DE19520457C2

DE19520457C2 - Sensor probe for measuring the topography of a sample surface

Info

Publication number: DE19520457C2
Application number: DE19520457A
Authority: DE
Inventors: Uwe Prof Dr Hartmann
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1995-06-03
Filing date: 1995-06-03
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2015-06-04
Also published as: DE19520457A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler einer Sonde zur Messung der Topographie einer Probenoberfläche. Ein derartiger Meßfühler wird beispielsweise in Raster kraftmikroskopen eingesetzt.The invention relates to a probe for a probe Measurement of the topography of a sample surface. On such a sensor is, for example, in a grid force microscopes used.

Seit zehn Jahren gibt es die von Binnig et al. (G. Binnig, C. F. Quate and C. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 930) entwickelte Rasterkraft-Mikroskopie. Sie hat universale Bedeutung erlangt, weil mit ihr Metall-Halbleiter- und Isolator-Oberflächen im Kontaktmo dus mit fast atomarer lateraler Auflösung und im Nicht-Kontaktmodus mit geringerer lateraler Auflösung un tersucht werden können.Binnig et al. (G. Binnig, C. F. Quate and C. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 930) developed atomic force microscopy. she has achieved universal meaning because of it Metal-semiconductor and insulator surfaces in contact mo dus with almost atomic lateral resolution and in Non-contact mode with lower lateral resolution can be searched.

Inzwischen sind Sonden, die aus Siliziumnitrid, aus Si liziumdioxid oder aus n-dotiertem, einkristallinem Silizium bestehen, kommerziell erhältlich (Nanosensors GmbH, Aidlingen, BRD, Park Scientific Instruments Sunnyvale, CA USA). Die beiden wesentlichen Komponen ten solcher Sonden sind ein biegsamer Hebelarm und zum Ende hin eine exponierte Spitze. Hebelarm und Spitze stellen den Meßfühler dar. Ein solcher Fühler ist typi scherweise 300 µm lang und 10 µm breit. Die Federkon stante beträgt typischerweise 0,01-1 N/m.In the meantime, probes made of silicon nitride, made of Si silicon dioxide or from n-doped, single-crystal Silicon exist, commercially available (nanosensors GmbH, Aidlingen, FRG, Park Scientific Instruments Sunnyvale, CA USA). The two essential components Such probes are a flexible lever arm and for In the end an exposed tip. Lever arm and tip represent the sensor. Such a sensor is typi usually 300 µm long and 10 µm wide. The Federkon The constant is typically 0.01-1 N / m.

Es ist zwecks Ermittlung von Oberflächentopographien von Interesse, extrem kleine Bewegungen oder Auslen kungen des Meßfühlers, insbesondere Bewegungen bzw. Auslenkungen kleiner als 1 Å, registrieren zu können.It is for the purpose of determining surface topographies of interest, extremely small movements or deflections the sensor, especially movements or Deflections less than 1 Å to be able to register.

Aus der Druckschrift US Reissued 33 387 ist ein Meßfühler einer Sonde bekannt, der u. a. zur Messung der Topographie einer Probenoberfläche dient und bei dem als Meßinstrument ein Tunnelkontakt, gebildet durch zwei Elektroden, vorgesehen ist. Eine Elektrode ist stationär und die andere Elektrode ist auf dem biegsamen Hebelarm angebracht. Wird nun der Hebelarm ausgelenkt, so verändert sich unmittelbar der Abstand zwischen den Elektroden. Diese Abstandsänderung bewirkt das Meßsignal.From US Reissued 33 387 is a Known probe of a probe that u. a. to measure the Serves topography of a sample surface and the a tunnel contact, formed by two electrodes is provided. An electrode is stationary and the other electrode is on the flexible lever arm attached. Now the lever arm deflected, the distance changes immediately between the electrodes. This change in distance causes the measurement signal.

Das gleiche Prinzip wird beim aus Druckschrift GB 22 38 161 A bekanntem Stand der Technik angewendet. Auch hier bewirkt die Auslenkung des Hebelarms eine unmittelbare Abstandsveränderung zur Gegenelektrode. Diese unmittelbare Abstandsveränderung wird als Meßsignal eingesetzt.The same principle is used in GB 22 38 161 A known prior art applied. Here too causes the lever arm to deflect immediately Distance change to the counter electrode. This Immediate change in distance is called a measurement signal used.

Die bekannten Messungen der Auslenkung eines Hebelarms mittels Tunnelkontakt setzen voraus, daß zumindest ein verformungsmessendes Bauteil, nämlich die stationär angebrachte Elektrode, nicht auf dem Hebelarm angebracht ist.The known measurements of the deflection of a lever arm by means of tunnel contact assume that at least one deformation-measuring component, namely the stationary one attached electrode, not on the lever arm is appropriate.

Auf dem Fachgebiet sind ferner verschiedenste andere Methoden bekannt, mit denen in Raster-Sonden-Mikros kopen die Auslenkung des Hebelarms sowohl im dynamischen Nicht-Kontaktmodus (EP 02 90 647 A1) als auch im Kontaktmodus (DE 39 22 589 A1) gemessen werden kann. Dazu gehören kapazitive, frequenzmessende, piezoresistive und piezoelektrische Methoden, wobei in M. Tortonese et al., Atomic resolution with an atomic force microscope using piezoresistive detection, Appl. Phys. Lett. 62(8), 22. Februar 1993, S. 834-836 auf den Vorteil bei Anbringung der verformungsmessenden Bauteile allein auf dem Mebelarm hingewiesen wird und auch T. Itoh et al., Scanning force microscope using a piezoelectric microcantilever, J. Vac. Sci. Technol. B 12(3), May/June 1994, S. 1581-1585 dieses Merkmal zeigt.There are also various others in the field Known methods used in scanning probe micros copy the deflection of the lever arm both in dynamic non-contact mode (EP 02 90 647 A1) as can also be measured in contact mode (DE 39 22 589 A1) can. This includes capacitive, frequency measuring, piezoresistive and piezoelectric methods, whereby in M. Tortonese et al., Atomic resolution with an atomic force microscope using piezoresistive detection, Appl. Phys. Lett. 62 (8), February 22, 1993, pp. 834-836 the advantage when attaching the deformation measuring Components are indicated only on the furniture arm and also T. Itoh et al., Scanning force microscope using a piezoelectric microcantilever, J. Vac. Sci. Technol. B 12 (3), May / June 1994, pp. 1581-1585 this feature shows.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen weiteren Meßfühler zur Registrierung der vorgenannten Bewegungen oder Auslenkungen zu schaffen.It is an object of the invention to provide a further sensor to register the aforementioned movements or To create deflections.

Die Aufgabe wird mit einem Meßfühler gemäß Anspruch ge löst. Vorzugsweise bestehen die Elektroden aus Metallen und der Tunnelkontakt aus dem entsprechenden Metall oxid. Der Hebelarm ist mit einem Tunnel-Kontakt verse hen, welcher am Ende des Hebelarms angebracht ist. The task is ge with a sensor according to claim solves. The electrodes are preferably made of metals and the tunnel contact made of the corresponding metal oxide. The lever arm is verse with a tunnel contact hen, which is attached to the end of the lever arm.

Kleine Auslenkungen des Hebelarms bewirken Deformatio nen einer geeignet angebrachten Tunnelverbindung. Mit tels einer hieran angeschlossenen Elektronik werden Än derungen des Tunnelstromes registriert und als Maß für die Auslenkung ausgewertet. Auf diese Weise können bei der Rasterkraftmikroskopie Messungen im Kontaktmodus durchgeführt werden.Small deflections of the lever arm cause deformity a suitable tunnel connection. With By means of electronics connected to it, Än changes in the tunnel current and as a measure for the deflection evaluated. This way, at Atomic force microscopy measurements in contact mode be performed.

Wird eine Messung im dynamischen Nicht-Kontaktmodus durchgeführt, schwingt der Hebelarm mit seiner Reso nanzfrequenz. Dämpfungen der Schwingungsamplitude bei Annäherung an die Probenoberfläche aufgrund von Sonden - Proben - Wechselwirkungen bewirken dann Amplitudenän derungen des oszillierenden Tunnelstroms.Will a measurement in dynamic non-contact mode carried out, the lever arm swings with its Reso frequency. Damping the vibration amplitude at Approach to the sample surface due to probes - Sample interactions then cause amplitudes changes in the oscillating tunnel current.

Der Meßfühler ist unter Extrembedingungen einsetzbar und zwar insbesondere bei tiefen Temperaturen und/oder Ultrahochvakuumbedingungen. Konventionelle Meßfühler sind für einen derartigen Einsatz kaum oder wenig ge eignet.The sensor can be used under extreme conditions in particular at low temperatures and / or Ultra high vacuum conditions. Conventional sensors are hardly or little ge for such an application is suitable.

Bei entsprechend tiefen Temperaturen läßt sich der Tun nelkontakt auch als Josephson-Tunnelkontakt ausfüh ren. Die Elektroden bestehen dann aus supraleitendem Material (Hoch- oder Tieftemperatursupraleiter).At correspondingly low temperatures, the action can be done Execute the nelkontakt as Josephson tunnel contact ren. The electrodes then consist of superconducting Material (high or low temperature superconductor).

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 Meßfühler mit vertikal angebrachtem Josephson-Kontakt; Fig. 1 sensor with vertically attached Josephson contact;

Fig. 2 Meßfühler mit horizontal angebrachtem Jo sephson-Kontakt. Fig. 2 sensor with horizontally attached Jo sephson contact.

Fig. 1, a) zeigt eine Aufsicht auf den Meßfühler 1. Auf ihm befinden sich zwei aus Aluminium bestehende Elek troden 3, die im Bereich 4 überlappen. Im Überlappungs bereich 4 befindet sich zwischen den Elektroden 3 die Tunnelbarriere 2 (siehe Seitenansicht gemäß Fig. 1, b)), bestehend aus Aluminiumoxyd. Fig. 1 a) shows a plan view of the probe 1. On it there are two aluminum electrodes 3 , which overlap in area 4 . In the overlap area 4 is between the electrodes 3, the tunnel barrier 2 (see side view of FIG. 1, b)) consisting of aluminum oxide.

Fig. 2 zeigt einen zweiten möglichen Aufbau des Meßfüh lers. Fig. 2 shows a second possible structure of the Meßfü lers.

Bei einem weiteren, hier nicht dargestellten Aufbau bildet der Meßfühler 1 unmittelbar eine der beiden Elektroden 3. Es können auch andere, geeignet gewählte Materialien zur Realisierung des Meßfühlers verwendet werden.In another construction, not shown here, the sensor 1 directly forms one of the two electrodes 3 . Other, suitably selected materials can also be used to implement the sensor.

Claims

Sensor ( 1 ) for an atomic force microscope to measure the topography of a sample surface, consisting of a lever arm with a tip exposed to the end, with two electrodes on the lever arm ( 2 , 3 ) that make a tunnel contact at the end of the Form lever arms.