DE19600240C2 - Atomic force microscope - Google Patents
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- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/02—Coarse scanning or positioning
Description
Die Erfindung geht aus von einem Rasterkraftmikroskop mit einem Sensor, mit einer Auswerteeinheit zur Erfassung von auf den Sensor wirkenden Einflüssen, die durch eine Wechselwirkung zwischen dem Sensor und einer Probe bei einer Relativbewegung zwischen dem Sensor und einer Oberfläche der Probe hervorgerufenen werden, mit Mittel für eine Feinannäherung der Oberfläche der Probe an den Sensor und mit einer die Probe und den Sensor umschließenden Unterdruckkammer.The invention is based on one Atomic force microscope with a sensor, with a Evaluation unit for recording on the sensor acting influences by an interaction between the sensor and a sample at a Relative movement between the sensor and one Surface of the sample are caused with Means for a fine approximation of the surface of the Sample to the sensor and with a the sample and the Vacuum chamber enclosing the sensor.
In der Technik werden die verschiedenartigsten Bauteile immer weiter miniaturisiert. Beispielhaft sei hier die Mikroelektronik genannt. Für eine neue Generation von Speicherchips werden Halbleiterstrukturen von 0,35 µm angestrebt. Zur Vermessung dieser Strukturen sind hochauflösende Verfahren und Vorrichtungen erforderlich.The most varied are in technology Components miniaturized more and more. Exemplary microelectronics should be mentioned here. For a new one Generation of memory chips Semiconductor structures of 0.35 µm aimed for. For Measurement of these structures are high resolution Procedures and devices required.
Auch in der Werkstofforschung sind zur Bestimmung von Oberflächenstrukturen entsprechende Verfahren und Vorrichtungen erwünscht. Dabei soll die Obenflächenstruktur bis auf Atomgröße darstellbar sein.In materials research, too, are to be determined processes corresponding to surface structures and devices desired. Thereby the Surface structure can be represented down to atomic size be.
Weitere Anwendungsfälle für die Messung derartiger Mikrostrukturen sind vielfältig vorhanden und geläufig.Other applications for the measurement of such Microstructures are diverse and common.
Es ist bekannt, für die Messung von Mikrostrukturen Elektronenmikroskope zu verwenden. Abgesehen von den Schwierigkeiten, die die Streuung der Elektronen in der Probe und Kontaminationen bzw. Aufladungen verursachen, ist es mit Hilfe des Elektronenmikroskopes nicht möglich, entsprechende Tiefenaussagen der Probe exakt und mit der erforderlichen Meßsicherheit zu ermitteln. It is known for the measurement of microstructures To use electron microscopes. Except the Difficulties in scattering the electrons in the sample and contaminations or charges cause it is with the help of Electron microscope not possible, corresponding Depth statements of the sample exactly and with the to determine the required measurement reliability.
Aus dem Aufsatz von G. Binnig, C. F. Quate und Ch. Gerber, "Atomic Force Microscope", Physical Review Letters Vol. 56, 1986, No. 9, S. 930-933 ist es bekannt, mit Hilfe der sogenannten Rasterkraftmikroskopie zerstörungsfreie Untersuchungen von Oberflächen bis in den Atombereich durchzuführen. Dabei werden Kräfte unterschiedlicher physikalischer Natur zwischen einer Spitze einer feinen Sonde und der Oberfläche einer zu untersuchenden Probe gemessen. Die Sonde, im folgenden als Sensor bezeichnet, besteht aus einer sehr feinen Spitze, die an einem elastischen Hebelarm befestigt ist. Die Kraftwechselwirkung zwischen der Spitze und der Probenoberfläche führt zu einer Auslenkung des Hebelarmes, die proportional zu der Kraft ist. Sonde und Probe werden in einem rasterartigen Verfahren gegeneinander bewegt. Dabei wird die Auslenkung durch einen elektrischen Regelkreis auf einem konstantem Wert gehalten, indem der Abstand zwischen Probe und Sonde mit einem piezoelektrischen Stellglied variiert wird. Das Regelsignal als Funktion des Rasters entspricht dann der Oberflächenstruktur der Probe.From the essay by G. Binnig, C. F. Quate and Ch. Gerber, "Atomic Force Microscope", Physical Review Letters Vol. 56, 1986, No. 9, pp. 930-933 it is known to help the so-called atomic force microscopy non-destructive investigation of surfaces up to to perform in the atomic range. In doing so Forces of different physical nature between a tip of a fine probe and the Surface of a sample to be examined measured. The probe, hereinafter referred to as the sensor, consists of a very fine tip attached to one elastic lever arm is attached. The Force interaction between the tip and the Sample surface leads to a deflection of the Lever arm that is proportional to the force. probe and sample are made in a grid-like process moved against each other. This is the deflection through an electrical control loop on one held constant by the distance between Sample and probe with a piezoelectric Actuator is varied. The control signal as The function of the grid then corresponds to Surface structure of the sample.
Aus dem Aufsatz von L. Howald et. al. "Multifunctional probe microscope for facile operation in ultrahigh vacuum", Appl. Phys. Lett., Vol. 63, 1993, No. 1, S. 117-119 ist es bekannt, die Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum durchzuführen. Das Arbeiten im Ultrahochvakuum hat den Vorteil, daß die zu untersuchenden Oberflächen eine Reinheit aufweisen, wie sie unter atmosphärischen Bedingungen nicht zu erreichen ist. From the essay by L. Howald et. al. "Multifunctional probe microscope for facile operation in ultrahigh vacuum ", Appl. Phys. Lett., Vol. 63, 1993, No. 1, pp. 117-119 it is known atomic force microscopy in an ultra-high vacuum perform. Working in an ultra high vacuum has the advantage that the surfaces to be examined have a purity as described below atmospheric conditions cannot be achieved.
Es ist eine lichtemittierende Diode vorgesehen, deren Licht über eine einen Planspiegel aufweisende Optik auf die Rückseite des Sensors fokussiert wird.A light emitting diode is provided the light of which has a plane mirror Optics is focused on the back of the sensor.
Die Probe wird mittels Piezostellgliedern derart positioniert, daß die Spitze auf der Oberfläche aufliegt. Die Piezostellglieder ermöglichen es weiterhin, die Probe in allen drei Raumrichtungen zu bewegen, so daß die Oberfläche rasterförmig abgetastet werden kann.The sample is made using piezo actuators positioned that the tip on the surface lies on. The piezo actuators make it possible furthermore, the sample in all three spatial directions too move so that the surface is grid-like can be scanned.
Bei der Messung wird die Probe über einen Regelkreis derart gesteuert, daß die Andruckkraft der Spitze auf der Probe stets konstant ist. Als Maß der Andruckkraft wird das an der Oberfläche des Sensors reflektierte Licht in einer Photodiode ausgewertet, welches ein Maß für die Auslenkung des Sensors darstellt.During the measurement, the sample is fed through a control loop controlled so that the pressure force of the tip on the sample is always constant. As a measure of The pressure force becomes on the surface of the sensor reflected light is evaluated in a photodiode, which is a measure of the deflection of the sensor represents.
Von der Firma Surface Imaging Systems (S. I. S.), Rastersonden- und Sensormeßtechnik, 52135 Herzogenrath, Deutschland, wurde ein Rasterkraftmikroskop für Ultrahochvakuumanwendungen entwickelt, bei dem zur Detektion der Auslenkung der Spitze des Sensors ein faseroptisches Interferometer verwendet wird. Das Licht der Lichtquelle wird über einen Lichtleiter auf die Rückseite des Sensors transportiert. Gemessen wird die Phasendifferenz zwischen dem an dem Ende des Lichtleiters an der Grenzfläche und an der Rückseite des Sensors reflektierten Lichtes. From the company Surface Imaging Systems (S.I.S.), Raster probe and sensor measurement technology, 52135 Herzogenrath, Germany, became a Atomic force microscope for ultra high vacuum applications developed in which to detect the deflection of the Tip of the sensor is a fiber optic interferometer is used. The light from the light source is over a light guide on the back of the sensor transported. The phase difference is measured between that at the end of the light pipe at the Interface and at the back of the sensor reflected light.
Die sich ergebene Interferenzkurve verläuft im wesentlichen sinusförmig mit einer Periode der halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Auslenkungen, die größer als eine viertel Wellenlänge des verwendeten Lichtes sind, können daher nicht erfaßt werden. Die Messungen können also nur mit konstanter Andruckkraft durchgeführt werden. Messungen, bei denen eine Variation der Andruckkraft erforderlich ist, wie beispielsweise bei der Ermittlung mechanischer Eigenschaften oder bei der für eine Eichung erforderlichen Kraft-Abstands- Kurve, können nicht durchgeführt werden. Der Anwendungsbereich ist somit eingeschränkt.The resulting interference curve runs in the essentially sinusoidal with a period of half the wavelength of the light used. Deflections greater than a quarter Wavelength of the light used can therefore not be captured. So the measurements can can only be carried out with constant pressure. Measurements in which a variation of the pressing force is required, such as the Determination of mechanical properties or at the force-distance required for calibration Curve, can not be performed. Of the The area of application is therefore limited.
Der Aufsatz "A miniature fibre optic force microscope scan head" von A. Moser, H. J. Hug, Th. Jung, U. D. Schwarz und H. J. Güntherodt, Meas. Sci. Technol. Vol. 4, 1993, No. 7, S.769-775 beschreibt ein Rasterkraftmikroskop, bei dem der Abstand zwischen einem Lichtaustrittsende eines Lichtleiters und der Oberfläche des Sensors konstant gehalten werden kann. Wird der Sensor ausgelenkt, ändert sich die Interferenz des reflektierten Lichtes. Diese Interferenzänderung wird von der Auswerteeinheit registriert. Der Abstand zwischen dem Lichtaustrittsende des Lichtleiters und der Oberfläche des Sensors wird derart eingeregelt, daß die Interferenz wieder ihren ursprünglichen Wert besitzt, also konstant gehalten wird. Als Maß für die Auslenkung des Sensors wird derjenige Weg herangezogen, um den das Lichtaustrittsende des Lichtleiters relativ zu dem Sensor zur Konstanthaltung der Interferenz verschoben wurde. The essay "A miniature fiber optic force microscope scan head "by A. Moser, H.J. Hug, Th. Jung, U. D. Schwarz and H. J. Güntherodt, Meas. Sci. Technol. Vol. 4, 1993, No. 7, pp.769-775 describes a Atomic force microscope, in which the distance between a light exit end of a light guide and the Surface of the sensor can be kept constant can. If the sensor is deflected, the changes Interference of the reflected light. This The evaluation unit detects interference changes registered. The distance between that Light exit end of the light guide and the The surface of the sensor is adjusted in such a way that the interference returned to its original value owns, i.e. is kept constant. As a measure of the deflection of the sensor becomes the one way around which the light exit end of the Optical fiber relative to the sensor Keeping the interference constant has been postponed.
Dadurch ist es möglich, Kraft-Abstands-Kurven zu ermitteln, die für die Eichung des Rasterkraftmikroskopes erforderlich sind.This makes it possible to create force-distance curves determine who is responsible for the calibration of the Atomic force microscope are required.
Die Positionierung der Probe erfolgt auch bei diesem gattungsbildenden Rasterkraftmikroskop über Piezostellglieder. Dies hat den Nachteil, daß bei unterschiedlichen Gewichten der Probe die Annäherung der Probe an den Sensor fehlerträchtig ist.The sample is also positioned on this generic atomic force microscope Piezo actuators. This has the disadvantage that at different weights of the sample the approximation the sample to the sensor is prone to errors.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, das gattungsgemäße Rasterkraftmikroskop derart weiterzubilden, daß auch bei unterschiedlichen Gewichten der Probe eine reproduzierbare und stabile Annäherung der Probe an den Sensor gewährleistet ist. Weiterhin soll die Auflösung verbessert werden.The present invention has the problem based on the generic atomic force microscope to further develop such that different weights of the sample reproducible and stable approximation of the sample the sensor is guaranteed. Furthermore, the Resolution can be improved.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.According to the invention, the problem is solved by the features of claim 1 solved.
Das Rasterkraftmikroskop weist den Sensor auf, der mit der Auswerteeinheit in Verbindung steht. Von der Auswerteeinheit werden die von der Oberfläche der Probe auf den Sensor wirkenden Einflüsse registriert und ausgewertet, die bei einer Relativbewegung zwischen dem Sensor und der Oberfläche der Probe hervorgerufen werden. Somit kann beispielsweise die Struktur der Oberfläche dargestellt werden.The atomic force microscope has the sensor that is connected to the evaluation unit. Of the Evaluation unit are those from the surface of the Sample influences acting on the sensor registered and evaluated that with a relative movement between the sensor and the surface of the sample are caused. Thus, for example Structure of the surface are shown.
Die vorgesehene Unterdruckkammer ermöglicht die Messung im Ultrahochvakuum, wodurch die Auflösung erheblich verbessert wird, da nur unter diesen Bedingungen eine erforderliche Oberflächenreinheit gewährleistet ist.The provided vacuum chamber enables the Measurement in ultra high vacuum, which reduces the resolution is significantly improved since only among these Conditions a required surface cleanliness is guaranteed.
Vor der Messung ist es erforderlich, die Probe bzw. deren Oberfläche an eine Spitze des Sensors bis zu einem bestimmten Abstand bzw. bis zum Anliegen, je nachdem welches Meßverfahren gewählt ist, anzunähern. Diese Annäherung erfolgt in zwei Stufen, nämlich der Grobannäherung und der Feinannäherung.Before the measurement, the sample or their surface up to a tip of the sensor a certain distance or up to concern, each after which measuring method is selected, to approximate. This approach takes place in two stages, namely the rough approximation and the fine approximation.
Die Grobannäherung erfolgt bis zu einem Abstand von 500 nm bis 100 nm, die Feinannäherung schließt sich der Grobannäherung an.The rough approximation takes place up to a distance of 500 nm to 100 nm, the fine approximation closes the rough approximation.
Die Grobannäherung dagegen erfolgt im wesentlichen mit mechanischen, miteinander in Wirkverbindung stehenden Bauteilen, die in der Unterdruckkammer angeordnet sind.The rough approximation, on the other hand, essentially takes place with mechanical, in operative connection standing components in the vacuum chamber are arranged.
Die Anordnung der Grobannäherung in der Unterdruckkammer hat den Vorteil, daß während der Grobannäherung bereits eine Schwingungsdämpfung erfolgen kann und die sich anschließende Feinannäherung problemlos und ohne der Gefahr eines unbeabsichtigten Berührens zwischen der Probe und dem Sensor erfolgen kann.The arrangement of the rough approximation in the Vacuum chamber has the advantage that during the Rough approximation is already a vibration damping can be done and the subsequent Fine approximation easily and without the risk of accidental contact between the sample and the sensor can take place.
Der Verwendung mechanischer Bauteile steht das Vorurteil entgegen, daß im Ultrahochvakuum mechanische Bauteile aufgrund der dort herrschenden Bedingungen nicht geeignet sind. Dem tritt die vorliegende Erfindung entgegen.That stands for the use of mechanical components Contrary to prejudice that in ultra-high vacuum mechanical components due to the prevailing there Conditions are not suitable. That occurs contrary to the present invention.
Mit dieser Grobannäherung ist es möglich, auch Proben mit den unterschiedlichsten Gewichten und insbesondere relativ schwere Proben problemlos und mit hoher Genauigkeit an den Sensor anzunähern.With this rough approximation it is possible, too Samples with different weights and especially relatively heavy samples without problems and to approach the sensor with high accuracy.
Die Mittel zur Grobannäherung können einen um eine Achse schwenkbaren Balken aufweisen. Die Achse des Balkens ist - in Verbindung mit der Balkenlänge - derart angeordnet, daß einerseits die erforderliche Genauigkeit gewährleistet ist, anderseits aber auch der gewünschte Hub zur Verfügung steht. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, die Achse außermittig der Balkenlängsachse anzuordnen, beispielsweise an einem der Enden des Balkens. Dadurch ist eine große Variationsmöglichkeit des Hubes der Probe ermöglicht.The means for rough approximation can be one by one Have axis pivotable bars. The axis of the Bar is - in connection with the bar length - arranged such that on the one hand the required Accuracy is guaranteed, but also on the other hand the desired stroke is available. As it turned out to be particularly advantageous the axis off-center of the longitudinal axis of the beam to arrange, for example at one of the ends of the Bar. This makes it a big one Possibility to vary the stroke of the sample enables.
Die Probe und vorteilhafterweise auch ein Piezostellglied für die Feinannäherung sind auf dem Balken arretiert. Der genaue relative Ort der Arretierung ergibt sich wieder aus dem gewünschten Hub und der erforderlichen Genauigkeit. Durch ein Verschieben der Probe von der Achse des Balkens weg ergibt sich ein größerer Hub, in Richtung der Achse hin eine größere Genauigkeit.The sample and advantageously also a Piezo actuator for fine approximation are on the Beam locked. The exact relative location of the Locking arises again from the desired Stroke and the required accuracy. Through a Move the sample away from the axis of the bar there is a larger stroke in the direction of the axis towards greater accuracy.
Zur Annäherung der Probe in Richtung des Sensors kann ein Ende des Balkens mit der Probe über eine Ansteuerung in Richtung des Sensors verschwenkbar ausgebildet sein.To approach the sample in the direction of the sensor can one end of the bar with the sample over a Control can be pivoted in the direction of the sensor be trained.
Der Balken kann mit einem von einem Schrittmotor ansteuerbarem Getriebe mit Untersetzung in Verbindung stehen.The bar can be powered by a stepper motor controllable gear with reduction in Connect.
Diese Ausgestaltung erlaubt eine relativ feine Grobannäherung der Probe. Durch Variation der Position der Probe auf der Balkenlängsachse ist die Feinheit bei konstanter Getriebeübersetzung variierbar. Es werden Werte von ca. 180 nm Hubdifferenz pro Schritt des Schrittmotors erreicht.This configuration allows a relatively fine one Rough approximation of the sample. By varying the The position of the sample on the longitudinal axis of the beam is Fineness with constant gear ratio variable. Values of approx. 180 nm Stroke difference per step of the stepper motor reached.
Es kann eine Proben- und / oder Sensorhalterung vorgesehen sein, die um eine Achse schwenkbar ausgebildet ist. Dies erleichtert wesentlich den Proben- bzw. Sensorwechsel, insbesondere beim Arbeiten im Ultrahochvakuum, wo kein direkter Zugriff möglich ist.It can be a sample and / or sensor holder be provided which is pivotable about an axis is trained. This makes it much easier Sample or sensor change, especially when Work in ultra high vacuum where no direct Access is possible.
Die Probenhalterung kann derart angeordnet und ausgebildet sein, daß das mit der Probenhalterung in Verbindung stehende Piezostellglied im wesentlichen nur axial belastet und somit die Lebensdauer erhöht wird.The sample holder can be arranged and be designed so that with the sample holder in Connected piezo actuator essentially only axially loaded and thus increases the service life becomes.
Die Sensorhalterung kann eine Grundplatte aufweisen, mit der der Sensor verbunden ist. Dadurch wird die Handhabbarkeit des Sensors, der relativ geringe Abmessungen aufweist, erleichtert. Weiterhin besteht die Möglichkeit des einfachen Austausches des einen Sensors gegen einen anderen. The sensor holder can have a base plate, to which the sensor is connected. This will make the Manageability of the sensor, the relatively low Having dimensions, relieved. Still exists the possibility of simply exchanging one Sensors against another.
Es können Mittel vorgesehen sein, mit denen die Spitze mit einer vorgegebenen Frequenz fw anregbar ist. Damit besteht die Möglichkeit, berührungsfreie Messungen durchzuführen. Es entsteht eine bekannte Effektmodulation, wodurch unter bestimmten Voraussetzung eine Erhöhung der Meßgenauigkeit erreichbar ist. Das Einsatzgebiet des Rasterkraftmikroskopes wird dadurch erweitert.Means can be provided with which the tip can be excited with a predetermined frequency f w . This makes it possible to carry out non-contact measurements. A known effect modulation is produced, whereby an increase in the measurement accuracy can be achieved under certain conditions. The field of application of the atomic force microscope is thereby expanded.
Eine weitere Vergrößerung des Einsatzgebietes ergibt sich durch die optionale Anordnung von Mitteln zur Messung und Auswertung eines Tunnelstromes. Damit können elektrisch leitende Proben berührungsfrei vermessen werden.A further enlargement of the area of application results by the optional arrangement of means for Measurement and evaluation of a tunnel current. In order to can make electrically conductive samples without contact be measured.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels weiter erläutert.The invention is based on an embodiment explained further.
Es zeigen in schematisierter DarstellungThey show in a schematic representation
Fig. 1 ein Rasterkraftmikroskop und Fig. 1 is an atomic force microscope and
Fig. 2 eine Darstellung des Meßprinzipes. Fig. 2 is an illustration of the measuring principle.
Das in der Fig. 1 dargestellte Rasterkraftmikroskop weist eine Probe 1 auf, deren Oberfläche 2 von einer Spitze 3 eines Sensors 4 abgreifbar ist. Der Sensor 4 ist an einer Sensorhalterung 5 befestigt, die um eine Achse 6 gemäß eines Doppelpfeiles 7 verschwenkbar ist. The atomic force microscope shown in FIG. 1 has a sample 1 , the surface 2 of which can be picked up by a tip 3 of a sensor 4 . The sensor 4 is fastened to a sensor holder 5 which can be pivoted about an axis 6 according to a double arrow 7 .
Ein Lichtleiter 8 steht mit einem Metallzylinder 9, welcher an der Sensorhalterung 5 arretiert ist, in Verbindung. Das dem Sensor 4 zugeordnete Ende des Lichtleiters 8, ein Lichtaustrittsende 10, ist in einem Abstand 11 (siehe Fig. 2) zu dem Sensor 4 angeordnet.An optical fiber 8 is connected to a metal cylinder 9 , which is locked on the sensor holder 5 . The end of the light guide 8 assigned to the sensor 4 , a light exit end 10 , is arranged at a distance 11 (see FIG. 2) from the sensor 4 .
Ein zweites Piezostellglied 12 nimmt die Probe 1 auf und steht mit einem Balken 13 in Verbindung. Der Balken 13 ist über eine Achse 14 gemäß dem Doppelpfeil 15 verschwenkbar. Die Schwenkbewegung wird von einem Schrittmotor 16 über einem Getriebe 17 veranlaßt.A second piezo actuator 12 picks up the sample 1 and is connected to a bar 13 . The bar 13 is pivotable about an axis 14 according to the double arrow 15 . The pivotal movement is caused by a stepper motor 16 via a gear 17 .
In der Fig. 2 ist das Meßprinzip schematisiert dargestellt.In FIG. 2, the measurement principle is illustrated schematically.
Von einer Lichtquelle 18, die als Diode ausgebildet ist, gelangt das Licht in den Lichtleiter 8. Der Lichtleiter 8 endet in dem Abstand 11 vor der Oberfläche des Sensors 4. Über hier nicht weiter dargestellte Mittel wird der Abstand 11 stets konstant gehalten.The light enters the light guide 8 from a light source 18 , which is designed as a diode. The light guide 8 ends at a distance 11 in front of the surface of the sensor 4 . The distance 11 is always kept constant by means not shown here.
Zur Konstanthaltung des Abstandes 11 wird das an dem Lichtaustrittsende 10 reflektierte Licht einerseits und das an der Oberfläche des Sensors 4 reflektierte Licht anderseits einer Auswerteeinheit 19 zugeführt.To keep the distance 11 constant, the light reflected at the light exit end 10 , on the one hand, and the light reflected at the surface of the sensor 4 , on the other hand, are fed to an evaluation unit 19 .
Nur andeutungsweise ist eine Unterdruckkammer 21 dargestellt, die den gesamten in der Fig. 1 dargestellten Aufbau umschließt. A vacuum chamber 21 , which encloses the entire structure shown in FIG. 1, is only hinted at.
Im folgenden wird die Funktion näher erläutert.The function is explained in more detail below.
Die Annäherung der Probe 1 an den Sensor 4 auf einen Abstand von wenigen Nanometern zwischen der Spitze 3 und der Oberfläche 2 der Probe 1 erfolgt in zwei Stufen.The approach of the sample 1 to the sensor 4 at a distance of a few nanometers between the tip 3 and the surface 2 of the sample 1 takes place in two stages.
In der Grobannäherungsstufe werden die Probe 1 und die Spitze 3 zunächst auf einige 100 nm einander angenähert, während mit dem Piezostellglied 12 in einer zweiten Stufe Abstände von einigen wenigen Nanometern erreicht und kontrolliert werden.In the coarse approximation stage, the sample 1 and the tip 3 are first approximated to one another to a few 100 nm, while the piezo actuator 12 achieves and controls distances of a few nanometers in a second stage.
Das Getriebe 17 hat dabei folgende Funktionsweise:The gear 17 has the following functionality:
Die Drehbewegung des aus Platzgründen waagerecht liegenden Schrittmotors 16, hier als Ultrahochvakuum-Schrittmotor ausgebildet, wird über zwei Kegelzahnräder 23, 24 umgelenkt und mit zwei weiteren Zahnrädern 25, 26 mit verschiedener Zähnezahl untersetzt. Am Ende einer Achse 27, die mit dem Zahnrad 26 in Verbindung steht, ist eine geschlitzte Hülse 28 angeordnet. Die Schlitze der Hülse 28 greifen in einen Flügel 29 ein, der mit der Achse 27 drehfest verbunden ist.The rotary movement of the stepper motor 16 , which is horizontal for reasons of space, here designed as an ultra-high-vacuum stepper motor, is deflected by two bevel gearwheels 23 , 24 and reduced by two further gearwheels 25 , 26 with different numbers of teeth. At the end of an axis 27 , which is connected to the gear 26 , a slotted sleeve 28 is arranged. The slots of the sleeve 28 engage in a wing 29 which is rotatably connected to the axis 27 .
An dem den Schlitzen abgewandten Ende der Hülse 28 ist diese mit einer Gewindestange 30 drehfest verbunden.At the end of the sleeve 28 facing away from the slots, the sleeve 28 is rotatably connected to a threaded rod 30 .
Die Gewindestange 30 ist in einem Gewinde 31 einer Platte 32 geführt. The threaded rod 30 is guided in a thread 31 of a plate 32 .
Durch Antrieb des Schrittmotors 16 entsprechend einer Richtung eines Doppelpfeiles 33 werden die Zahnräder 23 bis 26 angetrieben, welches durch die jeweiligen Doppelpfeile 34 und 35 angedeutet ist. Der Flügel 29 führt eine Drehbewegung durch. Diese Drehbewegung wird über die Gewindestange 30 und das zugeordnete Gewinde 31 in eine Hub- bzw. Senkbewegung gemäß einem Doppelpfeil 36 übertragen.By driving the stepping motor 16 in accordance with a direction of a double arrow 33 , the gears 23 to 26 are driven, which is indicated by the respective double arrows 34 and 35 . The wing 29 rotates. This rotary movement is transmitted via the threaded rod 30 and the associated thread 31 into a lifting or lowering movement according to a double arrow 36 .
An demjenigen Ende der Gewindestange 30, welches der Hülse 28 abgewandt ist, liegt der Balken 13 auf, welcher aufgrund der Hub- bzw. Senkbewegung um seine Achse 14 verschwenkt wird. Die Schwenkbewegung bewirkt letztendlich die Hubbewegung des Piezostellgliedes 12 und der Probe 1.At that end of the threaded rod 30 , which faces away from the sleeve 28 , lies the bar 13 , which is pivoted about its axis 14 due to the lifting or lowering movement. The pivoting movement ultimately causes the lifting movement of the piezo actuator 12 and the sample 1 .
Das Piezostellglied 12 übernimmt sowohl die Feinannäherung der Probe 1 zu dem Sensor 4 bzw. dessen Spitze 3, als auch die Durchführung der Rasterung.The piezo actuator 12 takes over both the fine approximation of the sample 1 to the sensor 4 or its tip 3 , as well as the implementation of the screening.
Die Detektion der Auslenkung des Sensors 4 aufgrund einer Kraftwechselwirkung zwischen der Oberfläche 2 der Probe 1 und dem Sensor 4 erfolgt mittels eines interferometrischen Prinzips. Dazu ist das Lichtaustrittsende 10 des Lichtleiters 8, eine Glasfaser, in dem Abstand 11 von einigen Mikrometern über dem Rücken des optisch reflektierenden Sensors 4 angeordnet. Kommt es zu einer Auslenkung des Sensors 4, ändert sich der Abstand zwischen dem Rücken des Sensors 4 und dem Lichtaustrittsende 10. Diese Abstandsänderung wird interferometrisch detektiert. Es wird vorzugsweise eine Zweistrahlinterferenz ausgenutzt, die zwischen dem von dem Rücken des Sensors 4 reflektierten Strahl und dem an der Grenzfläche Lichtaustrittsende 10 / Luft direkt in den Lichtleiter 8 zurückreflektierten Referenzstrahl entsteht. Die Detektion des Interferenzsignales erfolgt durch die Auswerteeinheit 19, die eine hier nicht weiter dargestellte Fotodiode aufweist.The detection of the deflection of the sensor 4 due to a force interaction between the surface 2 of the sample 1 and the sensor 4 is carried out using an interferometric principle. For this purpose, the light exit end 10 of the light guide 8 , a glass fiber, is arranged at a distance 11 of a few micrometers above the back of the optically reflective sensor 4 . If the sensor 4 is deflected, the distance between the back of the sensor 4 and the light exit end 10 changes . This change in distance is detected interferometrically. A two-beam interference is preferably used, which arises between the beam reflected by the back of the sensor 4 and the reference beam reflected back into the light guide 8 at the light exit end 10 / air at the interface. The interference signal is detected by the evaluation unit 19 , which has a photodiode (not shown further here).
11
Probe
sample
22nd
Oberfläche
surface
33rd
Spitze
top
44th
Sensor
sensor
55
Sensorhalterung
Sensor bracket
66
Achse
axis
77
Doppelpfeil
Double arrow
88th
Lichtleiter
Light guide
99
Metallzylinder
Metal cylinder
1010th
Lichtaustrittsende
Light exit end
1111
Abstand
distance
1212th
Piezostellglied
Piezo actuator
1313
Balken
bar
1414
Achse
axis
1515
Doppelpfeil
Double arrow
1616
Schrittmotor
Stepper motor
1717th
Getriebe
transmission
1818th
Lichtquelle
Light source
1919th
Auswerteeinheit
Evaluation unit
2121
Unterdruckkammer
Vacuum chamber
2323
Kegelzahnrad
Bevel gear
2424th
Kegelzahnrad
Bevel gear
2525th
Zahnrad
gear
2626
Zahnrad
gear
2727
Achse
axis
2828
Hülse
Sleeve
2929
Flügel
wing
3030th
Gewindestange
Threaded rod
3131
Gewinde
thread
3232
Platte
plate
3333
Doppelpfeil
Double arrow
3434
Doppelpfeil
Double arrow
3535
Doppelpfeil
Double arrow
3636
Doppelpfeil
Double arrow
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| DE19600240A Expired - Fee Related DE19600240C2 (en) | 1996-01-05 | 1996-01-05 | Atomic force microscope |
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|---|---|
| DE (1) | DE19600240C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008022121A1 (en) | 2006-08-15 | 2008-02-21 | Panolam Industries International, Inc. | Decorative laminate incorporating multi-colored photoluminescent material |
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1996
- 1996-01-05 DE DE19600240A patent/DE19600240C2/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Appl.Phys.Lett., Vol. 63, 1993, No. 1, S. 117-119 * |
| Meas.Sci.Technol., Vol. 4, 1993, No. 7, S.769-775 * |
| Physical Review Letters, Vol. 56, 1986, No. 9, S. 930-933 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008022121A1 (en) | 2006-08-15 | 2008-02-21 | Panolam Industries International, Inc. | Decorative laminate incorporating multi-colored photoluminescent material |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19600240A1 (en) | 1997-07-17 |
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