DE112009001338T5

DE112009001338T5 - Abtastvorrichtung für Rastersondenmikroskop

Info

Publication number: DE112009001338T5
Application number: DE112009001338T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kanazawa Fukuma; Toshio Kanazawa Ando; Yasutaka Komatsu Okazaki
Original assignee: Kanazawa University NUC
Current assignee: Kanazawa University NUC
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2029-05-30
Also published as: JPWO2009147807A1; US20110093989A1; CH701611B1; WO2009147807A1; US8217367B2; DE112009001338B4; JP5268008B2

Abstract

Für ein Rastersondenmikroskop verwendete Abtastvorrichtung, welche umfasst:
einen Aktor zur Abtastung eines Abtastobjekts in einer Abtastrichtung; und
einen Aktorhalter zum Halten des Aktors;
wobei der Aktorhalter den Aktor an einer Vielzahl von Haltelinienstücken hält, welche sich in Abtastrichtung erstrecken und voneinander getrennt sind.

Description

Querverweis zu verwandten Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung profitiert von der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-147041 , eingereicht zum 4. Juni 2008, deren Gesamtinhalt durch Bezugnahme hierauf aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorlegende Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop, und im Besonderen eine Technologie zur Hochgeschwindigkeitsabtastung.
Hintergrund
Rastersondenmikroskope (SPM) werden üblicherweise zur Abtastung von sehr kleinen Proben verwendet. Beispiel typischer SPM sind Rasterkraftmikroskope (AFM) und Rastertunnelmikroskope (STM). Bei einem SPM wird eine stark spitz zulaufende Sonde nahe an eine Probe gebracht, eine Wechselwirkung detektiert, welche zwischen der Sonder und der Probe auftritt, und eine Rückkoppelungsregelung betreffend den Abstand zwischen der Sonde und der Probe durchgeführt, so dass die Wechselwirkung konstant gehalten wird. Die Wechselwirkung ist ein Tunnelstrom oder eine interaktive Kraft oder Ähnliches. Das SPM tastet die Probe in einer horizontalen Richtung in einem Zustand ab, während dessen die Rückkoppelungsregelung aufrecht erhalten bleibt. Im Ergebnis steigt oder fällt die Sonde (oder die Probe) an bzw. ab, um die Wölbungen und Ausbuchtungen an der Sonde (oder der Probe) nachzuzeichnen. Durch Aufnahme des Bahnverlaufs der Abtastung wird ein topographisches Bild der Probenoberfläche erstellt.
Beim SPM werden die oben genannte horizontale Abtastrichtung auch als ”XY-Richtung” und die vertikale Abtastrichtung als ”Z-Richtung” bezeichnet. Eine Abtasteinrichtung eines SPM ist für die Abtastung in X-Richtung, in Y-Richtung und in Z-Richtung ausgestaltet. Beispielsweise weist eine für den Gebrauch übliche Tripodartige Abtasteinrichtung eine Anordnung auf, worin drei Abtasteinrichtungen, wovon Jeweils eine auf einer x-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse angeordnet ist, an einer Stelle zusammengelegt sind. Jeder Aktor umfasst ein piezoelektrisches Element. Eine Tripod-artige Abtasteinrichtung ist beispielsweise aus dem Japanischen Patent mit Veröffentlichungsnummer 63-265573 bekannt.
Um eine Abtastung von Oberflächenstrukturen unter Verwendung eines SPM bei hoher Geschwindigkeit durchführen, ist eine Abtasteinrichtung zur Abtastung einer Probe bei hoher Geschwindigkeit notwendig. Die Abtastfrequenz einer Abtasteinrichtung ist durch die Resonanzfrequenz in jeder Axialrichtung begrenzt. Dementsprechend ist es zur Durchführung einer Hochgeschwindigkeitsbildgebung unter Verwendung eines SPM notwendig, die Resonanzfrequenz der Abtasteinrichtung so hoch wie möglich vorzusehen. Bei Durchführung der Abtastung mit einem SPM ist der Betrieb der Abtasteinrichtung in der vertikaler Z-Richtung bei höchster Geschwindigkeit erforderlich. In vielen Fällen ist die Gesamtbetriebsgeschwindigkeit durch die Resonanzfrequenz in Richtung der Z-Achse begrenzt. Deshalb ist es besonders wichtig, die Resonanzfrequenz in Richtung der Z-Achse zu erhöhen.
Wie gezeigt in 1A, wird die Resonanzfrequenz als f0 bezeichnet, wenn ein piezoelektrisches Element einer Z-Achsen-Abtasteinrichtung in der vertikalen Richtung frei oszilliert. Eine im Gebrauch übliche Abtasteinrichtung hat einen Aufbau, bei dem ein Ende fixiert ist, wie gezeigt in 1B. Bei diesem gewöhnlichen Aufbau ist die Grundfläche des piezoelektrischen Elements an einem Stützteil befestigt. Aufbau gemäß entspricht die Resonanzfrequenz in der Z-Richtung der halben Resonanzfrequenz f0 bei freier Schwingung, das ist (1/2) f0, und somit ist die Resonanzfrequenz signifikant geringer.
Gemäß dem gewöhnlichen Aufbau, wie gezeigt in 1B, oszilliert eine Versetzung des piezoelektrischen Elements der Z-Achsen-Abtasteinrichtung hinsichtlich des Schwerpunkts des piezoelektrischen Elements asymmetrisch. Demnach ist der durch die Schwingung erzeugte Effekt groß. Dieser Effekt wird durch das Stützteil auf die untere Seite übertragen und erhöht eine Kraft, welche eine Resonanzschwingung anderer Teile hervorruft, die die X-Achsen- und Y-Achsen-Abtasteinrichtungen umfassen. Wenn ein anderes Teil oszilliert, wird der Effekt einer solchen Schwingung umgekehrt in Z-Achsen-Richtung übertragen und tritt als Schwingung in der Z-Achsen-Richtung in Erscheinung. Im Ergebnis ist es nicht möglich, die Abtasteinrichtung bei einer Frequenz zu betreiben, welche höher oder gleich der Resonanzfrequenz (niedrige als die Resonanzfrequenz in der Z-Achsenrichtung) anderer Teile ist, welche die Abtasteinrichtung umfasst. Des Weiteren begrenzt das Phänomen die Abtastfrequenz der Z-Achsen-Abtasteinrichtung auf eine Frequenz, welche niedriger ist als die Resonanzfrequenz.
Beispielsweise ist die Resonanzfrequenz der Z-Achsen-Abtasteinrichtung bei freier Schwingung annähernd einige hundert kHz. Ferner ist eine durch oben beschriebenen Effekt verursachte Schwingungsfrequenz beispielsweise einige zehn kHz. Andererseits ist die Abtastfrequenz einer im Gebrauch üblichen Abtasteinrichtung höchstens annähernd 1 kHz. Deshalb stellen die Resonanzfrequenz oder die durch einen Effekt hervorgerufenen Schwingungen bei im Gebrauch üblichen Abtasteinrichtungen kein signifikantes Problem dar. Jedoch werden die Resonanzfrequenz oder die durch einen Effekt hervorgerufenen Schwingungen bei dem Versuch, die Abtastfrequenz zwecks Erhöhung der Geschwindigkeit des SPM zu erhöhen, problematisch.
In der japanischen Patentoffenlegung Nr. 2002-82036 wird vorgeschlagen, ein Zentralstück einer Seitenfläche des piezoelektrischen Elements zu stützen. Mit diesem Aufbau können die Schwingungen der Abtasteinrichtung verringert werden, indem Effekte ausgeglichen werden, welche in der oberen Hälfte und der unteren Hälfte des piezoelektrischen Elements auftreten. Da jedoch eine Seitenfläche des piezoelektrischen Elements bereits gestützt wird, treten Schwingungen in einem anderen Mode auf, wodurch die Abtastfrequenz der Abtasteinrichtung begrenzt wird. Ferner ist durch den Aufbau, wobei eine Seitenfläche des piezoelektrischen Elements gestützt wird, die Resonanzfrequenz im Vergleich zu der bei freier Schwingung verringert.
Kurzdarstellung der Erfindung
Technische Aufgabenstellung
Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich der voranstehenden Sachlage gemacht und eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Technik zur Verfügung zu stellen, womit eine Abtastung bei höherer Frequenz ermöglicht wird und womit die Geschwindigkeit eines SPM erhöht werden kann.
Problemlösung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung, welche in einem Rastersondenmikroskop verwendet wird. Eine Abtastvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Aktor zur Abtastung eines Abtastobjekts in einer Abtastrichtung und einen Aktorhalter zum Halten des Aktors, wobei der Aktorhalter den Aktor auf einer Vielzahl von Haltelinienstücken hält, welche sich in Abtastrichtung erstrecken und voneinander getrennt sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abtasten eines Abtastobjekts für ein Rastersondenmikroskop zur Verfügung gestellt, wobei ein Aktor zum Abtasten des Abtastobjekts in Abtastrichtung bereit gestellt wird und eine Abtastung in einer Lage durchgeführt wird, worin der Aktor entlang einer Vielzahl von Haltelinienstücken gehalten ist, welche sich in Abtastrichtung erstrecken und zueinander getrennt sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Abtastvorrichtung, welche in einem Rastersondenmikroskop verwendet wird, zur Verfügung gestellt. Gemäß diesem Verfahren wird ein Aktor bereit gestellt, welcher ein Abtastobjekt in Abtastrichtung abtastet, und der Aktor wird an einer Vielzahl von Haltelinienstücken gehalten, welche sich entlang der Abtastrichtung erstrecken und voneinander getrennt sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Rastersondenmikroskop zur Verfügung gestellt, welches die oben beschriebene Abtastvorrichtung umfasst.
Vorteile der Erfindung
Gemäß oben beschriebener Ausgestaltung werden mit vorliegender Erfindung eine Abtastung bei höheren Frequenzen und eine Zunahme der Geschwindigkeit eines SPM erreicht.
Wie weiter unten beschrieben, weist vorliegende Erfindung weitere Aspekte auf. Deshalb wird mit vorliegender Offenbarung beabsichtigt, einige Aspekte der vorliegenden Erfindung darzustellen, aber nicht den Umfang der Erfindung auf das Beschriebene und Beanspruchte einzuschränken.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A zeigt eine Darstellung, welche ein piezoelektrisches Element in einer frei schwingenden Lage zeigt.
1B zeigt eine Darstellung, welche eine herkömmliche Z-Achsen Abtasteinrichtung zeigt, wobei ein piezoelektrisches Element verwendet wird.
2 zeigt eine Schrägansicht auf eine Abtastvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3A ist eine Querschnittsansicht der Abtastvorrichtung, welche einen Querschnitt in X-Richtung zeigt.
3B ist eine Querschnittsansicht der Abtastvorrichtung, welche einen Querschnitt in Y-Richtung zeigt.
4A ist eine Schrägansicht auf einen Teil der Z Abtasteinrichtung der Abtastvorrichtung.
4B ist eine Querschnittsansicht der Z Abtasteinrichtung der Abtastvorrichtung.
5 ist eine Ansicht, welche beispielhaft eine in einem Rastersondenmikroskop vorgesehene Abtastvorrichtung zeigt.
6A ist eine Ansicht, welche die Abhängigkeit des Abstandsbetrags bei der Abtastvorrichtung von der Erregerfrequenz zeigt.
6B ist eine Ansicht, welche die Abhängigkeit der Phase bei der Abtastvorrichtung von der Erregerfrequenz zeigt.
7 zeigt eine Ansicht eines Anwendungsbeispiels vorliegender Erfindung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Vorliegende Erfindung wird nachstehend im Detail beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf nachstehende detaillierte Beschreibung und beigefügte Figuren beschränkt. Vielmehr ist der Schutzumfang der Erfindung durch beigefügte Ansprüche definiert.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtasteinrichtung, welche in einem Rastersondenmikroskop eingesetzt wird. Die Abtastvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Aktor zur Abtastung eines Abtastobjekt in einer Abtastrichtung und einen Aktorhalter, welcher den Aktor hält. Der Aktorhalter hält den Aktor an einer Vielzahl von Haltelinienstücken (oder Haltelinien), welche sich in einer Abtastrichtung erstrecken und voneinander getrennt sind.
Gemäß vorliegender Erfindung können der Aktor und der Aktorhalter an einer Linie (einem geradlinigen Teil) miteinander in Kontakt treten oder eine Kontaktlinie kann dem oben beschriebenen Haltelinienstück entsprechen. Eine Kontaktbreite (Breite des Haltelinienstückes) kann im Wesentlichen klein sein und kann im Wesentlichen null oder nahezu null sein. Ein Kontaktbereich kann äußerst klein sein und fast nicht bestehen. Ein Haltelinienstück kann auch als „geradliniges Haltestück” oder „geradliniges Kontaktstück” bezeichnet werden. Eine Haltelinienstück kann durch Kontakt zwischen einer Kante und einer Fläche verwirklicht werden. Gemäß dem unten beschriebenen Beispiel stehen eine Kante des Aktors und eine Fläche des Aktorhalters in Kontakt. Alternativ können eine Fläche des Aktors und eine Kante des Aktorhalters in Kontakt stehen.
Der Aufbau des Aktorhalters in vorliegender Erfindung kann ein geradliniger Halteraufbau sein. Ferner kann eine Vielzahl von Haltelinienstücken symmetrisch zueinander angeordnet sein, wie unten beschrieben, und ein Halteraufbau bei vorliegender Erfindung kann auch als „symmetrischer geradliniger Halteraufbau” bezeichnet werden.
Wie oben beschrieben hält der Aktor gemäß vorliegender Erfindung den Aktorhalter über eine Vielzahl von Haltelinienstücken, welche sich in der Abtastrichtung erstrecken. Der Aktor ist beispielsweise durch ein piezoelektrisches Element gebildet. Demgemäß wird eine mechanische Kopplung zwischen dem Aktor und anderen Teilen auf einen niedrigen Pegel gedrückt, der Aktor hat einen hohen Grad an Unabhängigkeit und kann die Position gleichmäßig zu beiden Seiten entlang der Abtastrichtung in einem nahezu der freien Schwingung entsprechenden Zustand ändern. Die Stöße der Schwingungen des Aktors können abgeschwächt werden und die Resonanzfrequenz kann nahezu an den Wert der Resonanzfrequenz bei freier Schwingung angepasst werden. Dementsprechend kann die Abtastung bei einer höheren Frequenz und einer höheren Geschwindigkeit als bei herkömmlichen Geräten durchgeführt werden.
Die Vielzahl der Haltelinienstücke kann in gleichmäßigen Abständen ringsum den Aktor angeordnet werden und parallel zur Abtastrichtung vorgesehen sein. Gemäß dieser Ausgestaltung kann das Halten des Aktors mit der Vielzahl von Haltelinienstücken vorteilhaft umgesetzt werden.
Der Aktorhalter kann den Aktor durch Andrücken des Aktors an eine Vielzahl von Haltelinienstücken halten. Da diese Ausgestaltung den Aktor mit einer Presskraft halt, können mit dieser Ausgestaltung Beschränkungen hinsichtlich einer Formänderung des Aktors in vertikaler Richtung abgeschwächt werden. Dementsprechend kann der Aktor in einem Zustand schwingen, welcher näher an der freien Schwingung ist, der Schwingungseffekt des Aktors kann weiter verringert werden und die Resonanzfrequenz kann nahe an die Resonanzfrequenz bei freier Schwingung gebracht werden.
Der Aktor kann eine Formgebung haben, welche eine Vielzahl an Kanten einschließt, welche sich in einer Abtastrichtung erstrecken, und eine Vielzahl an Kanten können eine Seitenfläche des Aktorhalters kontaktieren. Gemäß dieser Ausgestaltung kann das Halten des Aktors mit der Vielzahl von Haltelinienstücken vorteilhaft umgesetzt werden.
Der Aktorhalter kann in Abtastrichtung eine Halteöffnung besitzen. Der Aktor kann eine im Querschnitt mehrkantige Form haben, welche die Innenseite der Halteöffnung kontaktiert, und kann im Innern der Halteöffnung gehalten werden. Gemäß dieser Ausgestaltung umgibt der Aktorhalter den Aktor und das Halten des Aktors mit der Vielzahl von Haltelinienstücken kann vorteilhaft umgesetzt werden.
Der Aktor kann in die Halteöffnung des Aktorhalters gedrückt werden, um den Aktorhalter an der Vielzahl von Haltelinienstücken zu berühren. Da diese Ausgestaltung den Aktor mit einer Presskraft hält, können mit dieser Ausgestaltung Beschränkungen hinsichtlich einer Formänderung des Aktors in vertikaler Richtung abgeschwächt werden. Dementsprechend kann der Aktor in einem Zustand schwingen, welcher näher an der freien Schwingung ist, der Schwingungseffekt des Aktors kann weiter verringert werden und die Resonanzfrequenz kann nahe an die Resonanzfrequenz bei freier Schwingung gebracht werden.
Der Aktorhalter kann aus einem isolierenden Material hergestellt werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Beibehaltung eines Zustands der Isolation, sogar wenn ein Aktorhalterlinienstück beschädigt wurde und demgemäß wird die Beständigkeit erhöht.
Ein Elastomer kann in einer Spalte zwischen der Innenfläche der Halteöffnung des Aktorhalters und der Außenfläche des Aktors zur Verfügung gestellt werden. Ein elastomeres Material kann in den Spalt eingefügt werden. Diese Ausgestaltung verringert den Schwingungseffekt des Aktors. Sogar wenn Schwingungen bei dem geradlinigen Halteaufbau bei vorliegender Erfindung bestehen bleiben, können die übrigen Schwingungen vorteilhaft verringert werden. Demgemäß können die Abtastfrequenz und die Geschwindigkeit vorteilhaft erhöht werden.
Die Abtastvorrichtung kann an einen weiteren Aktor aufnehmen, welcher eine Abtastung in einer Richtung vornimmt, die von der Abtastrichtung verschieden ist. Der weitere Aktor kann den Aktorhalter an einer Seite des Aktors abstützen. Beispielsweise ist der Aktor ein Aktor in der Z-Achsen Richtung und der weitere Aktor kann ein Aktor in der X-Achsen Richtung und/oder der ein Aktor in der Y-Achsen Richtung sein. Bei dieser Ausgestaltung ist es für Schwingungen des Aktors schwierig, auf den weiteren Aktor übertragen zu werden. Demgemäß kann der Grad an Unabhängigkeit des Aktors weiter erhöht und die Abtastfrequenz und die Abtastgeschwindigkeit können auch erhöht werden.
Der Aktor ein einem Ende in der Abtastrichtung ein Abtastobjekt ab und kann auch an einem anderen Ende in Abtastrichtung ein Gegengewicht abstützen. Mit dieser Ausgestaltung ist der Druck an beiden Enden des Aktors gleich und dadurch werden Schwingungen des Aktors weiter verringert und eine Zunahme der Abtastfrequenz und der Abtastgeschwindigkeit ermöglicht.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtasten eines Abtastobjekts für ein Rastersondenmikroskop. Gemäß dem Verfahren werden ein Aktor zum Abtasten des Abtastobjekts in Abtastrichtung bereit gestellt wird und eine Abtastung in einer Lage durchgeführt, worin der Aktor entlang einer Vielzahl von Haltelinienstücken gehalten ist, welche sich in Abtastrichtung erstrecken und zueinander getrennt sind. Dieser Aspekt kann auch bei den verschiedenen Ausgestaltungen angewendet werden, welche zum vorangehenden Aspekt betreffend die Vorrichtung beschrieben sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Abtastvorrichtung, welche in einem Rastersondenmikroskop verwendet wird. Gemäß diesem Verfahren wird ein Aktor vorbereitet, welcher ein Abtastobjekt in Abtastrichtung abtastet, und der Aktor wird an einer Vielzahl von Haltelinienstücken gehalten, welche sich entlang der Abtastrichtung erstrecken und voneinander getrennt sind. Die oben beschriebenen Vorteile der vorliegenden Erfindung können auch mit dieser Verfahren erzielt werden. Dieser Aspekt kann auch bei den verschiedenen Ausgestaltungen angewendet werden, welche zum vorangehenden Aspekt betreffend die Vorrichtung beschrieben sind.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Rastersondenmikroskop, welches die oben beschriebene Abtastvorrichtung umfasst. Die oben beschriebenen Vorteile der vorliegenden Erfindung können auch bei diesem Aspekt erzielt werden. Dieser Aspekt kann auch bei den verschiedenen Ausgestaltungen angewendet werden, welche zum vorangehenden Aspekt betreffend die Abtastvorrichtung beschrieben sind. Das Rastersondenmikroskop (SPM) kann ein Rasterkraftmikroskop (AFM) und im Besonderen ein FM (Frequenz modulierendes) – AFM sein.
Nachstehend ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
2 zeigt eine Schrägansicht auf eine Abtastvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3A und 3B sind Querschnittsansichten, welche jeweils einen Querschnitt der Abtastvorrichtung in X-Richtung bzw. in Y-Richtung entlang den in 2 gekennzeichneten Linien A-A und B-B zeigen. 4B ist eine Querschnittsansicht der Z-Achsen Abtasteinrichtung entlang einer in 4A gekennzeichneten Linie C-C, welche einen Schnitt entlang einer Diagonale darstellt.
Wie in den oben bezeichneten Zeichnungen abgebildet, umfasst eine Abtastvorrichtung 1 einen X Aktor 3, einen Y Aktor 5 und einen Z Aktor 7. Der X Aktor 3, der Y Aktor 5 und der Z Aktor 7 sind eine X-Achsen Abtasteinrichtung, eine Y-Achsen Abtasteinrichtung und eine Z-Achsen Abtasteinrichtung, welche sich auf der X-Achse, auf der Y-Achse bzw. auf der Z-Achse ausdehnen bzw. zusammenziehen. Diese drei Aktoren führen die Abtastung in den drei Richtungen X, Y und Z als Gesamtabtastung aus. Jeder Aktor ist durch ein piezoelektrisches Element (Piezoelement) gebildet und weist eine kubische Form auf. Der X Aktor 3 und der Y Aktor 5 werden von einem Abtastsockel 9 abgestützt (gehalten). Der X Aktor 3 und der Y Aktor 5 stützen (halten) den Z Aktorhalter 11 und der Z Aktorhalter 11 hält den Z Aktor 7.
Der Abtastsockel 9 besteht aus Edelstahl. Der Abtastsockel 9 ist annähernd L-förmig ausgestaltet. Genauer gesagt, umfasst der Abtastsockel 9 ein erstes Grundbauteil 21, welches in Y-Achsen Richtung verläuft, und ein zweites Grundbauteil 23, welches in X-Achsen Richtung verläuft. Ein Ende des ersten Grundbauteils 21 und ein Ende des zweiten Grundbauteils 23 sind miteinander verbunden.
Das erste Grundbauteil 21 stützt ein Ende des X Aktors 3 und das zweite Grundbauteil 23 stützt ein Ende des Y Aktors 5. Das andere Ende des X Aktors 3 und das andere Ende des Y Aktors 5 stützen den Z Aktorhalter 11. Der Z Aktorhalter 11 weist die Form eines rechteckigen Spaten auf. Der X Aktor 3 stützt eine Seitenfläche 25 des Z Aktorhalters 11 und der Y Aktor 5 stützt eine Seitenfläche 27, welche senkrecht zur Seitenfläche 25 ist. Der X Aktor 3 und der Y Aktor 5 sind mit dem Abtastsockel 9 und dem Z Aktorhalter 11 mittels eines Epoxidklebstoffes verklebt.
Wie gezeigt in 4A und 4B hat der Z Aktorhalter 11 eine Halteöffnung 29, welche diesen in Z-Achsen Richtung mittig durchdringt. Der Z Aktor 7 ist im Inneren der Halteöffnung 29 gehalten. Der Z Aktorhalter 11 stützt an der Innenseite des Halteöffnung 29 vier Kanten L des Z Aktors 7 in vertikaler Richtung. Die Oberfläche der Halteöffnung 29 berührt dabei nicht die Seitenfläche des Z Aktors 7.
Der Z Aktor 7 und der Z Aktorhalter 11 sind Bespiele für den Aktor und den Aktorhalter vorliegender Erfindung. Die vier Kanten L des Z Aktors 7 sind Beispiele für die Vielzahl von Haltelinienstücken vorliegender Erfindung. Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass der Z Aktor 7 an der Vielzahl von Haltelinienstücken gehalten ist. Der Z Aktor 7 und der Aktorhalter 11 sind an den Linien (oder geradlinigen Teilen) verbunden und Kontaktlinien entsprechen den Haltelinienstücken. Die Kontaktbreite ist äußerst klein und kann im Wesentlichen null oder nahe gleich null sein. Der Kontaktbereich ist äußerst klein und kann fast nicht existieren. Eine Haltelinienstück kann auch als „geradliniges Haltestück” oder „geradliniges Kontaktstück” bezeichnet werden. Ein Haltelinienstück kann durch Kontakt zwischen einer Kante und einer Fläche verwirklicht werden. Gemäß einem Beispiel vorliegender Erfindung sind eine Kante des Z Aktors 7 und eine Fläche des Aktorhalters 11 miteinander verbunden. Umgekehrt können eine Fläche des Z Aktors 7 und eine Kante des Aktorhalters 11 miteinander verbunden werden. Genauer gesagt kann eine Außenfläche (Seitenfläche) des Z Aktors 7 mit einer Kante des Aktorhalters 11 verbunden werden, wobei die Kante in der Halteöffnung 29 vorgesehen sein kann.
Die Vielzahl von Haltelinienstücken sind geradlinige Teile, welche sich jeweils in einer Abtastrichtung (gemäß diesem Beispiel, die Z-Achsen Richtung) erstrecken und voneinander getrennt sind. Genauer gesagt, ist die Vielzahl von Haltelinienstücken in gleichmäßigen Abständen ringsum den Aktor angeordnet und parallel zur Abtastrichtung vorgesehen. Die Position der Haltelinienstücke kann auch als „Halteposition” bezeichnet werden. Eine Vielzahl von Haltepositionen sind ringsum den Aktor mit dem Erfordernis angeordnet, dass sie voneinander getrennt sind, und in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Der Aktor ist an Haltelinienstücken in der Abtastrichtung an der Vielzahl von Haltepositionen gehalten. Somit kann der Halteaufbau für den Aktor in vorliegender Erfindung ein geradliniger Aufbau sein. Da die Vielzahl von Haltelinienstücken symmetrische zueinander angeordnet sind, kann der Halteaufbau vorliegender Erfindung als „symmetrischer geradliniger Halteaufbau” bezeichnet werden.
Wie in den Zeichnungen gezeigt, ist der Z Aktor 7 in einer Nebenrichtung (einer Richtung, welche die Abtastrichtung schneidet, genauer gesagt, senkrecht schneidet) an der oben genannten Vielzahl von Haltelinienstücken abgestützt. Das heißt, dass der Z Aktorhalter 11 den Z Aktor 7 in einer Richtung von einer Vielzahl von Richtungen ringsum den Aktor, welche die Abtastrichtung schneidet (genauer gesagt, einer dazu senkrechten Richtung), an einer Vielzahl von Haltelinienstücken stützt, welche sich in Abtastrichtung erstrecken.
Gemäß vorliegender Erfindung hat der Z Aktor 7 ferner eine rechteckige Querschnittsform, wie oben beschrieben, und ist mit der Innenseite einer kreisförmigen Halteöffnung verbunden. Genauer gesagt, hat der Aktor eine mehrkantige Querschnittsform, welche mit der mit der Innenseite der Halteöffnung des Aktorhalters verbunden ist. Im Ergebnis sind die Kanten L (Eckstücke im Querschnitt) mit der Innenfläche der Halterung verbunden und die Halterung wird vorteilhaft durch die Haltelinienstücke verwirklicht.
Der Z Aktor 7 ist in die Halteöffnung 29 eingedrückt. Dementsprechend werden die vier Kanten L (Haltelinienstücke) des Z Aktors 7 gegen den Z Aktorhalter 11 gedrückt, ohne daran festgeklebt zu werden. Wie weiter unten beschrieben hat diese Ausgestaltung den Vorteil der Reduzierung von Einschränkungen hinsichtlich einer Formveränderung des Z Aktors 7 in Abtastrichtung.
Da der Z Aktorhalter 11 mit dem Z Aktor 7 nur über die vier Kanten L verbunden ist, gibt es ferner vier Spalte 31 zwischen der Innenfläche der Halteöffnung 29 und dem Z Aktor 7. Diese Spalte 31 werden mit einem Elastomer 33 befüllt. Obwohl in in den Figuren nicht gezeigt, ist ein elastomeres Material nicht nur in den Spalten 31, sondern auch über einen Großraum vorgesehen. Das elastomere Material kann zur Bedeckung der gesamten Abtastvorrichtung 1 einschließlich des Abtastsockels 9, des Z Aktorhalters 11, des X Aktors 3, des Y Aktors 5 und des Z Aktors 7 verwendet werden.
Gemäß oben beschriebener Ausgestaltung ist der Z Aktorhalter 11 beispielsweise aus PEEK (eingetragene Marke) (Polyetheretherketone) hergestellt. PEEK ist ein Isolationsmaterial mit einer hohen chemischen Beständigkeit und einem hohen Umformungsgrad. Im Vergleich zu Teflon (eingetragene Marke) hat PEEK den Vorteil eines hohen Umformungsgrades.
PEEK hat im Vergleich zu einem Stahl wie dem Edelstahl folgende Vorteile. Der Z Aktor 7 wird in die Halteöffnung 29 in eine Lage gedrückt, worin dessen vier Kantenstücke mit der Innenfläche der Halteöffnung 29 verbunden sind. Wenn ein Stahl verwendet wird, würde die Steifigkeit des Aktorhalters zunehmen. Infolge dessen könnten die Kantenstücke des Aktors beim Eindrücken des Aktors in die Halteöffnung beschädigt werden und, um eine Beschädigung der Kantenstücke zu vermeiden, wären strenge Bemessungskontrollen notwendig. Wenn im Gegensatz dazu PEEK verwendet wird, ist das Auftreten einer Beschädigung unwahrscheinlich, wenn der Aktor in die Halteöffnung gedrückt wird. Bei PEEK bleibt, selbst bei Auftreten eines Beschädigung, ferner die Isolationseigenschaft vorhanden. Somit ist PEEK als Material für den Z Aktorhalter der vorliegenden Erfindung von Vorteil.
Ein Elastomer 33 ist beispielsweise Polyurethan. Diese Art von Material weist einen Verlustfaktor auf. Ein Material mit einem großen Verlustfaktor kann Schwingungen absorbieren und hat eine hohe Belastbarkeit zur Absorbierung von Stößen. Von diesem Gesichtspunkt wird Polyurethan, welches einen großen Verlustfaktor hat, verwendet.
Nachstehend in ein Beispiel eines Rastersondenmikroskops (SPM) unter Bezugnahme auf 5 beschrieben, welches die Abtastvorrichtung vorliegender Erfindung umfasst. Gemäß diesem Beispiel ist das SPM ein Rasterkraftmikroskop (AFM), und im Besonderen ein FM(Frequenz moduliertes)-AFM. Ein FM-AFM veranlasst eine Eigenschwingung eines Auslegers bei einer Resonanzfrequenz und führt eine Rückkoppelungsregelung (Z-Abtastung) in der Z Richtung durch, um ein Änderungsbetrag einer Resonanzfrequenz beizubehalten, welche durch Wechselwirkung zwischen dem Ausleger und einer Probe bei einem konstanten Wert verursacht wird. Ein FM_AFM stellt eine hohe Auflösung zur Verfügung und kann auch für einen berührungsfreien Modus verwendet werden.
Wie gezeigt in 5, umfasst einer AFM 51 einen Ausleger 53 und einen Probenhalter 55. Der Probenhalter 55 ist an der Abtastvorrichtung 1 vorliegender Erfindung angeordnet. Der Ausleger 53 wird von einem Hebelarmhalter 57. Der Ausleger 53 weist eine Sonde 59 auf und ist so angeordnet, dass sie einer Probe auf dem Probenhalter 55 nahe kommt.
Das AFM 51 umfasst einen Auslenkungssensor 61, welcher eine Auslenkung des Auslegers 53 in der Z-Richtung detektiert. Eine Hebelarmfahrsteuerung 63 steuert einen Hebelarmaktor 65 (piezoelektrisches Element) auf Basis einer Hebelarmauslenkung, um eine Eigenschwingung des Auslegers 53 zu veranlassen. Wenn sich die Sonde 59 der Probe in einem Zustand annähert, worin der Ausleger 53 eine Eigenschwingung aufweist, verschiebt sich die Resonanzfrequenz des Auslegers 53 in Übereinstimmung mit der Wechselwirkung zwischen der Sonde 59 und der Probe. Eine Schaltung 67 zur Erkennung der Verschiebung der Resonanzfrequenz erkennt eine Verschiebung der Resonanzfrequenz des Auslegers 53 auf Basis der Auslenkung des Hebelarms. Eine Rückkoppelungsregelung 69 erzeugt ein Rückkoppelungssignal entsprechend einem Unterschied einem detektierten Wert und einem Zielwert der Resonanzfrequenzverschiebung. Eine Abtaststeuerung 71 steuert das Fahren der Abtastvorrichtung 1 in Z-Achsen Richtung in Übereinstimmung mit dem Rückkoppelungssignal. Ferner veranlasst die Abtaststeuerung 71 die Abtastvorrichtung 1 zur Durchführung der Abtastung in den X und Y Richtungen entsprechend den X und X Abtaststeuerdaten, welche von einem Rechne 73 zur Verfügung gestellt werden.
Auf diese Weise führt die Abtastvorrichtung 1 die Z Abtastung durch, welche einen konstanten Abstand zwischen der Sonde 59 und der Probe beibehält, während die X und Y Abtastung durchlaufen wird. Ein Rückkoppelungssignal von der Z Abtastung entspricht der Höhe in der Z Richtung der Probe. Der Rechner 73 erzeugt ein Bild aus der Oberfläche der Probe, welches auf Kontrolldaten des X und Y Abtastung und einem Rückkoppelungssignal der Z Abtastung basiert, und zeigt das Bild auf dem Bildschirm 75 an. Vorzugsweise wird ein dreidimensionales Bild erzeugt und angezeigt.
Ein Beispiel eines SPM, woran eine Abtastvorrichtung 1 vorliegender Erfindung vorgesehen ist, ist oben beschrieben. Nachstehend wird der Betrieb der Abtastvorrichtung 1 beschrieben.
In der Abtastvorrichtung 1 vollzieht der X Aktor 3 in X-Achsen Richtung entsprechend einer Betriebsspannung für die X-Achsen Abtastung eine Ausdehnung und eine Kontraktion, der Y Aktor 5 vollzieht in Y-Achsen Richtung entsprechend einer Betriebsspannung für die Y-Achsen Abtastung eine Ausdehnung und eine Kontraktion und der Z Aktor 7 vollzieht in Z-Achsen Richtung entsprechend einer Betriebsspannung für die Z-Achsen Abtastung eine Ausdehnung und eine Kontraktion. Vermittels dieser Vorgänge veranlasst die Abtastvorrichtung 1 die Abtastung eines Abtastobjekts in X-Achsen Richtung, in Y-Achsen Richtung und in Z-Achsen Richtung. Gemäß obigem Beispiel stellt das Abtastobjekt den Probenhalter und eine darin gehaltene Probe dar.
In diesem Fall wird der Abtastung in Z-Achsen Richtung Beachtung geschenkt. Der Z Aktor 7 wird seitlich an den vier Kanten L gehalten, d. h. an der Vielzahl der Haltelinienstücke von dem Z Aktorhalter 11 gehalten. Die Vielzahl der Haltelinienstücke erstrecken sich in Abtastrichtung und sind voneinander getrennt. Der Aktorhalter 11 stützt nicht die Unterseite des Z Aktors 7, anders als die herkömmliche Vorrichtung. Dieser Art des Halteaufbaus kann mechanische Kopplung zwischen dem Z Aktor 7 und mechanischen anderen Resonanzbauteilen auf einen niedrigen Pegel drücken. Dementsprechend kann der Aktor mit einem hohen Freiheitsgrad versehen sein und der Aktor 7, d. h. die Z-Achsen Abtasteinrichtung kann in Z Richtung in einem nahezu der freien Schwingung entsprechenden Zustand hin- und hergehen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Z Aktor 7 nicht mit dem Z Aktorhalter 11 verklebt, sondern durch Presspassung gehalten. Deshalb sind die Ausdehnung und Kontraktion des Z Aktors 7 in Z Richtung hauptsächlich nur durch Reibungseinfluss beschränkt. Die auf Presspassung basierende Aufbau erzeugt keine derart große Spannung wie in dem Fall, wenn der Z Aktor 7 geklebt ist. Dadurch werden Spannungen am Z Aktor 7 abgeschwächt und zugleich die Bewegungsfreiheit des z Aktors 7 erhöht.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wirken ferner auch die Lagerung des X Aktors 3 und des Y Aktors 5 auf die Bewegungsfreiheit des Aktors ein. Gemäß vorliegender Ausführungsform stützen der X Aktor und der Y Aktor den Z Aktorhalter 11 an Seiten des Z Aktors 7. Im Besonderen sind der X Aktor 3 und der Y Aktor 5 entlang der Abtastrichtung in derselben Lage wie der Z Aktor 7 positioniert und sind hinsichtlich des Z Aktors 7 in einer Richtung angeordnet, welche die Abtastrichtung schneidet, im Besonderen, einer Richtung, welche senkrecht zur Abtastrichtung zeigt. Im Vergleich zur Ausgestaltung, wonach der X Aktor und der Y Aktor auf der Oberseite oder Unterseite des Z Aktors angeordnet sind, ist es bei vorliegender Ausgestaltung für Stöße von Schwingungen in Z Richtung schwierig, auf die X und Y Aktoren übertragen zu werden. Dementsprechend erhöht dies den Unabhängigkeitsgrad des Z Aktors.
Wie oben beschrieben hat der Z Aktor gemäß vorliegender Ausführungsform einen hohen Freiheitsgrad. Deshalb kann der Z Aktor, d. h. die Z-Achsen Abtasteinrichtung die Position zu beiden Seiten (in oberen und unteren Richtungen) entlang der Abtastrichtung in einem nahezu der freien Schwingung entsprechenden Zustand gleichmäßig ändern. Die Stöße der Schwingungen des Aktors können signifikant abgeschwächt werden und die Resonanzfrequenz kann nahezu an den Wert der Resonanzfrequenz bei freier Schwingung angepasst werden. Unter der Berücksichtigung, dass die Resonanzfrequenz bei herkömmlichem Aufbau die Hälfte der Resonanzfrequenz bei freier Schwingung beträgt, kann gemäß vorliegender Erfindung eine Resonanzfrequenz erzielt werden, welche annähernd der doppelten Resonanzfrequenz des herkömmlichen Aufbaus entspricht. Daraus folgt, dass die Abtastung bei Frequenz und Geschwindigkeit durchgeführt wird, wobei die Frequenz und die Geschwindigkeit signifikant höher sind als bei herkömmlichen Vorrichtungen.
Gemäß vorliegender Ausführungsform ist das Elastomer 33 in Spalten zwischen dem Aktorhalter 11 und dem Z Aktor 7 vorgesehen. Gemäß diesem Beispiels ist das elastische Material ein Material mit großem Verlustfaktor, beispielsweise Polyurethan. Durch Bereitstellung des Elastomers 33 können Stöße von Schwingungen des Z Aktors weiter reduziert werden. Gemäß oben beschriebenem geradlinigen Halteaufbau werden übrige Schwingungen, selbst wenn Schwingungen von dem Z Aktor 7 erhalten sind, von dem elastischen Material absorbiert und somit vorteilhaft verringert. Dementsprechend können die Abtastfrequenz und die Abtastgeschwindigkeit vorteilhaft erhöht werden.
Gemäß dem Aufbau der vorliegenden Ausführungsform tritt eine Spannung auch an anderen Teilen als dem Z Aktor 7 auf, wenn sich der X Aktor und der Y Aktor dehnen bzw. zusammen ziehen. Obwohl die Größe des piezoelektrischen Elements eines jeden Aktors ungefähr Millimeter beträgt, ist jedoch eine Auslenkung des piezoelektrischen Elements im Bereich von Nanometern. Demzufolge kann eine durch eine Spannung dieser Aktoren hervorgerufene Fehlauslenkung ignoriert werden. Deshalb kann eine Auslenkung jedes piezoelektrischen Elements als Auslenkungsbetrag des Z Aktors in XY Richtung verwendet werden.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 6A und 6B erläutert. Bei diesem Beispiel wird die in obiger Ausführung beschriebene Abtastvorrichtung 1 verwendet. Die Abmessungen jedes Teils sind wie folgt: die Gesamtlänge in X Richtung (Länge in X Richtung des Abtastsockels 9) beträgt 7 mm, die Gesamtlänge in Y Richtung (Länge in Y Richtung des Abtastsockels 9) ist 7 mm und die Höhe in Z Richtung (Höhe des Abtastsockels 9) ist 3 mm. Jeder Aktor (piezoelektrisches Element) ist ein Kubus mit Abmessungen von 2 mm × 2 mm × 2 mm. Jeder Aktor ändert seine Lage mit einer Empfindlichkeit von 22 nm/V bei Betriebsspannung. Wenn das piezoelektrische Element die Lage gleichmäßig in Aufwärts- und Abwärtsrichtungen verändert, beträgt die Empfindlichkeit in Bezug auf die Z Richtung jedoch näherungsweise ½, d. h. 11 nm/V. Die Resonanzfrequenz bei freier Schwingung dieses piezoelektrischen Elements ist näherungsweise 500–600 kHz.
6A und 6B zeigen den die Abhängigkeit des Betrags der Auslenkung des Z Aktors und der Phase von der Betriebsfrequenz. In 6A sind die Abszisse die Betriebsfrequenz und die Ordinate den Betrag der Auslenkung. In 6 sind die Abszisse die Betriebsfrequenz und die Ordinate die Phase.
In 6A ist der Höchstwert der Frequenz näherungsweise 540ß kHz. Im Besonderen ist die Resonanzfrequenz des Z Aktors näherungsweise 540 kHz, welche annähernd der Resonanzfrequenz zur Zeit der freien Schwingung entspricht. Damit ist belegt, dass es gemäß der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung möglich ist, eine Abnahme der Resonanzfrequenz des Z Aktors zu vermeiden.
Weiterhin, wie in 6A gezeigt, kann ein niedriger Scheitelwert im Bereich von annähernd einigen zehn kHz erkennt werden. Dieser rührt von Erregungen durch andere in der gesamten Abtasteinrichtung auftretende Resonanzen und eine Antwort auf solche Resonanzen erscheint in der Z-Achsen Richtung. Jedoch ist der Betrag der Auslenkung von 1 dB oder geringer äußerst klein. Des Weiteren kann fast keine Einwirkung auf die Phaseneigenschaften, wie gezeigt in 6B, erkannt werden. Demzufolge ist dieser Spitzenwert auf einen Pegel gedrückt, welcher praktische ignoriert werden kann. Somit ist belegt, dass die Ausgestaltung der Abtasteinrichtung vorliegender Erfindung mechanische Kopplungen zwischen einer Abtasteinrichtung mit Z-Achsen Fahrrichtung und anderer mechanischer Resonanz auf einen niedrigen Pegel drückt und einen hohen Freiheitsgrad hat.
Das obige Beispiel wird nachstehend mit einer herkömmlichen Konstellation verglichen. Herkömmlicherweise beträgt die Resonanzfrequenz einer Z-Achsen Abtasteinrichtung die Hälfte der Resonanzfrequenz bei freier Schwingung. Dementsprechend liegt der Höchstwert der Resonanzfrequenz annähernd bei der Hälfte des in 6A gezeigten Frequenzscheitelwertes. Weiterhin werden gemäß herkömmlicher Konfiguration die Stöße der Schwingungen der Z-Achsen Abtasteinrichtung auf die X-Achsen und Y-Achsen Abtasteinrichtungen übertragen und die Stöße der Schwingungen der X-Achsen und Y-Achsen Abtasteinrichtungen werden auf die Z-Achsen Abtasteinrichtung übertragen. Infolgedessen tritt eine Schwingung mit verhältnismäßig großer Amplitude bei der Z-Achsen Abtasteinrichtung in einem Bereich von näherungsweise 10 bis 50 kHz in Erscheinung. Da die Abtastfrequenz bei einer herkömmlichen Abtastvorrichtung höchstens annähernd 1 kHz beträgt, stellen die oben beschriebene Resonanzfrequenz oder andere Schwingungen kein Problem dar.
Jedoch soll bei vorliegender Erfindung die Geschwindigkeit eines SPM erhöht werden und in diesem Fall stellen die oben beschriebene Resonanz und andere Schwingungen ein Problem dar. Wie in 6A und in 6B gezeigt, können mit vorliegender Erfindung die Resonanzfrequenz signifikant erhöht und Schwingungen in einem Bereich von mehreren zehn kHz auf einen vernachlässigbaren Pegel reduziert werden, wodurch eine eine Erhöhung der Geschwindigkeit eines SPM erzielt wird.
Wie ferner in 6A und 6B gezeigt, weist die Abtasteinrichtung vorliegender Erfindung in den Amplituden- und Frequenzcharakteristika keine unnatürlichen Spitzen auf. Die Charakteristik ist auf für folgenden Aspekt von Vorteil. Ein Verfahren wurde vorgeschlagen, womit ein Spitzenwert einer Resonanzschwingung einer Abtasteinrichtung durch Bereitstellung einer Modellschaltung unterdrückt wird, welcher dieselben Amplituden- und Phaseneigenschaften wie die Abtasteinrichtung aufweist und dann die Schwingungen der Abtasteinrichtung auf Basis der Antwort der Modellschaltung vorausberechnet. Da die Abtasteinrichtung der vorliegenden Erfindung keine unnatürlichen Spitzen oder irregulären Eigenschaften aufweist, kann eine präzise Modellschaltung vergleichsweise einfach für die Abtasteinrichtung der vorliegenden Erfindung angefertigt werden. Dementsprechend können Spitzen der Resonanzschwingung mit obigem Verfahren einfach unterdrückt werden.
Nachstehend ist ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 7 beschrieben. Gemäß dem in 5 gezeigten Beispiel ist an einem Ende der Abtastvorrichtung 1 ein Probenhalter angeordnet. Gemäß dem in 7 gezeigten Beispiel ist an der Abtastvorrichtung 1 ferner ein Gegengewicht angeordnet.
In 7 ist der Probenhalter 55 an einem Ende der Z Aktors 7 angeordnet. Ein Gegengewicht 81 is an dem anderen Ende des Z Aktors 7 angeordnet. Das Gewicht des Gegengewichts 81 ist auf dasselbe Gewicht eingestellt wie das des Probenhalters 51, welcher das Abtastobjekt ist. Gemäß dieser Ausgestaltung können die Gewichte an beiden Enden des Aktors gleich, so dass eine Schwingung des Aktors ferner verringert wird und die Abtastfrequenz und die Abtastgeschwindigkeit können vorteilhaft erhöht werden.
Nachstehend ist ein modifiziertes Beispiel vorliegender Erfindung beschrieben. Gemäß oben beschriebener Ausführungsform ist der Querschnitt des Z Aktors 7 quadratisch und der Z Aktor 7 ist an vier Linienstücken von dem Z Aktorhalter 11 gestützt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf obige Ausführungsform beschränkt. Der Z Aktor kann anhand einer unterschiedlichen Zahl von Haltelinienstücken gehalten werden. Beispielsweise kann der Aktor anhand von drei Haltelinienstücken oder anhand von fünf oder mehreren Haltelinienstücken gehalten werden. Beispielsweise kann der Z Aktor einen dreikantigen Querschnitt oder kann eine sektionale Form mit fünf oder mehr Eckpunkten aufweisen.
Gemäß vorliegender Ausführungsform ist die Halteöffnung 31 kreisförmig. Jedoch kann die Halteöffnung 31 im Umfang der vorliegenden Erfindung auch eine andere Form als eine Kreisform aufweisen.
Gemäß vorliegender Ausführungsform ist die Fläche des Aktorhalters mit Linienstücken an den Ecken (Kanten) des Aktors verbunden. Umgekehrt kann der Aktorhalter eine Vielzahl von Ecken (Kanten) in der Halteöffnung haben, und die Linienstücke der Ecken können mit der Fläche des Aktors verbunden sein. Beispielsweise kann der Aktorhalter eine Vielzahl von geradlinigen Vorsprüngen umfassen, welche sich in Abtastrichtung auf der Innenfläche der Halteöffnung erstrecken. Die Vielzahl von Vorsprüngen kann mit der umlaufenden Außenfläche des Aktors zur Abstützung des Aktors in Verbindung sein.
Gemäß vorliegender Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung an einem Z Aktor angewendet. Jedoch kann vorliegende Erfindung auch an anderen Aktoren, beispielsweise an einem X Aktor und/oder einem Y Aktor angewendet werden. Vorliegende Erfindung kann auch an all diesen Aktoren angewendet werden.
Gemäß vorliegender Ausführungsform schließt die Abtastvorrichtung drei Aktoren ein. Jedoch kann die Abtastvorrichtung auch nur einen Aktor für eine Richtung umfassen. Beispielsweise kann die Z Abtasteinrichtung von den X und Y Abtasteinrichtungen getrennt sein und die vorliegende Erfindung kann dann an der Z Abtasteinrichtung angewendet werden. Beispielsweise kann die Sonde unter Verwendung der Z Abtasteinrichtung abgetastet werden und die Probe kann unter Verwendung der X und Y Abtasteinrichtung abgetastet werden. In vielen Fällen ist ein Rastertunnelmikroskope (STM) derart zur Abtastung einer Probe ausgestaltet.
Wie aus vorangehender Beschreibung bereits klar hervorgeht, ist vorliegende Erfindung nicht auf ein AFM begrenzt, sondern kann auch an beliebigen SPM angewendet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist oben beschrieben. Gemäß der vorliegenden Erfindung hält ein Aktorhalter einen Aktor an einer Vielzahl von Haltelinienstücken, welche sich in einer Abtastrichtung erstrecken. Vermittels dieser Ausgestaltung wird eine mechanische Kopplung zwischen dem Aktor und anderen Teilen auf einen niedrigen Pegel gedrückt, der Aktor hat einen hohen Grad an Unabhängigkeit und kann die Position gleichmäßig zu beiden Seiten entlang der Abtastrichtung in einem nahezu der freien Schwingung entsprechenden Zustand ändern. Die Stöße der Schwingungen des Aktors können abgeschwächt werden und die Resonanzfrequenz kann nahezu an den Wert der Resonanzfrequenz bei freier Schwingung angepasst werden. Dementsprechend kann die Abtastung bei einer höheren Frequenz und einer höheren Geschwindigkeit als bei herkömmlichen Geräten durchgeführt werden.
Obwohl oben die Ausführungsform der Erfindung, welche gegenwärtig als die bevorzugte Ausführungsform ersichtlich ist, ist es offensichtlich, dass unterschiedliche Variationen und Modifikationen an den Ausführungsformen gemacht werden können und es ist beabsichtigt, dass solche Variationen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung, eingeschlossen der beigefügten Ansprüchen, liegen.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Abtastvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise in der Technik eingesetzt werden, um die Geschwindigkeit eines Rastersondenmikroskops zu erhöhen.
Zusammenfassung
Vorliegend ist eine Abtastvorrichtung angegeben, welche eine Hochfrequenzabtastung ermöglicht und womit die Abtastgeschwindigkeit eines Rastersondenmikroskops erhöht werden kann. Eine für ein Rastersondenmikroskops verwendete Abtastvorrichtung (1) umfasst einen Z Aktor (7) zum Abtasten eines Abtastobjekts in einer Abtastrichtung und einen Z Aktorhalter (11) zum Halten des Z Aktors (7). Der Z Aktorhalter (11) hält den Z Aktor (7) entlang einer Vielzahl von Haltelinienstücken, welche sich in Abtastrichtung erstrecken und voneinander getrennt sind. Zum Beispiel hat der Z Aktor (7) einen rechteckigen Querschnitt und die vier Kanten des Z Aktors (7) werden von dem Z Aktorhalter (11) gehalten. Der Z Aktor (7) ist in einer Halteöffnung (29) des Z Aktorhalters (11) gehalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-147041 [0001]
JP 63-265573 [0004]
JP 2002-82036 [0009]

Claims

Für ein Rastersondenmikroskop verwendete Abtastvorrichtung, welche umfasst: einen Aktor zur Abtastung eines Abtastobjekts in einer Abtastrichtung; und einen Aktorhalter zum Halten des Aktors; wobei der Aktorhalter den Aktor an einer Vielzahl von Haltelinienstücken hält, welche sich in Abtastrichtung erstrecken und voneinander getrennt sind.
Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Haltelinienstücke rings um den Aktor in gleichen Abständen angeordnet und zur Abtastrichtung parallel vorgesehen sind.
Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Aktorhalter den Aktor durch Andrücken des Aktors an die Vielzahl der Haltelinienstücke hält.
Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Aktor eine Form aufweist, welche eine Vielzahl von Kanten umfasst, welche in Abtastrichtung verlaufen, und wobei die Vielzahl von Kanten mit einer Außenfläche des Aktorhalters in Kontakt stehen.
Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Aktorhalter in Abtastrichtung eine Halteöffnung aufweist und wobei der Aktor eine Form mit polygonalem Querschnitt umfasst, welcher mit einer Innenseite der Halteöffnung in Kontakt steht und in der Halteöffnung gehalten ist.
Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Aktor in die Halteöffnung des Aktorhalters eingeführt ist, so dass der Aktorhalter mit der Vielzahl der Haltelinienstücke in Kontakt steht.
Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Aktorhalter aus einem isolierenden Material besteht.
Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, wobei ein Elastomer in einem Spalt zwischen einer Innenfläche der Halteöffnung und einer Außenfläche des Aktors vorgesehen ist.
Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen weiteren Aktor umfasst, welcher dazu ausgebildet ist, in einer Richtung abzutasten, welche von der Abtastrichtung verschieden ist, wobei der weitere Aktor den Aktorhalter auf einer Seite des Aktors stützt.
Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Aktor das Abtastobjekt in Abtastrichtung an einem Ende und ein Gegengewicht in Abtastrichtung an einem anderen Ende stützt.
Verfahren zum Abtasten eines Abtastobjekt für ein Rastersondenmikroskop, welches die Schritte umfasst: Bereitstellen eines Aktors zum Abtasten des Abtastobjekts in einer Abtastrichtung; und Abtasten in einem Zurstand, in dem der Aktor an einer Vielzahl von Haltelinienstücken gehalten ist, welche sich in Abtastrichtung erstrecken und voneinander getrennt sind.
Verfahren zur Herstellung einer in einem Rastersondenmikroskop verwendbaren Abtastvorrichtung, welches die Schritte umfasst: Vorbereiten eines Aktors zum Abtasten eines Abtastobjekts in einer Abtastrichtung; und Halten des Aktors an einer Vielzahl von Haltelinienteilstücken, welche sich entlang der Abtastrichtung erstrecken und voneinander getrennt sind.
Rastersondenmikroskop, welches eine Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 umfasst.