DE19524907A1 - Rastersondenmikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rastersondenmikroskop zur Untersuchung oder Bearbeitung von Proben, das über eine äußerst kompakte Bauweise verfügt. Das Rastersondenmikroskop weist ein oder mehrere Bewegungselemente auf, von denen eines mittels einer Führungsschiene eine kleine Sondenhalterung und die Sonde abstützt. Mittels der Bewegungselemente kann die Sonde sowohl mikroskopisch wie makroskopisch entlang der Führungsschiene bewegt werden. Außer der Sonde und über unmittelbaren Halterung sind alle Bauteile des Rastersondenmikroskops einschließlich der Probe direkt oder indirekt über andere Bauteile fest mit einem Grundkörper verbunden.

Die Rastersondenmikroskopie, die nicht nur zur Analyse sondern auch zur Bearbeitung (z. B. Mikro- oder Nanostrukturierung) von Proben eingesetzt wird, erfordert eine hochpräzise Positionierbarkeit von Sonde und Probe. Neben den daraus resultierenden Anforderungen an die Bewegungselemente selbst ist auch eine hohe mechanische Stabilität des Gesamtaufbaus zu gewährleisten.

Bei den meisten Rastersondenmikroskopen (z. B. Kleindiek und Herrmann, Rev. Sci. Instr. 63, 693 (1993); Altfeder und Volodin, Rev. Sci. Instr. 64, 3157 (1993); etc.) werden die Funktionen der makroskopischen und mikroskopischen Relativbewegung getrennt von verschiedenen Bewegungselementen wahrgenommen, und es werden mit einem oder mehreren Bewegungselementen größere Teile des Rastersondenmikroskops bewegt, häufig die Probe inklusive Probenhalterung (K. Besocke, Surf. Sci. 181, 145 (1987); R. Gaisch et al., Ultramicroscopy 42-44, 1621 (1992); JP 30 30 250). Dies kompliziert den mechanischen Aufbau und erfordert oft zusätzlich elektronische Ansteuerungsgeräte.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Rastersondenmikroskop zu schaffen, bei dem alle Bauteile, einschließlich der Probe mechanisch fest miteinander verbunden sind und lediglich die Sonde makroskopisch in mindestens einer Richtung beweglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung bei einem Rastersondenmikroskop der eingangs erwähnten Art gemäß Patentanspruch 1 dadruch gelöst, daß am freien, der Probe zugewandten Ende desjenigen Bewegungselementes, das die Probe abstützt, eine Führungsschiene angebracht ist, entlang derer die Sonde mit ihrer Halterung makroskopisch beweglich ist. Dies ermöglicht eine makroskopische Anpassung des Arbeitsabstands zwischen Sonde und Probe, z. B. nach Einbau einer neuen Sonde oder einer neuen Probe oder bei einer Probenoberfläche, deren Rauhigkeit nicht durch die mikroskopische, piezoelektrische Verformung der Bewegungselemente ausgeglichen werden kann. An seinem anderen Ende ist dasjenige Bewegungselement, das die Sonde abstützt, fest mit dem Grundkörper verbunden. Diese Verbindung kann direkt oder indirekt z. B. über weitere Bewegungselemente realisiert werden.

Entscheidend für die Funktion der makroskopischen Bewegung ist das Verhältnis der Reibungskräfte zwischen Sondenhalterung und Führungsschiene zu den Trägheitskräften der Sondenhalterung bei Beschleunigung der Führungsschiene entlang ihrer Achse durch eines der Bewegungselemente. Die Reibungskräfte werden durch die Materialeigenschaften von Sondenhalterunge und Führungsschiene sowie durch die Auflagenkraft der Sondenhalterung bestimmt.

Ein Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 2 weist lediglich ein einziges Bewegungselement auf, das sowohl zur mikroskopischen wie zur makroskopischen Bewegung der Sonde dient und das direkt mit dem Grundkörper verbunden ist.

Bei einem Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 3 ist die oben erwähnte Auflagekraft der Sondenhalterung auf der Führungsschiene ausschließlich durch die Gewichtskraft der Sonde und der Sondenhalterung gegeben.

Bei einem Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 4 wird die Auflagekraft durch eine oder mehrere mechanische Federn oder Klemmen bestimmt, die entweder an der Sondenhalterung oder an der Führungsschiene oder am Grundkörper des Rastersondenmikroskops angebracht sein können. Dadurch wird die Funktion des Rastersondenmikroskops unabhängig von seiner Orientierung im Raum; es kann also insbesondere auch in vertikaler Richtung betrieben werden.

Eine weitere Möglichkeit der kontrollierten Erzeugung von Auflagekräften besteht in der Ausnutzung magnetischer Kräfte. Ferromagnetische Sondenhalterung können über eine magnetische Führungsschiene oder einen oder mehrere zusätzliche Magnete auf die Führungsschiene gepreßt werden, Patentanspruch 5.

Eine Variante der Erfindung ermöglicht durch Kombination von Führungsschienen in verschiedenen, senkrecht aufeinander stehenden Richtungen auch makroskopische Bewegungen der Sonde parallel zur Probenoberfläche. So läßt sich die häufig erwünschte Möglichkeit zu großflächiger Analyse oder Bearbeitung der Probe realisieren. Die Patentansprüche 6 bis 10 befassen sich mit entsprechenden Varianten der Erfindung.

Patentanspruch 6 bezieht sich auf ein Rastersondenmikroskop, das zusätzlich zu derjenigen Führungsschiene, die zur makroskopischen Annäherung der Sonde an die Probe verwendet wird, senkrecht dazu noch über mindestens eine weitere Führungsschiene verfügt, die eine makroskopisch Bewegung der Sonde parallel zur Probenoberfläche ermöglicht.

Dabei können die Auflagekräfte zwischen den verschiedenen, gekreuzten Führungsschiene sowie zwischen der obersten Führungsschiene und der Sondenhalterung durch die Gewichtskraft der jeweils aufliegenden makrobeweglichen Bauteile, Patentanspruch 7, oder durch mechanische Federn oder Klemmen, Patentanspruch 8, oder durch magnetische Kräfte, Patentanspruch 9, oder durch eine Kombination aus den verschiedenen Möglichkeiten, Patentanspruch 10, erzeugt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Rastersondenmikroskop mit nur einem einzigen Bewegungselement.

Fig. 1a Quer- und Längsschnitt durch die Führungsschiene und die Sondenhalterung aus Fig. 1.

Fig. 2 Rastersondenmikroskop mit einer am Grundkörper befestigten Schraube und Feder.

Fig. 2a ein weiteres Rastersondenmikroskop mit einer am Grundkörper befestigten Feder zur Einstellung der Auflagekraft.

Fig. 2b Führungsschiene eines Rastersondenmikroskops mit Klemmen, die an der Führungsschiene befestigt sind.

Fig. 2c Führungsschiene eines Rastersondenmikroskops mit einer Feder, die an der Sondenhalterung befestigt ist.

Fig. 3 Rastersondenmikroskop mit einem Magneten zur Einstellung der Auflagekraft.

Fig. 3a Quer- und Längsschnitt durch einen weiteren möglichen Typ von Führungsschienen mit magnetischer Auflagekraft.

Fig. 4 Rastersondenmikroskop mit zwei gekreuzten Führungsschienen mit magnetischer oder reiner Gewichtskraft als Auflagekraft.

Fig. 4a Teilansicht des Rastersondenmikroskops aus Fig. 4.

Fig. 5 Querchnittszeichnung eines Prototyps mit magnetischer Auflagekraft und speziellem Grundkörper.

Fig. 1 zeigt ein Rastersondenmikroskop mit einem gebräuchlichen, piezoelektrischen Bewegungselement 2 in Form eines Hohlzylinders, dessen Achse in horizontaler Richtung verläuft. Die Elektroden des Bewegungselements 2 sind wie üblich (Binnig und Smith, Rev. Sci. Instr. 57, 1688 (1986)) unterteilt: Die Elektrode an der Innenseite des Hohlzylinders ist durchgehend, diejenige an der Außenseite ist in vier gleichartige, axial verlaufende Segmente unterteilt. Das Bewegungselement 2 ist am linken Ende fest mit dem Grundkörper 1 des Rastersondenmikroskops verbunden. Am rechten, freien Ende ist eine Führungsschiene 3 befestigt, auf der die Sondenhalterung 4 mit der Sonde 5, hier als Abtastnadel eines Rastertunnelmikroskops ausgeführt, aufliegt. Die Probe 6 wird am Grundkörper 1 des Rastersondenmikroskops gegenüber der Sonde 5 befestigt.

Der Aufbau des Grundkörpers 1 sowie die Art der Befestigung der Probe oder die Gestalt eines möglichen Probenhalters (nicht dargestellt) sind frei und können je nach Anwendung den Erfordernissen angepaßt werden. Die in den Fig. 1-4 gewählte Form des Grundkörpers dient lediglich der Übersichtlichkeit der Darstellung.

Um die Sonde 5 makroskopisch relativ zur Probe 6 zu bewegen wird das Bewegungselement 2 von einem externen, hier nicht dargestellten Genertor zu schnellen Bewegungen in axialer Richtung angeregt. Dazu werden geeignete, von dem genannten Generator erzeugte, elektrische Spannungsverläufe entweder auf die innere oder gleichzeitig auf alle vier äußeren Elektroden eingespeist. Im Verlauf der resultierenden Bewegung des Bewegungselements 2 und der Führungsschiene 3 überschreiten die Trägheitskräfte der Sonde 5 und der Sondenhalterung 4 die Haftreibungskraft zwischen der Sondenhalterung 4 und der Führungsschiene 3, so daß sich die Sondenhalterung 4 mit der Sonde 5 entlang der Führungsschiene 3 verschiebt. Durch Addition vieler derartiger Einzelschritte kann die Sonde 5 makroskopisch auf die Probe 6 zu oder von ihr weg bewegt werden.

Bei der mikroskopischen Bewegung der Sonde 5, die durch geeignete individuelle Ansteuerung aller Elektroden des Bewegungselementes 2 bewerkstelligt wird, bleiben die auftretende Trägheitskräfte stets unter der Haftreibungskraft, so daß die Sondenhalterung 4 relativ zur Führungsschiene 3 in Ruhe bleibt.

Fig. 1a zeigt einen Quer- und einen Längsschnitt durch die Führungsschiene 3 aus Fig. 1. Die Führungsschiene 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Einkerbung ausgeführt, in welcher die auf der Unterseite keilförmig geformte Sondenhalterung 4 mit der Sonde 5 liegt. Bei der makroskopischen Bewegung gleitet die gesamte Auflagefläche der Sondenhalterung 4 auf der Führungsschiene 3. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Auflagekraft lediglich durch die Gewichtskraft bestimmt wird, wird die Funktion der makroskopischen Bewegung wesentlich von Eigenschaften der aufeinander gleitenden Materialien bestimmt, insbesondere von der Oberflächenqualität und von den Reibungskoeffizienten.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Auflagekraft der Sondenhalterung 4 auf der Führungsschiene 3 durch eine Spiralfeder 7 bestimmt wird. Die resultierende Auflagekraft zwischen Sondenhalterung 4 und Führungsschiene 3 läßt sich über eine Stellschraube 8 variieren. Zum einen können dadurch die Parameter für die Funktion der makroskopischen Bewegung einfach optimiert werden. Zum anderen kann ein derartiges Rastersondenmikroskop in beliebiger, also insbesondere auch in vertikaler Orientierung betrieben werden, wie in Fig. 2 dargestellt.

Fig. 2a zeigt eine weitere Variante zur kontrollierten Erzeugung der Auflagekraft über eine Feder. Die Feder ist hier als Blattfeder 7a ausgeführt, und der Anpreßdruck läßt sich über eine Stellschraube 8a variieren.

Fig. 2b zeigt einen Quer- und einen Längsschnitt durch die Führungsschiene 3 eines Rastersondenmikroskops, bei dem die Auflagekraft durch Klemmen 10 bestimmt wird, die an der Führungsschiene 3 befestigt sind.

Fig. 2c zeigt einen Querschnitt durch die Führungsschiene 3 und eine Variante der Sondenhalterung 4a, bei der die Auflagenkraft durch eine an der Sondenhalterung 4a befestigte Feder 7b bestimmt wird, deren Anpreßdruck sich über die Stellscharube 8b variieren läßt.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Auflagekraft durch magnetische Kräfte bestimmt wird. Die Sondenhalterung 4b ist aus ferromagnetischem Material gefertigt und wird durch einen zusätzlichen Magneten 11 auf die Führungsschiene 3a gezogen. Diese Variante ist insofern weniger flexibel als die Ausführungsbeispiele mit einstellbaren Federn, als die Auflagekraft durch die Wahl der Stärke und Position des Magneten 11 festgelegt ist. Dafür entfallen eventuell komplizierte Konstruktionen von Federn oder Sondenhalterungen. Im Prototyp hat sich die in Fig. 3 dargestellte magnetische Variante bestens bewährt. Bei Einsatz permanent magnetisierter Führungsschienen 3a und ferromagnetischer Sondenhalterungen 4b kann sogar auf den zusätzlichen Magneten 11 verzichtet werden.

Fig. 3a zeigt einen Quer- und einen Längsschnitt durch die Führungsschiene 3a und die hantelförmige, ferromagnetische Sondenhalterung 4b aus Fig. 3, die in mehreren Prototypen erfolgreich eingesetzt wurde.

Fig. 4 zeigt ein Rastersondenmikroskop, bei dem auf der Führungsschiene 3b noch eine weitere Führungsschiene 12 montiert ist, die senkrecht zur ersten orientiert ist. Die Sondenhalterung 4c liegt auf der zweiten Führungsschiene 12 auf. Die Auflagekräfte können in diesem Ausführungsbeispiel entweder durch die Gewichtskraft, durch nicht dargestellte Federn oder durch magnetische Kräfte von ebenfalls nicht dargestellten Magneten bestimmt werden. Die makroskopische Bewegung in Richtung der Achse des Bewegungselementes 2 erfolgt wie bei den bisherigen Ausführungsbeispielen durch Anregung von geeigneten Bewegungen des Bewegungselements 2 in axialer Richtung. Dabei bewegt sich in diesem Ausführungsbeispiel die gesamte zweite Führungsschiene 12 gemeinsam mit der Sondenhalterung 4c und der Sonde 5 makroskopisch entlang der ersten Führungsschiene 3b. Gemäß der Erfindung kann zusätzlich durch Anregung geeigneter Biegebewegungen des Bewegungselements 2 in Richtung der zweiten Führungsschiene 12 die Sondenhalterung 4c in dieser weiteren Richtung parallel zur Probenoberfläche durch Addition vieler Einzelschritte makroskopisch bewegt werden. Dabei ist darauf zu achten, daß die makroskopischen Bewegungen in den beiden verschiedenen Richtungen unabhängig voneinander anzuregen sind, d. h., bei Anregung makroskopischer Bewegung entlang einer der beiden Führungsschienen dürfen die auftretenden Trägheitskräfte entlang der anderen Führungsschiene die Haftreibungskräfte nicht überschreiten.

Fig. 4a zeigt eine Aufsicht auf das Bewegungselement 2 mit den Führungsschienen 3b und 12, sowie der Sondenhalterung 4c und der Sonde 5 und eine Vorderansicht der Führungsschienen 3b und 12 sowie der Sondenhalterung 4c und der Sonde 5.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Bewegungselementen 2 und 2a und einer Führungsschiene 3a und einer ferromagnetischen Probenhalterung 4b, entsprechend Patentanspruch 5. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper aus zwei Bauteilen zusammengesetzt. Er besteht aus einer Grundplatte 13, an der die Probe 6 mittels einer nicht dargestellten Probenhalterung befestigt ist und aus einem Abstandshalter 14. Über die Befestigungsscheibe 16 sind die Bewegungselemente 2 und 2a miteinander verbunden. Die Auflagekraft wird durch einen zusätzlichen, hier nicht dargestellten Magneten erzeugt.

Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Konstruktionsweise hat mehrere Vorteile. Sind die Elektroden beider Bewegungselemente 2 und 2a in der oben beschriebenen Art segmentiert, so können beide Bewegungselemente sowohl die Aufgabe der makroskopischen Bewegung der Sonde 5 entlang der Führungsschiene 3a als auch die Aufgabe der makroskopischen Bewegung der Sonde 5 während des Abrasterns der Probe übernehmen. Will man die beiden Aufgaben zwischen den Bewegungselementen 2 und 2a aufteilen, so kann man bei demjenigen Bewegungselement, das man nur für die makroskopische Bewegung der Sonde 5 und mikroskopische Bewegungen senkrecht zur Probenoberfläche einsetzen will, auf die Segmentierung der äußeren Elektrode verzichten. Die Aufteilung der Aufgaben zwischen den Bewegungselementen kann bei piezoelektrischem Material, das starke Hysterese und merkmliche Nichtlinearitäten in seinem piezoelektrischen Verhalten aufweist, von Vorteil sein.

Der zweite Vorteil wirkt sich insbesondere dann aus, wenn das Rastersondenmikroskop bei variabler Temperatur eingesetzt wird. Bei Temperaturänderungen dehnen sich die Bauteile des Rastersondenmikroskops aus oder ziehen sich zusammen, so daß sich der Abstan zwischen der Sonde 5 und der Probe 6 ändert. In diesem Ausführungsbeispiel kompensieren sich jedoch die Beiträge der beiden Bewegungselemente 2 und 2a gegenseitig. Dieses Prinzip der konstruktionsbedingten Kompensation reduziert die thermische Drift des Rastersondenmikroskops erheblich. Dies zeigte sich auch beim Betrieb eines Prototypen.

Claims (10)

1. Ein Rastersondenmikroskop mit einem Grundkörper (1), einem oder mehreren piezoelektrischen Bewegungselementen (2) und einer Sonde (5) dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Sonde (5) an einer Sondenhalterung (4) befestigt ist, die makroskopisch entlang einer Führungsschiene (3) bewegt werden kann.
• - alle Bauteile des Rastersondenmikroskops einschließlich der Probe (6), mit Ausnahme der Sondenhalterung (4) und der Sonde (5), fest miteinander verbunden sind.

2. Ein Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 1, daurch gekennzeichnet, daß es lediglich ein einziges piezoelektrisches Bewegungselement (2) aufweist.

3. Ein Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Führungsschiene (3) horizontal montiert ist.
• - die Sondenhalterung (4) mit der Sonde (5) lediglich auf der Führungsschiene (3) aufliegt.

4. Ein Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Sondenhalterung (4) oder an der Führungsschiene (3) mechanische Federn oder Klemmen angebracht sind, welche die beiden genannten Bauteile aneinanderpressen.

5. Ein Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Sondenhalterung (4) aus ferromagnetischem Material hergestellt ist.
• - es über einen Magneten (11) verfügt, der die Sondenhalterung (4) auf die Führungsschiene (3) preßt, oder daß die Führungsschiene (3) selbst magnetisch ist.

6. Ein Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwischen der in Patentanspruch 1 genannten Führungsschiene (3) und der Sondenhalterung (4) noch mindestens eine weitere Führungsschiene (12) eingefügt ist, entlang der ebenfalls makroskopische Bewegungen möglich sind.

7. Ein Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Führungsschienen horizontal montiert sind und die jeweils makroskopisch beweglichen Bauteilen lediglich aufliegen.

8. Ein Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Sondenhalterung (4) und/oder an den Führungsschienen (3 bzw. 12) mechanische Federn oder Klemmen angebracht sind, welche die jeweils aneinander grenzenden Bauteile aneinanderpressen.

9. Ein Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Sondenhalterung (4) aus ferromagnetischen Material hergestellt ist.
• - es über einen oder mehrere Magnete (11) verfügt, welche die jeweils aneinander grenzenden Bauteile aneinander pressen, oder daß die Führungsschienen (3 und 12) selbst magnetisch sind.

10. Ein Rastersondenmikroskop gemäß Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

• - mechanische Federn oder Klemmen an der Sondenhalterung (4) oder an der Führungsschiene (3) befestigt sind,
• - die Sondenhalterung (4) aus ferromagnetischem Material hergestellt ist,
• - es über einen oder mehrere Magnete (11) verfügt oder daß die Führungsschienen (3 und 12) magnetisch sind.