines Cantilevers
bieten sowie spezifische Anwendungen für AFMs. Die Erfindung stellt
insbesondere einen verbesserten AFM-Kopf zur Verfügung, der
signifikant neue Merkmale und Vorteile im Vergleich zu existierenden AFM-Meßköpfen hat.
Ein besonderes neues Merkmal ist die Verwendung eines neuen optischen
Weges, bei dem unterschiedliche Bereiche einer Linse für den einfallenden
und den reflektierten Lichtstrahl verwendet werden. Ein weiteres
neues Merkmal dieses AFMs ist der vereinheitlichte optische Block,
der alle optischen Elemente des optischen Laserdetektionssystems
zwischen der Lichtquelle und der letzten Fokussierungslinse sowie
die diese umgebenden Elemente in einer extrem kleinen und rigiden
Baugruppe enthält.
Eine weitere Neuerung besteht darin, daß der Strahl von der AFM-Lichtquelle
niemals eine flache Oberfläche
bei normalem Einfall trifft, außer daß er stark
divergiert oder konvergiert. Ein weiteres neues Merkmal ist die
dreidimensionale Flexur, die eine dreidimensionale Bewegung des
optischen Blocks erlaubt. Ein anderes neues Merkmal besteht in der
Ermöglichung
einer Resonanzfrequenz von über
850 Hz für
zwei mechanische Wege, dies beeinflußt am stärksten die Funktion des AFMs:
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Die
beiden mechanischen Wege sind der mechanische Weg vom Cantilever
zur Probe und zwischen dem Cantilever und der Fokussierungslinse.
Dies wird ermöglicht
durch den Cantileverhalter, der unmittelbar kinematisch an die Oberseite
des piezoelektrischen Scanners indiziert, um einen direkten mechanischen
Weg zwischen der Probe auf der Oberseite des Scanners und dem Cantilever
zur Verfügung
zu stellen. Doch es gibt noch ein weiteres neues Merkmal, welches
sowohl das AFM als auch das STM und andere Rastersondenmikroskope
verbessert. Es beruht darauf, Kompositmaterialien oder Keramiken
zur Herstellung des Gehäuses,
des optischen Blocks und anderer Komponenten des Rastersondenmikroskopes
zu verwenden, um so die gewünschte
hohe Steifigkeit und einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zu gewährleisten.
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Als
Resultat der Umsetzung eines oder mehrerer dieser Merkmale wird
ein AFM erhalten, welches einen kleineren fokussierten Punkt, als
bisher herstellbar, ermöglicht.
In einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung wird eine Verbesserung eines AFMs zur Verfügung gestellt,
in dem der einfallende Strahl fokussiert wird, um einen Punkt auf
dem Cantilever zu bilden, welcher eine Größe von 5 μm oder weniger, bevorzugt 3 μm oder weniger
in wenigstens einer Dimension hat.
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Viele
der erfindungsgemäßen Verbesserungen
sind übertragbar
auf optische Systeme, welche allgemein dazu dienen, die Messung
der Bewegung oder der Position eines nanomechanischen Objektes oder
eines Merkmals im Nanometerbereich oder einer Struktur eines Objektes
zu messen.
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Diese
und andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden unter Hinzuziehung
der folgenden detaillierten Beschreibung und beigefügten Zeichnungen
deutlicher zu verstehen sein.
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Es
zeigen:
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Die 1 eine perspektivische Ansicht
des optischen Weges einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und verbundener
Komponenten sowie eine teilweise aufgebrochene Ansicht des Gehäuses eines
Meßkopfs,
z. B. für
ein erfindungsgemäßes Rasterkraftmikroskop;
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2A ist eine perspektivische
Ansicht des optischen Weges der 1 und
verbundenen Komponenten, dargestellt außerhalb des Gehäuses;
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Die 2B, 2C und 2D sind
schematische, vergrößerte Ansichten
alternativer Ausführungsformen
des optischen Meßkopfes.
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3 ist eine perspektivische
Ansicht des vereinheitlichten optischen Blockes, der die Komponenten
der 1 enthält;
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4 ist eine Ansicht der 3 aus einem anderen Blickwinkel
mit teilweise aufgebrochener Ansicht, um Details des optischen Blocks
zu zeigen;
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5 ist eine Draufsicht auf
das Mikroskop, wobei die Ansicht des Gehäuses teilweise aufgebrochen
ist und laterale Positionierungsschrauben zeigt;
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6a ist eine Explosionsansicht
des optischen Blocks und der Flexurkomponenten;
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6B ist eine Draufsicht auf
die Ballkontaktoberfläche
des vertikal beweglichen Fokussierungsteils, welches in der Erfindung
verwendet wird;
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6C ist eine Draufsicht,
die die Ballkontaktoberfläche
der Fassung für
die scheibenförmige Flexur,
die für
die Erfindung verwendet wird, zeigt;
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7 ist eine Ansicht der Unterseite
des AFM-Kopfes, die die Anordnung der Flüssigkeitszelle, welche den
AFM-Cantilever enthält
zeigt;
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8 ist eine Ansicht der Unterseite
des AFM-Kopfes, welcher die Flüssigkeitszelle
separiert von dem AFM-Gehäuse
darstellt.
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9 ist eine perspektivische
Ansicht der Unterseite der Flüssigkeitszelle
aus 8 und der gegenüberliegenden
Oberfläche
des Scanners, und zeigt die direkte kinematische Indizierung von
der Flüssigkeitszelle
an den Scanner; und
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10A und 10B sind vereinfachte schematische Darstellung
des mechanischen Weges zwischen dem Cantilever und der Probe.
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In Übereinstimmung
mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird ein Meßkopf
zur Verfügung
gestellt, der zur Messung der Auslenkung eines Cantilevers und anderer
nanomechanischer Bausteine und Merkmale verwendet werden kann. Die
gebräuchlichste
Anwendung dieses Meßkopfes
ist die als Detektionskopf eines Rasterkraftmikroskopes, allerdings
kann dieser Meßkopf
auch zur präzisen Messung
der Bewegung von jeglichen Merkmalen im Nanometerbereich oder Strukturen
oder nanomechanischen Objekten verwendet werden. Dies ist der Anwendungsbereich
oder der Zweck, bei dem die Bewegung im Nanometerbereich wichtig
für den
Betrieb des Gerätes
ist. Außerdem
können
viele der Hauptmerkmale des Meßkopfes
dafür verwendet
werden, eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei der Messung der
vertikalen und/oder lateralen Bewegung von willkürlich ausgewählten Objekten
im Nanometerbereich zur Verfügung
zu stellen.
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Die
Auslenkungen haben einen Bezug zur am Kantilever wirkenden Kraft
und können
dazu verwendet werden, Kraft-Distanzkurven zu messen, zur Messung
einer Kraft welche, während
der Bildgebung durch eine Rückkoppelung
(feedback network) gesteuert wird, sowie zu Messungen in vielen
weiteren Anwendungen, welche bereits für bekannte Rasterkraftmikroskopköpfe etabliert
sind, sowie für
die magnetic force microscopy, Kelvin probe microscopy, non-contact
AFM und jedes andere Gerät,
für dessen Messungen
die Auslenkung von Cantilevern verwendet wird.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere eine oder mehrere der folgenden
Verbesserungen, von denen alle auf ein AFM übertragbar sind. Einige sind
mehr auf allgemeine optische Systeme und andere auf Rastersondenmikroskope
im allgemeinen auf solche wie AFM und STM übertragbar. Die Verbesserungen, die
im Hinblick auf ein AFM dargestellt sind, sind die folgenden:
- I. Der einfallende Laserstrahl ist nicht mit
der zentralen Achse der Linse abgestimmt
- II. Ein kleiner, fest eingebauter optischer Block enthält und umfaßt alle
optischen Elemente von der Lichtquelle bis zur letzten Fokussierungslinse.
- III. Eine Flexur erlaubt die dreidimensionale Bewegung des optischen
Blockes.
- IV. Verwendung von Compositmaterialien oder Keramiken.
- V. Der Strahl trifft bei normalem Einfall niemals eine flache
Oberfläche,
außer
wenn er konvergiert oder divergiert.
- VI. Der kritische mechanische Weg zwischen dem Cantilever und
der Probe sowie zwischen dem Cantilever und der Fokussierungslinse
hat eine Resonanzfrequenz größer als
850 Hz.
- VII. Der einfallende Strahl bildet einen 3 μm oder kleineren Punkt.
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Diese
Erfindung beinhaltet vielfältige
andere Innovation die an geeigneter Stelle im folgenden beschrieben
sind.
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I. Der einfallende Laserstrahl
ist nicht mit der zentralen Achse der Linse abgestimmt
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Eine
der Schlüsselherausforderungen
eines kleinen Cantilever AFM Meßkopfes
ist die Separation des einfallenden und des reflektierten Lichtstrahls. Der
Grund hierfür
ist, daß kleine
Cantilever AFM-Optiken eine hohe numerische Apertur (NA) erfordern, um
einen kleinen fokussierten Lichtpunkt auf den Cantilever abzubilden.
Die Optiken mit der hohen numerischen Apertur haben typischerweise
zur Folge, daß eine
Linse mit kurzer Brennweite sehr nah an dem Cantilever angebracht
wird. Hieraus resultiert ein kurzer Weg, um den, vom Cantilever
reflektierten Lichtstrahl zum Detektor zu führen. Das oben erwähnte US-Patent
5
825 020 stellt eine Methode zur Separierung des einfallenden
und des ausfallenden Strahls zur Verfügung. Der einfallende Strahl
wird polarisiert, durch eine fokussierende Linse geführt, wird vom
Cantilever zurück
durch die gleiche Linse reflektiert und dann wird der reflektierte
Lichtstrahl durch die Verwendung eines Lambdaviertelplättchens
auf einen separierten Weg geführt.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem auf einem anderen und einzigartigen Weg, wie im Folgenden beschrieben,
ohne ein Lambdaviertelplättchen
zu verwenden. 1 und 2 illustrieren das optische System 10,
welches in dem Gehäuse 12 eines
AFMs in Übereinstimmung
mit der Erfindung vorgesehen ist. Ein Lichtstrahl 14 einer
Lichtquelle 16 wird durch eine Kollimatorlinse 18 geführt. Die
Lichtquelle kann eine Laserdiode, ein Helium-Neon-Laser oder ein Laser
oder Laserdiode gekoppelt an eine optischer Faser, ein "vertical cavity surface
emitting" Laser,
eine Superlumineszenzdiode oder lichtemittierende Diode oder eine
andere Quelle, die einen Lichtstrahl erzeugt, sein. Im Falle einer
Festkörperlichtquelle
sollte die Lichtquelle Idealerweise einen sehr kleinen emittierenden
Bereich im Bereich von 30 μm
oder weniger haben.
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Nachdem
der Lichtstrahl die Kollimatorlinse
28 verläßt, wird
er als einfallender Lichtstrahl
20 durch eine Hälfte einer
Linse
22 geführt,
die ihn auf den Cantilever
24 fokussiert. Das dargestellte
optische System kann für
den Betrieb an Luft, anderen Gasen oder im Vakuum verwendet werden.
Ein Glascantileverhalter, ähnlich
dem in der US-Patentschrift B1 Re
34,489 kann ebenso
verwendet werden, um dem Detektionssystem die Messung der Bewegung des
Cantilevers, der in eine Flüssigkeit
eingetaucht ist, zu ermöglichen.
Der am Cantilever
24 reflektierte Strahl
26, wird
durch die andere Hälfte
der Linse
22 auf seinen Weg zum Detektor geführt. Des
weiteren sind weitere optische Komponenten zwischen der Linse
22 und
dem Detektor vorgesehen, welche kurz beschrieben werden. Die Erfindung
stellt auf sehr einfachem und kompaktem Weg die Separierung des einfallenden
und ausfallenden Lichtstrahls zur Verfügung. Während der einfallende Lichtstrahl
20 die
Linse
22 außerhalb
der zentralen Achse der Linse trifft, verläßt der Lichtstrahl die Linse
nicht unter einem 0°-Winkel
im Bezug auf die optische Achse der Linse. Wenn der Cantilever senkrecht
zur optischen Achse befestigt ist, wie in der bevorzugten Ausführungsform,
wird der ausfallende Lichtstrahl
26 so vom Cantilever reflektiert,
daß er
einen ähnlichen
Winkel im Bezug auf die optische Achse hat. Diese beiden nicht 0°-Winkel bewirken
den Abstand zwischen dem einfallenden und dem ausfallenden Lichtstrahl,
um diese zu separieren. In der bevorzugten Ausführungsform ist im wesentlichen
keine Überlappung
zwischen dem einfallenden Lichtstrahl
20 und dem reflektierten Lichtstrahl
26.
Wenn der einfallende Lichtstrahl
20 ziemlich weit entfernt
von der zentralen Achse der Linse
22 eingestellt wird,
dann durchläuft
der, die Linse verlassende Strahl auf dem Weg zum Cantilever einen
ziemlich steilen Winkel. Dies hat in einem AFM weitere Vorteile,
weil es kein von der Probe ausgehendes reflektiertes oder gestreutes
Streulicht, welches den Detektor nicht treffen sollte, in diese
Richtung erzeugt. Dieses Streulicht kann optische Interferenzen
in dem AFM Meßelementen
erzeugen und wird im folgenden genauer beschrieben.
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In
der bevorzugten Ausführungsform,
wie in 2A beschrieben,
ist die Ausrichtung des einfallenden Lichtstrahls 20 in
die Linse 22 so ausgewählt, so
daß keine Überlappung
zwischen dem einfallenden Lichtstrahl 20 und dem ausfallenden
Lichtstrahl 26 besteht. Es gibt viele ähnliche Ausführungen,
die alle in die vorliegende Erfindung fallen. Zum Beispiel ist in 2B die Linse 22 annähernd in
zwei Teile geteilt, so daß der
reflektierte Lichtstrahl 26 nicht durch die Linse zurückgeführt wird.
In einer anderen nicht bevorzugten Ausführungsform, in 2C gezeigt, sind der einfallende und
der ausfallende Lichtstrahl so angeordnet, daß sie sich geringfügig überlappen. Diese
Ausführungsform
könnte
einen stärkeren NA-Lichtstrahl
erzeugen, was wiederum zu einem kleineren fokussierten Punkt führt und/oder
die Verwendung einer kleineren Linse erlauben könnte. Eine vierte alternative
Ausführungsform
ist in 2D dargestellt.
In dieser Ausführungsform
ist der einfallende Lichtstrahl annähernd mit der zentralen Achse
der Linse abgestimmt. Allerdings wird in diesem Fall ein Strahlteiler
oder Spiegel in den Weg des einfallenden Lichtstrahls plaziert,
um partiell den einfallenden Lichtstrahl zu blockieren. Anschließend wird
ein Teil des reflektierten Lichtstrahls von dem Strahlleiter oder
Spiegel zum Detektor geführt.
Natürlich
sind vielfältige
Variationen dieses Konzeptes möglich,
die zu ähnlichen
Resultaten führen
und in den Schutzbereich der Erfindung fallen.
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Bezugnehmend
auf die oben bereits erwähnte
bevorzugte Ausführungsform
der 2A wird der Lichtstrahl,
nachdem er die Linse 22 als ausfallenden Lichtstrahl verläßt, anschließend von
dem kleinen Spiegel 28 reflektiert, dann passiert er optional
den Interferenzfilter 30, dann optional eine zylindrische Linse 32,
um den Detektor 34 zu treffen. Der optional vorgesehene
Interferenzfilter 30 wird so positioniert, daß der primäre Lichtstrahl 26,
welcher vom Cantilever 24 reflektiert wird, diesen passieren
kann und anderes Licht blockiert wird. Idealerweise ist der Filter 30 nicht
reflektierend und absorbierend um die Streuung und/oder Reflektion
des Streulichts zu minimieren. Streulicht kann viele Ursachen haben,
auch Umgebungslicht und Licht vom Detektor, welches von den optischen
Oberflächen
gestreut oder reflektiert wird und/oder von den Oberflächen der
mechanischen Gehäusekomponenten.
Der Interferenzfilter blockiert dieses Streulicht und vermindert
die Interferenzeffekte, welche sonst als Welle in den Kraftdistanzkurven
sichtbar sind. Der kleine Spiegel 28 kann ebenfalls ein
kleines Prisma sein, in dem die interne Totalreflektion verwendet
wird, um den Lichtstrahl zu lenken. Die optionale zylindrische Linse
wird verwendet, um den Lichtstrahl zu fokussieren oder andererseits
die Größe in der
Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung des Lichtstrahls als Antwort
auf die Krümmung
des Cantilevers zu beschränken.
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II. Eingebauter optischer
Block
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Die
3 zeigt die Komponenten
der
1 in einem einzigen
optischen Block
40. Der optische Block enthält alle
optischen Elemente zwischen der Lichtquelle und der Fokussierungslinse
sowie die diese umgebenden. Das Vorsehen dieser Komponenten in einem
einzigen eingebauten Block erlaubt die optimierte Platzierung der
eingebauten optischen Elemente, die dann optional in dieser Stellung
festgestellt werden können.
Diese Anordnung der kritischen optischen Komponenten, die einen
Beitrag zur Leistungsfähigkeit
des Meßkopfes
leisten, erlaubt, daß diese
relativ zueinander fixiert bleiben und so die optische Leistungsfähigkeit
nicht durch die Benutzereinstellungen beeinträchtigt wird. Vorbekannte kleine Cantilever
AFM-Meßköpfe, wie
der in der US-Patentschrift
5 825 020 positionieren
den fokussierten Punkt auf den AFM-Cantilever durch Verschieben wenigstens
einer Linse relativ zu einer oder mehreren anderen Linsen in dem
optischen Weg. Siehe beispielsweise
7 des
5
825 020 Patents. In dieser Figur bewegt die Einstellung
der Schraube
72 die Linse
62 relativ zur letzten
Fokussierungslinse
60, um den fokussierten Punkt zu verschieben.
In der
9 dienen die
Schrauben
184 und
186 auf ähnliche Weise zur Verschiebung
der Lichtquelle relativ zu vielen anderen optischen Elementen. Diese
Anordnung bewirkt die Verminderung der optischen Leistungsfähigkeit,
weil der ausgeblendete Laserstrahl unterschiedliche Bereiche der
Fokussierungslinse durchläuft
und so die Linsen nicht unter den optimalen Winkeln trifft. Dies
wiederum führt
zu Veränderungen
in der Größe des Laserpunktes,
weil die Position des Laserpunktes durch den Verwender eingestellt wird.
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Der
eingebaute optische Block 40 der Erfindung bietet eine
Verbesserung im Gegensatz zum Stand der Technik, weil alle kritischen
optischen Elemente sich gemeinsam bewegen, wenn der fokussierte
Punkt auf den Cantilever gelenkt wird. (Der Steuermechanismus, eine
dreidimensionale Flexur wird im nächsten Abschnitt beschrieben).
Ebenso erlaubt diese Technik es dem Meßkopf, einen kleineren Brennpunkt über den
gesamten Einstellbereich des Meßkopfes
zu halten. Dieser optische Block kann ebenso optional mit einem
Gas, welches einen Brechungsindex, der gegenüber Temperaturschwankungen
stabil ist, gefüllt
und versiegelt werden. Dies verhindert die Verzerrung der Lichtstrahlen,
obgleich sich die umgebende Lufttemperatur ändert.
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Der
eingebaute optische Block 40 besteht in einer bevorzugten
Ausführungsform
aus einem Brückenteil 42,
das an den Grundkörper 44 geklebt ist.
Die Brücke
und der Grundkörper
können
auf jede Art und Weise miteinander verbunden sein. Die Brücke 42 und
der Grundkörper 44 können aus
einem Stück
maschinell hergestellt oder geformt sein. Die Brücke 42 hat eine Fügeverbindung,
für die
neuartige drei-dimensionale Flexur, welche im nächsten Abschnitt beschrieben
wird und die es erlaubt, den Lichtstrahl auf den Cantilever zu lenken.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Lichtquelle 16 unter das Brückenstück 42 eingebaut. Weitere
Details des eingebauten optischen Blocks werden detailliert in Abschnitt
III und IV beschrieben.
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III. Flexur, die die dreidimensionale
Bewegung des optischen Blocks erlaubt
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Der
optische Block 40 ist über
eine neue, dreidimensionale, scheibenartige Flexur 52 an
dem Gehäuse 12 befestigt.
Diese Flexur ist so gestaltet, daß der optische Block entlang
zweier Achsen um einen Punkt der Zentralachse der Lichtquelle geschwenkt
werden kann, um den fokussierten Punkt auf den Cantilever oder auf
andere nanomechanische Objekte zu lenken. Die 3D Flexur erlaubt
es ebenso den optischen Block unabhängig in einer Dimension entlang
der Achse der Lichtquelle zu bewegen. Dies erlaubt die Abstimmung
der Fokussierung, z. B. den Höhenabgleich
des fokussierten Punktes auf die Ebene des Cantilevers oder eines
anderen nanomechanischen Objektes.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die scheibenförmige
Flexur aus Stahl, aber sie kann ebenso aus anderen Metallen, wie
Aluminium, Kupfer, Berylliumkupfer oder Titan oder anderen Materialien
mit geeigneter Steifigkeit bestehen. Ein vertikal bewegliches Fokussierelement 54,
in Form einer feinen Feingewindeschraube, drückt, über einen Edelstahl- oder anderen
Präzisionsball 58 und
einer Gewindehülse 60 auf
das Zentrum der Flexur 52, um die wirkende Kraft zu zentralisieren.
Die scheibenförmige
Flexur 52 ist in der bevorzugten Ausführungsform in Form einer flachen,
runden Scheibe ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform
kann die scheibenförmige
Flexur Auslassungen haben um die Federkonstante herabzusetzen und
so die Bewegung der Flexur in die Bewegungsrichtungen zu erhöhen. Die
Flexur ist nicht notwendigerweise rund, aber sie sollte wesentlich
steifer hinsichtlich inplain Bewegungen im Vergleich zu out-of-plane
Bewegungen sein.
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Die
Gewindehülse 60 sichert
die scheibenförmige
Flexur zentral an den optischen Block 40 durch Verschraubung
mit einer Buchse 62 mit entsprechendem Gegengewinde, welche
auf der Oberseite des optischen Blockes 40 befestigt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die scheibenförmige
Flexur 52 seitlich beabstandet der Buchse 62 an einer
Vielzahl von Positionen 64 entlang des äußeren Umfangs durch Verwendung
von Befestigungsmitteln, wie z. B. Schrauben gesichert. Alternativ
kann der äußere Umfang
der scheibenförmigen
Flexur 52 auf eine Vielzahl von anderen Wegen z. B. durch
Verschweißen,
durch Festhalten mittels eines Spannrings, Kleben oder durch andere ähnlich wirkende Hilfsmittel
erreicht werden. Wenn sich der Ball 58 zwischen den gegenüberliegenden
Oberflächen
des vertikal beweglichen Fokussierungselementes 54 und
der Hülse 60 der
scheibenförmigen
Flexur 52 befindet, wird die laterale Translation des optischen
Blockes 40 verhindert, während der optische Block 40 auf
und abwärts
bewegt werden kann und auch relativ zu dem Gehäuse 12 schwenkbar
ist.
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Ein
Hebel zur Feinkokussierung 56 ist mit dem vertikal beweglichen
Fokussierungselemt 54 verbunden und von diesem beabstandet,
um die Feinfokussierung über
die vertikale Bewegung des optischen Blockes 40 zu ermöglichen.
Das Gehäuse 12 ist
mit einem länglichen
lateralen Schlitz 66 versehen (s. auch 1) durch den der Hebel für die Feinfokussierung 56 heraussteht.
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Bezugnehmend
auf die 6A und 6B können eine oder beide der gegenüberliegenden
Oberflächen
des Fokussierungselementes 54 und die Hülse 60 der scheibenförmigen Flexur 52,
insbesondere 86 und 70 können mit einem Saphiercoating
beschichtet sein, um einen guten Rollkontakt mit dem Ball 58 zu
gewährleisten.
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Die
beschriebene Anordnung des vertikal beweglichen Heimfokussierungselementes 54,
welches zentral über
die glatte drehende Kugel mit der scheibenförmigen Flexur 52 verbunden
ist, welche wiederum an ihrer Peripherie an dem Gehäuse 12 befestigt
ist, um die laterale Bewegung des optischen Blockes 40 zu
verhindern, wenn der Hebel 56 gedreht wird, um die scheibenförmige Flexur 52 vertikal auszulenken,
dies erlaubt sogar die Schwenkbewegung, so daß die laterale Bewegung des
Laserstrahls 20 zur Abstimmung mit dem Cantilever 24 oder
mit einem Cantilever ausgewählt
aus einer Vielzahl von Cantilevern möglich ist.
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Insbesondere
in Bezug auf die 4 und 5, dient der Hebel 56 zur
Feinfokussierung, weil er den gesamten optischen Block 40 relativ
zum Gehäuse 12 bewegt,
welcher unbeweglich mit dem Cantileverhalter 72 durch eine
Feststellschraube 54 verbunden ist, die in einer Fuge am
Cantileverhalter 72 befestigt ist. Eine ähnliche
Fuge (nicht abgebildet) auf der anderen Seite des Cantileverhalters
ist an zwei Bällen im
Gehäuse 12 eingerastet
(nicht abgebildet). Dies bildet eine semi-kinematische Halterung
zur Befestigung des Cantileverhalters 72, wodurch der Cantilever 24 relativ
zum Gehäuse 12 rigide
ist. Da der Hebel 56 den optischen Block 40 relativ
zum Gehäuse 12 bewegt,
bewegt er daher auch den optischen Block 40 relativ zum
Cantilever 24, um die Feinfokussierung zu ermöglichen. Bekannte AFMs haben
häufig
das Problem, daß sich
bei der Feinfokussierungseinstellung ebenfalls der Punkt zusammen
mit der störenden
lateralen Bewegung bewegt, und sich so der fokussierte Punkt vom
Cantilever während
der Fokussierungseinstellung von dem Cantilever wegbewegt. Die erfindungsgemäße Feinfokussierung, ermöglicht durch
den Hebel 56 und die innovative 3D Flexur, ist der bekannter
AFMs überlegen,
weil es die Bewegung des Brennpunktes des optischen Systems als
im wesentlichen beschränkt
auf eine einzelne Translationsachse erlaubt. Dies erlaubt dem Benutzer
den Brennpunkt des AFM-Meßkopfes
einzustellen, während
der Lichtpunkt sogar auf einem sehr kleinen Cantilever, der im Bereich
von 5 μm
lang ist, gehalten werden kann.
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Die
3 und
5 zeigen Ansichten des Mikroskops, die
beide laterale Positionierungsschrauben
36 und
37 darstellen.
Diese Positionierungsschrauben drücken gegen den optischen Block
40, um diesen relativ zu dem ausgewählten Cantilever aus einer Vielzahl
von Cantilevern zu positionieren (solche wie auf dem Cantileverchip
in der
2 des US-Patentes
5
825 020 24 gezeigt) und daher den Laserpunkt auf den gewünschten
Cantilever positionieren. Die Flexur
52 kann vorinstalliert
sein, um fest gegen die Positionierungsschrauben
36 und
37 zu
drücken.
Dadurch kann die Flexur
52 den optischen Block
40 in drei
Dimensionen relativ zum Cantilever
24 bewegen, um sowohl
die Positionierung als auch das Fokussieren des einfallenden Laserstrahls
20 auf
dem Cantilever
24 zu ermöglichen. Diese Anordnung ist besser
als das Lasersteuerungssystem, welches in den meisten AFMs verwendet
wird. Die meisten AFMs benutzen eine kinematische zwei-Achsen Kippbühne, um
den Laserstrahl in zwei orthogonalen Richtungen zu steuern. Diese
Systeme sind erhältlich,
z. B. von Newport Corporation, Melles-Griot und vielen anderen Firmen.
Diese zwei-Achsen Kippbühne
haben eine ausreichende Auflösung
und arbeiten gut in AFMs mit großen Cantilevern, die beispielsweise
länger
als 50 μm
sind. Leider wird die manuelle Justage immer schwieriger für sehr kurze
Cantilever, speziell für
solche, die kürzer
als 10 μm
lang sind. Typische kinematische Kippbühnen haben einen Hebelarm,
der die Bewegung des fokussierten Punktes im Vergleich zum Bedienteil
für die
Justage vergrößert. Diese
Vergrößerung (häufig zweifach
oder höher)
setzt voraus, daß der
Benutzer die Justageschraube, um einen wesentlich kleineren Betrag
bewegt als er den fokussierten Laserstrahl bewegen möchte. Die
vorliegende Erfindung bietet eine Verbesserung der Steuerung der
Laserelemente durch die beiden Laserjustierschrauben
36 und
37,
die sehr nah am Boden des eingebauten optischen Blocks
40 vorgesehen
sind. Diese Anordnung hat zwei Vorteile. Erstens reduziert sie die
Hebelwirkung der Kippbühne
(auf ungefähr
1,25 in der bevorzugten Ausführungsform),
während
die Kippbühne
extrem kompakt bleibt. Zweitens reduziert es substantiell den mechanischen
Weg, der die Position des Laserpunktes kontrolliert. Das bedeutet,
die laterale Position des Laserpunktes wird durch die Schrauben,
welche nur wenige Millimeter oberhalb des Cantilevers eingebaut
sind, bestimmt. Bezugnehmend auf
4,
wird die Länge
des mechanischen Weges faktisch nur durch den Durchmesser der Enden
der Schrauben
36 (und
37, nicht abgebildet) beschränkt und
durch die Dicke des Cantileverhalters
72.
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Die
optische Linse 22 ist in einer Gewindemuffe 81 befestigt,
welche in einer Linsenhalterung 83 in den optischen Block 40 eingeklebt
ist. Durch Drehen der Gewindemuffe 81 in die Linsenhalterung 83 kann
eine grobe Fokussierung auf dem Cantilever 24 erreicht
werden.
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Wie
in 3 gezeigt, ist eine
relativ dicke Laserpositionierungsflexur 64 vorgesehen,
die die Einstellung der Lichtquelle 16 auf die Kollimatorlinse 18 erlaubt
(gezeigt in der Ausschnittsansicht in 2).
Die Lichtquelle 16 ist auf der Laserpositionierungsflexur 46 befestigt
und wird durch eine Schraube 48 in Ihrer Stellung befestigt
oder mit einem Klebstoff verklebt. Eine andere Schraube 50 wird
verwendet, um die Laserpositionierungsflexur 46 relativ
zum Grundkörper 44 zu
beugen und daher den Abstand zwischen der Lichtquelle 16 und
der Kollimatorlinse 18 zum Zwecke der Herstellung eines
gut eingestellten Lichtstrahls zu verändern bzw. alternativ einen
divergierenden Strahl oder konvergierenden Strahl, wobei dies zusammen
mit der Objektivlinse 22 einen geeigneten Punkt auf dem
Cantilever 24 erzeugt. Der gut eingestellte Strahl passiert
als nächstes
die Objektivlinse 22. In einer bevorzugten Ausführungsform ist
diese zweite Flexur aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit,
so daß es
als Wärmesenke für jegliche
Hitze, die durch die Lichtquelle erzeugt wird, dient.
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Die
zweite Flexur kann ebenso durch andere alternative Ausführungsformen
ersetzt werden. In einer alternativen Ausführungsform können der
Kollimator und die Lichtquelle in einem festen Aufbau angeordnet
sein, der es erlaubt, die Linse und die Lichtquelle an einer optimalen
Position zu positionieren, um einen hoch ausgerichteten ausfallenden
Lichtstrahl zu erzeugen und dann die Komponenten in dieser Position
zu verkleben.
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IV. Verwendete Compositmaterialien
oder Keramiken.
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Die
zuvor beschriebenen Teile sind wie auch der einheitliche optische
Block 10, 12 aus Karbon-Kompositmaterial. Der
Vorteil dieses Materials ist eine hohe Steifigkeit, welche durch
die Quadratwurzel seines Elastizitätsmoduls über seine Dichte gegeben ist.
Weiterhin hat es einen sehr geringen thermischen Expansionskoeffizienten.
Beide Eigenschaften sind sehr bevorzugt für Rastersondenmikroskope. Andere
Kompositmaterialien, die eine oder beide dieser Vorteile inne haben,
können
ebenso für Rastersondenmikroskope
benutzt werden. Daher ist eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung, zur
Herstellung von Gehäusen,
optischen Blöcken, Scannern
und anderen Komponenten für
Rastersondenmikroskope, solche wie AFMs und STMs, Kompositmaterialien
zu verwenden.
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Geeignete
Kompositmaterialien bestehen, aber sind nicht auf diese Komposite
beschränkt,
aus Harzen mit hoher Festigkeit, Hochmodulfasern, wie z. B. Fieberglas,
Graphit, Karbon, Bohr, Quarz und Aramidfasern, z. B. aromatische
Polyamidfasern, die dadurch charakterisiert sind, daß sie exzellente hochtemperatur,
flammenhemmende und elektrische Eigenschaften haben. Geeignete Kompositmaterialien
sind dadurch charakterisiert, daß sie ein Elastizitätsmodul
von 5 GPa bis 300 GPa besitzen, welches eine ausreichend große thermische
Stabilität
während
der Benutzung besitzt. In besonders bevorzugten Ausführungsformen
haben die Kompositmaterialien ein Elastizitätsmodul von 10 GPa oder höher. In einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist das Elastizitätsmodul
40 GPa oder höher
und in weiteren bevorzugten Ausführungsformen
ist das Elastizitätsmodul
100 GPa oder höher.
Die höchste
Faserstärke von
Kompositmaterialien wird mit Karbonfasern erreicht. Die Karbonfasern
können
in einer Epoxidmatrix oder bevorzugterweise in einer Graphitmatrix
eingebettet sein. Die Endlosfasern können in jeder Raumrichtung
orientiert sein, aber ein semi-isotropes Design in wenigstens einer
Ebene ist bevorzugt. Einige Kompositmaterialien haben unterschiedliche
thermische Ausdehnungskoeffizienten in einer Achse im Vergleich
zu den anderen Achsen. Werden solche Materialien verwendet, ist
es vorteilhaft, daß das
Material mit der Achse, die die geringere thermische Ausdehnung
hat, so orientiert ist, daß es
entlang der Achse der größten Länge im mechanischen
Weg zwischen dem Cantilever und der Probe angeordnet ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
haben die Erfinder ein Karbon-Karbonkompositmaterial mit einem hohen
Widerstand verwendet, welches aus Karbonfasern eingebettet in einer
pyrolytischen Grafitmatrix besteht. Das Elastizitätsmodul
von Karbon-Karbonkompositen ist sehr hoch. Üblicherweise im Bereich von
15 bis 20 GPa für
Komposite, welche mit dreidimensionalem Faserfilz (zufällige Orientierung
der Fasern) bis 150 bis 200 GPa für solche, welche mit gleich
gerichteten Fasermatten hergestellt werden. Die Wahl des Materials
mit einem hohen Elastizitätsmodul
im Verhältnis
zur Dichte hat einen substantiellen Einfluß auf das Vermögen die
Resonanzfrequenz des mechanischen Weges auf über 850 Hz zu erhöhen, wie
unten beschrieben wird. Außerdem
sind einige Karbon-Karbonkompositmaterialien mit extrem geringer
Dichte erhältlich.
Zum Beispiel das "Etan" Material von Aerospace
Composite Products, daß eine
Dichte von 1.3 pro g/cm3 hat, angenähert die
halbe Dichte von Aluminium, welches eine Dichte von etwa 2,7 g/cm3 hat. Da der optische Block der Erfindung
unterhalb der 3-dimensionalen Flexur hängt, hängt die Eigenfrequenz der Flexur
von der Masse des optischen Blockes ab. Daher war es den Erfindern
möglich,
durch Herstellen des optischen Blocks aus einem Material mit extrem
geringer Dichte eine sehr viel höhere
Eigenfrequenz der Flexur zu erreichen, als es mit einem Block, der
aus Metall besteht, möglich
wäre. Es
ist bevorzugt, daß die Dichte
des Kompositmaterials geringer als 5 g/cm3 bevorzugter
weniger als 2,0 g/cm3, am bevorzugtesten
weniger als 1,5 g/cm3 ist.
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Der
Faservolumenanteil im Verhältnis
zum Einheitsvolumen des Kompositmaterials ist zwischen 20 bis 70
%, bevorzugt größer als
50%. Ein hoher Faseranteil pro Volumeneinheit, bevorzugt im Bereich von
50 bis 70% hat den Vorteil, daß ein
dichtes Material mit guter Einbettung der Hartmaterialien zu einer
hohen Festigkeitsgrenze (high grain strenght limit) führt.
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Des
weiteren haben Karbon-Kompositmaterialien einen sehr vorteilhaften
thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die meisten Rastersondenmikroskope
leiden unter dem Problem der "thermischen Drift". Dies bedeutet,
daß sich
der mechanische Weg zwischen dem Meßfühler und der Probe oder zwischen
dem Meßfühler und
dem Detektionssystem verändert,
wenn die Temperatur schwankt. Wenn sich der mechanische Weg zwischen
dem Cantilever und der Probe sich in der Länge mit der Temperatur verändert, erscheint
diese Veränderung
als Veränderung
in der Position der Oberfläche
der Probe, was die Meßergebnisse
der Probe vernichtet. Dieses Problem der thermischen Ausdehnung
oder Kontraktion in Abhängigkeit
von der Temperatur der Materialien, die im mechanischen Weg verwendet
werden, schwankt. Die meisten AFMs bestehen aus Metallen, wie Aluminium
oder rostfreiem Stahl, welche einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
im Bereich von 10–5 pro°C haben.
Die meisten AFMs sind aus InvarTM, einer
metallischen Legierung, welche entwickelt wurde, um einen geringen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu besitzen. Dieses Material
ist leider teuer, schwierig zu bearbeiten und rostet über die
Zeit, wenn es nicht mit einem zusätzlichen Coating wie Nickel
geschützt
ist. Dieses Problem der vorbekannten AFMs wird dadurch überwunden,
daß Kompositmaterialien
wie Karbonfaser-Komposite verwendet werden. Abhängig von der Zusammensetzung
und der Orientierung der Faserachsen kann das Karbon-Kompositmaterial
einen positiven oder negativen thermischen Ausdehungskoeffizienten
besitzen. Dies erlaubt es, das Komposit so herzustellen, daß es einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von nahezu Nul hat. Für die bevorzugte
Ausführungsform
kann man ein Karbon-Karbonkomposit benutzen, der einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten unter 5 × 10–6/°C bevorzugter
10–6/°C hat, die
ist nahezu 10 × besser
als Aluminium oder Stahl.
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Der
Karbon-Karbonkomposit der bevorzugten Ausführungsform kann direkt angebohrt
und mit verschiedenen Justierungschrauben, die im Meßkopf verwendet
werden, angeschraubt werden, z. B. die Feinjustierschrauben, welche
zur Einstellung des fokussierten Punktes verwendet werden. Erfindungsgemäß werden
Innengewinde in den Karbon-Karbonkomposit
mit einer Gewindesteigung von bis zu 200 Gewindegängen/Inch
eingebracht. Die Karbon-Karbonkompositmaterialien haben ebenso die Eigenschaft,
daß sie
auf eine Weise selbst-klemmend und selbst-schmierend sind. Dies
bedeutet speziell, daß beim
einmaligen Bewegen der Einstellschraube eine ziemlich starke Reibungskraft
vorhanden ist, die diese festhält.
Wenn einmal die Bewegung eingeleitet ist, kann die Schraube relativ
gleitend mit hoher Präzision
eingestellt werden. Wenn jedoch die Schraube nicht mehr bewegt wird,
relaxiert das Karbon-Karbonkompositmaterial wieder und klemmt das
Schraubengewinde ein, wodurch die Einstellung der Schraube gehalten
wird.
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Die
Verwendung eines Kompositmaterials hat auch für viele andere Komponenten
eines AFMs Vorteile. Z. B. für
das Scannergehäuse 49 der 9, welches ebenso aus einem
Kompositmaterial bestehen kann, wodurch eine höhere Stabilität und Geräuschdämmung erreicht
wird.
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Andere
Materialien, die eine hohe Steifigkeit und geringe thermische Ausdehungskoeffizienten haben,
wie z. B. Keramiken können
ebenso nützliche Materialien
für Rastermikroskopköpfe sein.
Daher können
Fasern der Faserstruktur aus nicht-oxidisolen, Keramikfasern wie
die Silikonkarbide und/oder Silikonhibride oder aus Fasersystemen,
welche Silikon, Bor, Karbon oder Stickstoff enthält, hergestellt sein.
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Obwohl
das Gehäuse
so dargestellt ist, als ob es aus zwei Teilen besteht, kann es aus
einem Teil bestehen oder aus vielen, die miteinander durch Verbindungen
oder Kleber verbunden sind, abhängig
davon was leichter herzustellen ist oder aus anderen Abwägungen.
Vielfältige
andere dreidimensionale Mikropositionierer könnten zur Positionierung des einheitlichen
optischen Blockes verwendet werden.
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V. Der Lichtstrahl trifft
niemals eine flache Oberfläche bei
normalem Einfallwinkel
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Eine
neue Besonderheit des optischen Systems der Erfindung ist, daß der Strahl 14, 20, 26 von der
Lichtquelle 16 niemals eine flache Oberfläche bei normalem
Einfall trifft, mit der Ausnahme, daß er stark divergiert oder
konvergiert was der Fall ist, wenn eine Flüssigkeitszelle zwischen der
Objektivlinse 22 und dem Cantilever 24 vorhanden
ist. Selbst der Detektor 34, am Ende des optischen Weges
ist gegenüber
dem normal reflektierten Strahl 26 abgewinkelt. In dem
Fall, daß die
Lichtquelle 16 ein Laser oder eine laserartige Quelle ist,
verhindert dies die Bildung einer optischen Kavität mit schädlichen Feedbackeffekten
auf die Leistung der Lichtquelle 16.
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VI. Kritische mechanische
Wege haben eine Resonanzfrequenz größer als 850 Hz
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Eine
weitere Besonderheit dieses Mikroskops ist eine Resonanzfrequenz
des mechanischen Weges zwischen dem Cantilever und der Probe sowie
dem Cantilever und dem Detektionssystem von größer als 850 Hz. Die 10A zeigt eine vereinfachte
schematische Darstellung eines typischen mechanischen Weges zwischen
dem Cantilever (oder anderen Rastersonden) 100 und der
Probe 102. Der mechanische Weg besteht aus einer oder mehreren
strukturellen Einheiten 104, die schematisch in 10A dargestellt sind. Diese
Struktur kann eine willkürliche
Form haben aber sie wird eine oder mehrere Modi der Bewegung haben,
die die Distanz zwischen dem Cantilever und der Probe verändern. Diese
Bewegungsmodi werden angeregt durch externe Quellen akustischer
oder vibratorischer Energie, der Cantilever und die Probe bewegen
sich dann relativ zueinander. Da der Cantilever die Struktur oder
andere Eigenschaften der Probe verfolgen soll, überlagert diese unerwünschte Bewegung
zwischen dem Cantilever und der Probe direkt das gewünschte Signal,
und agiert als Interverenzrauschen und stört und schwächt die Bewegung der tatsächlichen
Cantileverbewegung.
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Es
gibt einen zweiten sehr wichtigen mechanischen Weg in einem Rastersondenmikroskop – den Weg
zwischen dem Cantilever (oder einem anderen Meßfühler) und dem Detektionssystem.
Dieser mechanischer Weg ist in einer vereinfachten schematischen
Darstellung in 10B dargestellt.
In dieser Figur besteht der kritische mechanische Weg aus den Strukturen 106,
welche zwischen dem Cantilever oder einem anderen Meßfühler 100 und
dem Detektionssystem 108, welches zur Messung der Position oder
Bewegung des Meßfühlers 100 verwendet
wird, zwischengeschaltet. Für
den erfindungsgemäßen Meßkopf ist
dies der Weg zwischen dem fokussierten Punkt des Lichtstrahls und
dem Cantilever. Jede oszillierende Bewegung, die eine relative Neigung
zwischen dem Cantilever und dem Lichtstrahl erzeugt, überlagert
direkt das gemessene Signal, und führt gleichermaßen zur
Störung
und Schwächung
der Messung der Cantileverbewegung.
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Im
allgemeinen ist das Gerät
umso immuner gegenüber äußeren Schwingungen,
je höher
die Resonanzfrequenz dieses mechanischen Weges ist. Bei einer externen
Störungsquelle,
die eine wesentlich geringere Frequenz als die Resonanz der Struktur
hat, wird das Rauschen im Verhältnis
(fs/fn)2 verstärkt. Bei
z. B. einer Quelle mit einer mechanischen Oszillationsfrequenz bei
200 Hz vorstellen. Wenn einer Eigenfrequenz des mechanischen Weges
von 800 Hz wird die Verstärkung
dieser Interferenz (800 : 200)2 = 16 sein.
Wenn die Resonanzfrequenz des kritischen mechanischen Weges von
800 Hz auf 1200 Hz erhöht
wird, verändert
sich die Verstärkung
sogar auf (1200 : 200)2 = 36. Und wenn die
Resonanzfrequenz der Struktur von 10.000 Hz erreichbar wäre, ginge
der Verstärkungsfaktor
auf 2500! Noch detaillierter ist dieses Konzept in der Publikation "Assessing the quality
of scanning microscop designs",
bei James Thompson et al, Nanotechnology 12 (2001) 394–397 beschrieben.
Diese Publikation umreißt auch
eine experimentelle Methode zur Messung der Resonanzfrequenz eines
AFM-Meßkopfes
und des "Vibrationsunterdrückungsverhältnisses". Die Technik dieser
Publikation ist nicht Teil der Erfindung aber ein Teil der Analyse
und Meßtechniuken
wurden verwendet, um die verbesserte Leistung der Meßköpfe der
Erfindung zu bestätigen.
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Die
Erfindung erreicht höhere
Resonanzfrequenzen dieses kritischen mechanischen Weges als es in
vorbekannten AFMs, insbesondere werden 850 Hz für einen oder beide der mechanischen
Wege gezeigt in 10 erreicht.
Erstens ist die Wahl des Materials der Schlüssel zum Erfolg. Die Eigenfrequenz im
normalen Oszillationsmodus ist sehr häufig eine komplexe Funktion
der Geometrie der Struktur aber hat üblicherweise die einfache Abhängigkeit
vom Therm (E : ρ)1/2, wobei E das Elastizitätsmodul
des Materials und ρ die
Dichte ist. Die meisten AFMs sind aus Metallen wie Aluminium, Edelstahl,
Invar und sogar aus Titan konstruiert. Überraschenderweise haben all
diese Materialien einen sehr ähnlichen
Wert für
das Verhältnis
E/ρ von
ungefähr
2.0 × 107 m2/s2. Stellt
man sich z. B. ein typisches Karbon-Karbonkompositmaterial vor,
welches ein Elastizitätsmodul von
100 GPa und eine Dichte von 1800 kg/m3 haben könnte, so
hätte das
Karbonfaserkompositmaterial wie oben beschrieben einen Wert für das Verhältnis E/ρ von 5.5 × 107 m2/s2.
Daher könnte
mit der exakt gleichen Struktur eine Eigenfrequenz des AFM-Kopfes, welches aus
Karbonfaserkomposit hergestellt ist, zwei mal besser als die, die
aus den üblichen
metallischen Materialien hergestellt sind, sein.
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Unter
Verwendung dieses Karbon-Kompositmaterials wurde der erfindungsgemäße AFM-Meßkopf mit
Resonanzfrequenzen oberhalb von 850 Hz gebaut. Eine Ausführungsform,
gebaut, um anstatt des "MultiMode
AFM" Kopfes hergestellt
von Digital Instruments/Veeco Metrology eingesetzt zu werden, hat
eine mechanische Resonanz von angenähert 1200 Hz, im Vergleich
zu angenähert
800 Hz eines Standardmultimode AFM Kopfes. Die Eigenfrequenzen eines
natürlichen
Wegabschnitts mit der Dimension der Komponenten des Weges dies bedeutet Strukturen
mit kleineren Dimensionen werden größere Eigenfrequenzen (angenommen
aus dem gleichen Material) haben. Aus diesem Grund wurden andere Meßköpfe, die
wesentlich kleiner als die Version der AFM-Köpfe für das MultiMode AFM hergestellt.
Z. B. wurde eine erfindungsgemäße Ausführungsform
aus Karbon-Kompositmaterial hergestellt, daß eine erste mechanische Resonanz
von angenähert
23 KHz hat.
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Wie
bereits erwähnt
wurden die Resonanzfrequenzen bestätigt über die Verwendung der Methode
des Thompson Papers und/oder Verwendung der Design SpaceTM Finit Element Analyses Software on the
Solid EdgeTM Computermodells, welches verwendet
wurde, um die Meßköpfe zu designen.
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Die
Erfindung implementiert eine Vielzahl von anderen Verbesserungen,
die ebenfalls die Resonanzfrequenzen des mechanischen Weges verbessern.
Bezugnehmend auf die
7 bis
9 indexiert in einer bevorzugten
Ausführungsform
der Cantileverhalter
72 kinematisch direkt an die Oberseite
des Scanners
78. In dieser Ausführungsform beinhaltet der Cantileverhalter
72 eine
Flüssigkeitszelle
80,
in welcher der Cantilever
24 vorgesehen ist. Wie in
9 gezeigt, sind drei Stahlkugellager
82,
84 und
86 auf
der oberen Oberfläche
des Scanners
78 befestigt und entsprechend an einem Loch
88,
an einer Fuge
90 und an einer Fläche
92 auf der vorderen Oberfläche des
Cantileverhalters
72 stabilisiert. Das Ergebnis ist eine
direkte kinematische Befestigung, wie in
9 des US-Patent B1 Re
34,389 oder
in
9 des US-Patentes
5,825,020 .
Der Unterschied zu den zitierten Designs besteht darin, daß die Hülle mit
dem Scanner durch eine kinematische Befestigung verbunden war und
der Cantileverhalter an die Hülle
mit solch einer kinematischen Befestigung oder anderen kinematischen
Befestigungen wie über
3 Fugen die in Richtung des Schlitzes in Nähe des Zentrums der Befestigung
mit den drei Bällen
auf dem Gegenstück
angebracht war. Das neue Design macht eine kinematische Befestigung
zwischen dem Scanner und dem Cantilever überflüssig, so daß der Cantileverhalter
72 kinematisch
direkt an den Scanner
78 indiziert.
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Diese
Anordnung erreicht einen direkteren mechanischen Weg zwischen der
Probe auf der Oberseite des Scanners und dem Cantilever, vorausgesetzt
ist die erhöhte
Resonanzfrequenz, welche die Isolierung des Mikroskops von der Vibration
unterstützt.
In Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der Erfindung, wird ein erster Rasterkraftmikroskop mit einer effektiven
Resonanzfrequenz der Vibration des Cantilevers relativ zur Probe
und zum fokussierten Punkt von größer als 850 Hz bereitgestellt.
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Dieser
direktere Weg wird dazu verwendet, optional einen XY-Übersetzer, der den Cantileverhalter
relativ zur Probe übersetzt,
um Zugang zu den unterschiedlichen Bereichen auf der Probe zu erhalten, einzubauen.
Eine weiter bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist, daß der Übersetzer
direkt in das Scannerbauteil angebracht werden kann, wodurch eine
kinematische Halterung überflüssig wird.
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VII. Der einfallende Strahl
bildet einen 5 μm
großen oder
kleineren Punkt
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine einteilige asphärische
Objektlinse 22 verwendet. Beispielsweise wurde erfindungsgemäß eine asphärische Linse
mit einer Brennweite von 2.72 mm von Geltech hergestellt. Es sind
eine Vielzahl solcher Linsen erhältlich
und asphärische
Linsen können
auch nach Bedarf entwickelt und hergestellt werden, um die spezifischen
Leistungsmerkmale zu erreichen. Diese asphärische Linse erlaubt eine hohe
numerische Apartur und eine beugungsbegrenzte Leistung in einer
kleinen Einheit. Sie ist klein, leicht und beständig gegenüber thermischer Drift. Um die
beugungsbegrenzte Leistung zu erreichen, verhindert oder reduziert
es im wesentlichen die optische Aberration die in Linsen, die üblicherweise
in der AFM-Mikroskopie verwendet werden, auftritt. Ein mehrteiliges
Objektlinsensystem kann ebenso verwendet werden. Mit einer Linse,
deren Oberfläche
sphärisch ist,
können
Aberrationen weiter reduziert werden durch Hinzufügen einer
Blende auf der Vorderseite der Linse, um den aktiven Bereich der
Linse auf einen kleineren Bereich auf der Oberfläche der Linse zu begrenzen.
Im Ergebnis kann durch die Verwendung von einer oder mehreren der
bereits genannten Verbesserungen ein AFM konstruiert werden, bei dem
der einfallende Strahl 20 bis auf eine Breite von 5 μm oder weniger
fokussiert werden kann, bevorzugterweise auf 3 μm oder weniger, z. B. auf die
Breite von 3 μm
und eine Länge
von 10 μm.
Diese Lichtpunktabmessungen wurden bestimmt und optimiert unter
Verwendung des optischen Designprogramms Zemax (TM), welches die
Analyse Werkzeuge zur Bestimmung des RMS Punktradius' des fokussierten Strahls
zur Verfügung
stellt. Die oben beanspruchte Breite ergibt sich aus der Analysefunktion "FFT PSF Cross-Section" ein Berechnungsprogramm,
das die Punktverteilungsfunktion für einen fokussierten Laserpunkt
berechnet unter Einbeziehung sowohl der geometrischen als auch der
Berechnungseffekte. Die beanspruchten Breiten sind Gesamtbreiten
an den Punkten, wo die Lichtamplitude 10% der Peakamplitude ausmacht.
Die von Geltech verwendete Linse wurde für DVD-Spieler entwickelt. In sehr schwierigen
Anwendungen für
ein AFM-Meßkopf
arbeitet sie gerade angemessen weil die optischen Eigenschaften
der luftgefüllten
Lücke und
der Kunststoffe zwischen den Linsen und dem Fokus in dem DVD-Spieler ähnlich zu
der luftgefüllten
Lücke und
Luft oder Flüssigkeit
zwischen den Linsen und dem Fokus für unseren AFM-Meßkopf sind.
Eine verbesserte Leistung kann mit einem maßgeschneiderten asphärischen
Objektiv erreicht werden. Solch ein maßgeschneidertes Objektiv kann
mit Zemax oder andern optischen Entwicklungsprogrammen entwickelt
werden. Dieser Meßkopf
wurde erfindungsgemäß als Kraftspektrometer
zur Messung der Kurven Kraft versus Auslenkung an Gerüstproteinen
verwendet. Mit einem Cantilever dessen Abmessung 3 μm Breite
bei einer Länge
von 15 μm
und einer Resonanzfrequenz von 100 KHz, Q = 1,3 in Wasser, einer
Federkonstanten von 20 ρN/nm
wurde ein Kraftrauschen in der Größenordnung 3 ρN rms mit
einem Cantilever mit einer Federkonstanten von 0,06 N/m in einer
60 kHz Bandbreite erhalten. Kraftereignisse, die so klein wie 3 ρN sind, können gemessen
werden.
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Zusätzliche Ausführungsformen.
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In
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen
kann die Objektivlinse 22 auf die Flexur ähnlich der
Laserpositionierungsflexur 46 befestigt werden und mit
einer Schraube, die der Schraube 50 entspricht fokussiert
werden.
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Die
Objektlinse 22 wurde beschrieben als in einem Gewinde 81 eingebaut,
welches in die Linsenhalterung 83 eingefräst ist,
die wiederum in den optischen Block 40 geklebt ist. Wie
bereits oben beschrieben führt
dies zu einem groben Brennpunkt. In die Flexur 52, welche
hierin befestigt ist, kann ein ähnlicher
grober Brennpunkt optional zur Verfügung gestellt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird der Cantilever eher als der optische Block bewegt.
Alles relevantes ist justierbar, die relative Bewegung des fokussierten
Punktes und der Cantilever.
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Daher
wird der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht durch die
im einzelnen aufgeführten
Ausführungsformen
der Erfindung beschränkt.
Ein auf diesem Gebiet Bewanderter wird leicht zustimmen, daß die Offenbarung
der Erfindung, durch gegenwärtig
existierende oder später entwickelte,
die im wesentlichen die gleiche Funktion erfüllen oder im wesentlichen die
gleichen Ergebnisse hervorbringen, wie die der vorliegenden Erfindung,
durch die vorliegende Erfindung mit umfaßt sind, demgemäß werden
diese Mittel von der Erfindung mitumfaßt.
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Zusammenfassung
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Eine
Verbesserung eines Rasterkraftmikroskopes, ganz allgemein für Lichtstrahlmeßsysteme, aber
teilweise auch anwendbar bei Rastersondenmikroskopen, die signifikante
neue Eigenschaften und Vorteile zur Verfügung stellt. Insbesondere umfassen
die Eigenschaften die Verwendung verschiedener Bereiche der Linsen
für den
einfallenden und den reflektierten Lichtstrahl, eine Flexur, die
die dreidimensionale Bewegung des optischen Blockes erlaubt, die
Herstellung des Gehäuses
und des optischen Blockes aus einem Kompositmaterial oder Keramik,
eine Anordnung der Komponenten, die es erlaubt, daß der Lichtstrahl
niemals bei normalem Einfallwinkel auf eine flache Oberfläche trifft,
die Resonanzfrequenz der Cantilevervibration zwischen dem Cantilever
und der Probe sowie zwischen dem Cantilever und der Fokussierungslinse,
die größer als 850
Hz ist, sowie die Fokussierung des einfallenden Strahls zu einem
5 μm oder
kleineren Punkt, bevorzugt zu einem 3 μm oder kleineren Punkt.