DE19633546C2

DE19633546C2 - Vorrichtung zum berührungslosen Abtasten von Oberflächen und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE19633546C2
Application number: DE19633546A
Authority: DE
Inventors: Franz J Giesibl
Original assignee: Individual
Current assignee: Giessibl Franz J Dr 86316 Friedberg De
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1996-08-20
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2016-08-21
Also published as: DE19633546A1; DE29623658U1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7.

Mögliche Anwendungen liegen in der Rasterkraftmikroskopie und in der Profilometrie.

Die Rasterkraftmikroskopie beruht darauf, eine feine Spitze über eine Oberfläche zu rastern (in x- und y-Richtung), dabei durch Regulieren des Abstandes die zwischen Spitze und Oberfläche wirkende Kraft konstant zu halten und aus der Höhen-Bewegung (Bewegung in z-Richtung) der Spitze ein Bild zu gewinnen. Die Bildgebung wird dabei von der Wechselwirkung dieser Spitze mit der Oberfläche bestimmt. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen einem Abbildungsmodus mit repulsiver und attraktiver Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe. Nähert man eine Spitze einer Oberfläche, so ist die Kraft zwischen Spitze und Probe zunächst anziehend. Sobald sich Spitze und Probe "berühren", ist die Kraft abstoßend.

Die Messung dieser Kraft geschieht dadurch, daß die feine Spitze auf einem Federelement bzw. einer Blattfeder montiert ist und die Biegung dieser Blattfeder gemessen wird.

Beim Rastern der Spitze im repulsiven Modus (dieser Modus wird überwiegend bei Profilometern verwendet) wird die Spitze mit der Zeit abgetragen, im attraktiven Modus bleibt sie beliebig lange scharf. Der attraktive Modus nach T. R. Albrecht et al. (T. R. Albrecht et al., J. Appl. Phys. 69, 668 (1991)) ist gegenüber dem repulsiven Modus vorteilhaft, weil die chemische Bindung zwischen Spitze und Probe vermieden wird und die Spitzen nicht abgenutzt werden. Dabei wird die Blattfeder durch ein Piezoelement zu ihrer Eigenschwingung angeregt. Die Frequenz ist gegeben durch

f₀ = 1/(2π)(k₀/m)^0.5 (Gl. 1)

mit k₀ = Federkonstante und m = effektive Masse). Durch die Wechselwirkung zwischen Spitze und Oberfläche ergibt sich eine neue effektive Federkonstante

k_eff = k₀ + k'. (Gl. 2)

Die Wechselwirkung Spitze-Oberfläche resultiert in einem negativen k', damit wird die neue Schwingungsfrequenz kleiner als die Eigenfrequenz der Blattfeder. Die Frequenzverschiebung bietet damit ein Maß für den mittleren Abstand zwischen Spitze und Oberfläche und läßt sich zur Bildgewinnung einsetzen (sogenannter FM-Modus). Die schwingende Spitze wird dabei über die Probe gerastert und die Höhe z so eingestellt, daß die Frequenzverschiebung konstant bleibt.

Betrachtet man zunächst die attraktive Wechselwirkung zwischen einer sphärischen Spitze mit Radius R und einer planen Oberfläche im Abstand z, so ergibt sich nach J. Israelachvili ("Intermolecular and Surface Forces", Academic, London 1985) eine Kraft F(z) gegeben durch:

F(z) = AR/(6z²) (Gl. 3)

A ist dabei die sogenannte Hamakerkonstante, eine Materialkonstante, welche vom Material der Spitze bzw. Oberfläche abhängig ist. Für Festkörper beträgt sie ca. 10^-19 J. Die Wechselwirkungskonstante k' ist dann die Ableitung dieser Kraft nach dem Abstand, explizit:

k' = -AR/(3z³) (Gl. 4).

Die Abhängigkeit der Frequenzverschiebung vom Abstand ist dann für k'<< k gegeben durch:

Δf/f₀ = 0.5 k'/k₀ = -AR/(6k₀z³) (Gl. 5).

Die Frequenzverschiebung steigt mit abnehmendem Abstand steil an. Wenn die Spitze zu weit von der Oberfläche entfernt ist, ist das Fehlersignal sehr klein, es dauert lange, bis die Regelabweichung korrigiert ist. Ist die Spitze dagegen zu nah an der Oberfläche, so ist das Fehlersignal sehr groß, der Regelkreis kann oszillieren.

Aus thermodynamischen Gründen ist der meßbare Kraftgradient nicht beliebig klein. Albrecht et al. (T. R. Albrecht, P. Gruetter, D. Horne, and D. Rugar, J Appl. Phys. 69, 668, 1991) haben den minimal meßbaren Kraftgradienten berechnet:

k'_min = ((4k₀k_BTB)/(πf₀A₀Q))^0.5 (Gl. 6)

(k₀ = Federkonstante des Detektors in N/m, k_B = Boltzmannkonstante in J/K, T = Temperatur in Kelvin, B = Bandbreite des Frequenzanalysators in Hz, f₀ = Eigenfrequenz in Hz, A₀ = Schwingungsamplitude in m, Q = Güte). Durch diese thermodynamischen Gründe ergibt sich eine Komplikation für die Messung des Krafigradienten: die Schwingungsamplitude kann nicht beliebig klein gemacht werden. Der mittlere Abstand Spitze - Oberfläche kann nicht kleiner werden als die Schwingungsamplitude. Deshalb muß man in der Praxis für die optimale Schwingungsamplitude einen Mittelweg finden zwischen Rauschen der Frequenzmessung bei zu kleiner Amplitude und zu großem mittleren Abstand bei zu großer Amplitude.

Für die minimal erreichbare Auflösung gibt es neben Gl. 6 noch zwei weitere Kriterien, die den Zusammenhang zwischen Federkonstante des Kraftsensors und erreichbarer Auflösung betreffen. Gemäß Gleichung (4) resultiert die Wechselwirkung Spitze-Oberfläche in einem negativen k', damit wird die Schwingungsfrequenz durch die Wechselwirkung kleiner als die Eigenfrequenz des Federlelements. Wichtig für den Betrieb ist, daß k' kleiner sein muß als k₀, sonst schnappt die Spitze an die Oberfläche und kann nicht mehr frei schwingen. Die laterale Auflösung des Mikroskops liegt in der Größenordnung des Arbeitsabstandes, d. h. bei vorgegebener Auflösung λ ergibt sich eine Schranke für die Kraftkonstante (Stabilitätsbedingung):

k₀ < 12AR λ^-3 (Gl. 7)

Insbesondere ergibt sich bereits bei einem Spitzenradius von 100 nm und einer Auflösung von 1 nm, d. h. von etwa drei Atomdurchmessern, daß die Kraftkonstante des Federelements größer als 120 N/m sein muß. Dieser Wert errechnet sich aus Gleichung (4). Das zweite Kriterium betrifft eine obere Schranke für die Kraftkonstante. Durch die Wechselwirkung Spitze - Oberfläche wird letztere deformiert. Unter der Annahme, daß die Krafteinleitung auf die Oberfläche über eine Halbkugel mit Radius λ/2 im Volumen unter der Oberfläche eine Dehnung ε verursacht, kann man eine Federkonstante der Oberfläche definieren:

k_Oberfläche = 2 λ E (Gl. 8)

Dabei ist λ die Auflösung und E die Elastizitätskonstante (für Stahl gilt z. B. E = 2 × 10¹¹ N/m²). Wenn die Federkonstante der Oberfläche größer ist als k₀, beult sich die Oberfläche stärker aus als sich die Feder verbiegt. Für eine gewünschte Auflösung von 10 Nanometern sollte k₀ nicht größer als 4000 N/m sein.

Eine gattungsgemäßes Verfahren zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche gemäß dem Obergriff von Anspruch 7 ist beispielsweise aus F. J. Giessibl, Science 267, 68 (1995), Y. Sugawara et al., Science 270, 1646 (1995) bekannt.

Der attraktive Modus konnte bereits so empfindlich betrieben werden, daß damit erstmals atomare Auflösung auf einem Halbleiter nachgewiesen werden konnte (F. J. Giessibl, Science 267, 68 (1995), Y. Sugawara et al., Science 270, 1646 (1995)). Dieser Modus ist sehr viel komplizierter zu betreiben als der repulsive Modus. Die Wechselwirkungskonstante k' ist stark vom Arbeitsabstand abhängig. Es wurde direkt die Frequenzverschiebung als Regelgröße verwendet. Damit hängt die Schleifenverstärkung des Regelkreises Frequenzverschiebung - Abstand ebenfalls empfindlich vom Arbeitsabstand ab. Das führt beim FM Modus schnell zu Instabilitäten und somit zu einem unzuverlässigen Betrieb.

Die Biegung der Blattfeder wurde bisher entweder durch einen Lichtstrahl, der auf die Feder gerichtet und reflektiert wird, oder durch einen aufgebrachten Widerstand, der seinen Wert durch die Biegung ändert (piezoresistiver Effekt) oder durch eine durch die Biegung erzeugte Spannung (piezoelektrischer Effekt), gemessen. Dazu werden aus Silizium mikrofabrizierte Kraftfedern verwendet mit Federkonstanten um 10 Newton/m und Spitzenkrümmungsradien von einigen Nanometern (M. Tortonese et al. Appl. Phys. Lett. 62, 834 (1993). Die Federn werden dabei durch Piezoplättchen zum Schwingen angeregt.

Nachteilig ist dabei, daß diese bekannten Anordnungen eine nahezu atomar scharfe Spitze erfordert, um eine atomare Auflösung zu erreichen. Eine leichte Berührung der abzutastenden Oberfläche durch die Spitze kann den Spitzenradius so vergrößern, daß ein stabiler Betrieb nicht mehr möglich ist. Außerdem muß für eine gute Funktion der mechanische Kontakt zwischen Kraftsensor und Piezoplättchen sehr fest sein. Dies ist aber oft ein Problem - die Zuverlässigkeit leidet und das Rauschen wird erhöht. Außerdem verursacht die mechanische Verbindung eine schwer vorhersagbare Phasenverschiebung. Deshalb muß in der Kontrollelektronik die Phasenverschiebung nachstellbar sein, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet. Ein weiterer Nachteil ist, daß diese Sensoren nur im Vakuum einsetzbar sind, weil die mechanische Güte dieser Sensoren an Luft zu klein ist, um damit eine hohe Auflösung zu erreichen (Gl. 6).

Aus K. Bartzke et al., International Journal of Optoelectronics 8, Nos. 5/6, 669-676, 1993, ist ein Sensor bekannt, bei welchem das Federelement des Sensors aus einem Quarzstab mit einer Länge von 2 mm besteht, der lithographisch aus einem Quarzplättchen hergestellt wird und eine Federkonstante in Stablängsrichtung von etwa 100000 N/m aufweist. Auf der Stirnfläche des Stabs wird mittels Elektronenstrahl-induzierter Abscheidung in einem Rasterelektronenmikroskop eine Spitze mit einer Länge von 3 µm und einem Durchmesser von 300 nm aufgebracht. Der Sensor ist an einer piezolektrischen Verstelleinheit befestigt, wobei der Quarzstab senkrecht zur abzutastenden Oberfläche orientiert ist. Der Quarzstab bildet einen durch ein externes Spannungssignal piezoelektrisch erregten Oszillator, der in Längsrichtung des Stabs mit einer Amplitude von einigen Nanometerm bei einer Resonanzfrequenz von 1 MHz schwingt. Der Sensor wird in einem Mischmodus betrieben, der zwischen einem rein attraktiven und rein repulsiven Modus liegt. Die sich aus der Wechselwirkung von Spitze und Oberfläche ergebende Änderung der Schwingungsphase gegenüber dem Erregungssignal wird zur Abstandsregelung der Spitze verwendet.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß die Fremderregung zusätzliche Bauteile erfordert und die Verwendung eines vertikalen Quarzstabs impliziert, daß die Steifigkeit der Feder in der x-y Ebene weit geringer ist als in der z-Richtung, d. h. bei einer lateralen Kraftkomponente wird der Sensor parallel zur Ebene ausgelenkt. Ein weiterer Nachteil ist die extrem hohe Federkonstante (siehe Gl. 8).

Eine gattungsgemäße Abtastvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus US 5 212 987 bekannt. Dabei handelt es sich um eine Abtastvorrichtung für ein akustisches Nahfeldmikroskop, wobei die Spitze mittels eines Koppelmediums, z. B. Luft, akustisch mit der abzutastenden Oberfläche gekoppelt ist. Die Stimmgabel ist mit der Oberseite ihres Basisteils an der Verstelleinheit befestigt, wobei die obere Federzunge an ihrem freien Ende mit einem Gegengewicht versehen ist und frei schwingt. Die Stimmgabel besteht aus einem piezolelektrischen Quarzkristall mit einer Resonanzfrequenz von 32 kHz und wird mittels zweier an dem oberen bzw. dem unteren Ende des Basisteils angebrachten Elektroden in einem Selbsterregungsmodus betrieben, wobei der minimale Abstand zwischen Spitze und abzutastender Oberfläche 50 nm nicht unterschreitet und eine maximale laterale Auflösung von 50 nm erzielt wird. Beim Abtasten wird der Abstand zwischen Spitze und abzutastender Oberfläche so geregelt, daß entweder die Schwingungsamplitude oder die Resonanzfrequenz konstant bleibt, wobei aus dem Signal zum entsprechenden Einstellen des Abstands das Oberflächenprofil der abgetasteten Oberfläche ermittelt wird.

Aus US 5 537 863 ist ein Rasterkraftmikroskop bekannt, bei welchem eine horizontale Schwinge an der Unterseite ihres freien Endes mit einer Spitze versehen ist. In die Schwinge ist eine Schicht eingearbeitet, derem Impedanz sich in der Nähe der Resonanzfrequenz der Schwinge stark ändert. Die Schwinge wird mit einer konstanten Frequenz nahe der Resonanzfrequenz der Schwinge angeregt, wobei die Impedanz der Impedanzschicht gemessen wird. Der Abstand zwischen Spitze und Oberfläche wird so geregelt, daß die Impedanz der Schicht und damit die von der Kraftwirkung zwischen Spitze und Oberfläche beeinflußte Resonanzfrequenz der Schwinge konstant bleibt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftmikroskopiesensor zu schaffen, der die oben genannten Nachteile vermeidet und dennoch einfach und kostengünstig herzustellen ist, eine hohe Auflösung im atomaren Bereich erlaubt und zuverlässig im Betrieb ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Abtasten einer Oberfläche mit einem Sensor zu schaffen, das die oben genannten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche gemäß Anspruch 7.

In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 8 ist vorgesehen, daß der erfaßte Schwingungsparameter die Schwingungsfrequenz ist.

Ferner ist dabei bevorzugt ein Regelkreis zur Abstandsregelung vorgesehen, der analog ausgeführt ist, wobei das abgeleitete Signal aus dem Logarithmus der Änderung des Schwingungssignals gebildet wird und vorzugsweise ein logarithmischer Verstärker zur Verstärkung der Änderung des Schwingungssignals verwendet wird. Dies stellt eine einfache Lösung zur Linearisierung des Regelkreises dar.

Ferner ist dabei bevorzugt vorgesehen, daß das Schwingungssignal zugleich zur Regelung des Abstands der Spitze von der abzutastenden Oberfläche verwendet wird. Dies erlaubt eine möglichst einfache Ausbildung einer Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Sensor zum Abtasten einer Oberfläche;

Fig. 2 schematisch einen erfindungsgemäßen Regelkreis zum Betrieb des Sensors aus Fig. 1 in drei alternativen Ausführungsformen;

Fig. 3 eine Schaltung zur erfindungsgemäßen Schwingungsanregung eines Sensors in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 4 eine Schaltung zur erfindungsgemäßen Schwingungsanregung eines Sensors in einer zweiten Ausführungsform; und

Fig. 5 schematisch eine Anordung zur erfindungsgemäßen Schwingungsanregung eines Sensors in einer dritten Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Sensor 10 für ein Kraftmikroskop zum berührungslosen Abtasten von Oberflächen aus einem Federelement 11, das in Form einer Stimmgabel mit zwei Federzungen 12 bzw. 13 und einem diese Federzungen verbindenden Basisteil 14 ausgebildet ist, und einer Spitze 15. Die Spitze 15 ist vorzugsweise elektrisch leitend ausgebildet.

Das Federelement 11 ist mit der Oberseite 20 der oberen Federzunge 12 an einer Verstelleinheit 16 befestigt. Die Verstelleinheit 16 ist in üblicher Weise aus drei Piezoelementen zur Höhenverstellung bzw. zur lateralen Verstellung aufgebaut (nicht dargestellt). Das Federelement ist so orientiert, daß die Federzungen 12, 13 parallel zu einer abzutastenden Oberfläche 17 orientiert ist, wobei die Federzungen 12, 13 vertikal übereinander liegen. Die Spitze 15 ist an dem Vorderende 18 an der der abzutastenden Oberfläche 17 zugewandten Seite 19 der unteren Federzunge 13 angebracht.

Das Federelement 11 ist vorzugsweise als Quarz-Stimmgabel ausgebildet. Dabei kann beispielsweise ein handelsüblicher Uhren-Quarz mit einer Resonanzfrequenz f₀ = 32768 Hz verwendet werden. Die Spitze 15 ist vorzugsweise eine geätzte Wolframspitze mit einem Spitzenradius von R = 50 nm. Derartige Spitzen werden in der Rastertunnelmikroskopie verwendet. Das elektrische Potential der Spitze ist von dem elektrischen Potential der Federzungen 12, 13, d. h. dem Federelement, getrennt. Die Spitze wird mit vorzugsweise mit einem speziellen im Handel erhältlichen Zweikomponentenkleber auf die Zunge aufgeklebt. Der elektrische Anschluß der Spitze läßt sich durch Aufbringen eines Anschlusses mit Leitsilber erreichen. Alternativ kann die Spitze auch isoliert bleiben oder mit Leitsilber mit einer der beiden Zungenelektroden 12, 13 verbunden werden. Alternativ kann die Spitze auch durch elektronenmikroskopische Abscheidung hergestellt werden, wie es beispielsweise aus K. Bartzke et al., International Journal of Optoelectronics 8, Nos. 5/6, 669-676, 1993, bekannt ist.

Für die U-förmige Stimmgabelgeometrie läßt sich in Mechanik-Lehrbüchern nachschlagen, daß die Federkonstante k durch

k = Ewt³/(4L³) (Gl. 9)

mit E = Elastizitätsmodul 7.87 10¹⁰ N/m², w = Weite der Stimmgabel = 0.4 mm, t = Dicke = 0.6 mm und L = Länge der Federzungen = 4 mm und f₀ durch

f₀ = 1/(2π)1,0150t/L²(E/ρ)^0.5 (Gl. 10)

mit Parametern wie oben und ρ = Dichte = 2650 kg/m³ gegeben sind. Die Federkonstante von handelsüblichen 32768 Hz Quarzstimmgabeln ist damit ca. 26200 N/m. Diese Federkonstante bzw. diese Resonanzfrequenz gelten für eine Schwingung der Federzungen quer zu ihrer Längsrichtung in der Ebene, in der die beiden Federzungen liegen.

Bei einer Federkonstante von 26200 N/m erreicht der Sensor somit nach Gl. 8 eine Auflösung von 60 nm. Die hohe Steifigkeit erlaubt einen wesentlich stabileren Betrieb als mit den typischerweise bei der FM-noncontact Methode verwendeten Federelementen mit Federkonstanten um 10 N/m. Außerdem können zwischen Spitze und Oberfläche sehr viel größere Kräfte wirken, wie es für zukünftige Anwendungen wie Sputtern etc. benötigt wird. Die geometrischen Parameter können auch verändert werden, um kleinere Federkonstanten und damit höhere Auflösungen zu erreichen. So sind im Handel auch Stimmgabeln mit einer Federkonstante von ca. 4000 N/m erhältlich. Damit erreicht man eine Auflösung von mindestens 10 nm.

Die erwähnte starke Abhängigkeit der Wechselwirkungskonstante k' von dem Abstand zwischen Spitze und Oberfläche kann durch Linearisieren des Regelkreises zumindest zum Teil kompensiert werden. Der Regelkreis zum Regeln des Abstands in Abhängigkeit von der Frequenzverschiebung kann digital oder analog ausgeführt sein. Bei einem digitalen Regelkreis, wie er schematisch in der obersten Schalterstellung in Fig. 2 dargestellt ist, ermittelt man zunächst die Abhängigkeit der Frequenzverschiebung der Schwingung eines Sensors 10 vom Abstand zwischen Spitze 15 und abzutastender Oberfläche 17 durch Messung. Dabei wird für die Ermittlung der Schwingungsfrequenz ein durch die piezoelektrische Eigenschaft des Quarzmaterials des Federelements 11, d. h. der Stimmgabel, durch die Schwingung des Federelements 11 an dem Oszillatorausgang (OSC) erzeugtes Spannungssignal abgegriffen, das durch einen Verstärker verstärkt wird. Das verstärkte Spannungssignal wird in einen FM Demodulator (PLL), z. B. einen im Handel erhältlichen Phase-Locked-Loop (PLL)-Baustein eingespeist. Der PLL-Baustein wird auf bekannte Weise so beschaltet (siehe Datenblatt des PLL-Bausteins), daß seine Ruhefrequenz der Eigenfrequenz des Schwingquarzes entspricht (beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 gilt f = 32768 Hz) und die Einfangbandbreite ca. 100 Hz beträgt. Der Ausgang des PLL-Bausteines liefert ein Signal U_PLL, welches proportional der Frequenzverschiebung Δf ist:

U_PLL = 1 V Δf/100 Hz (Gl. 11).

Folgende Tabelle zeigt für einen Abstandsbereich von 0.2 nm bis 1.2 nm die attraktive Kraft zwischen Spitze und Probe, die Ableitung ∂F/∂z, die daraus berechnete Frequenzverschiebung Δf und die Ableitungen von Δf und log(-Δf/fo) nach z. Dabei wurden die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel geltenden Materialparameter verwendet:

Die Ableitung des Regelsignals nach z geht in die Schleifenverstärkung des Regelkreises ein. Man erkennt aber auch ein eingangs bereits genanntes Problem des FM Modes: die Frequenzverschiebung Δf hängt stark nichtlinear vom Abstand ab: bei einem Abstand von 0.3 nm ändert sich die Frequenz um 35.8 Hz/nm, bei z = 1.2 nm nur mehr um 0.1 Hz./nm. Damit ist die FM Methode bei einem Abstand von 0.2 nm 300x so empfindlich wie bei einem Abstand von 1.2 nm.

Für eine gute Funktion des Abbildungsverfahrens muß das Fehlersignal linearisiert werden. Dafür bieten sich drei Möglichkeiten an, die in Fig. 2 dargestellt sind:

1. Digitale Regelung (DiRe): Der Abstand zwischen Spitze und Oberfläche wird in einem festgelegten Bereich durchfahren, während die sich bei bestimmten Abstandswerten ergebenden Schwingungsfrequenzen aus dem durch einen A/D-Wandler digitalisierten Spannungssignal U_PLL durch einen Prozessor ermittelt werden und in einem Speicherelement abgespeichert werden. Zwischen den einzelnen Meßwerten wird interpoliert, so daß die funktionale Abhängigkeit der Schwingungsfrequenz des Sensors von dem Abstand zwischen Spitze und Oberfläche näherungsweise ermittelt wird. Sodann wird mittels des Prozessors die Umkehrfunktion daraus berechnet. Für die Berechnung der Regelabweichung mittels des Prozessors wird schließlich diese so ermittelte Umkehrfunktion verwendet. Anstelle der direkten Frequenzabweichung der Sensorschwingung vom Sollwert wird somit ein aus der ermittelten Umkehrfunktion errechneter Wert verwendet und über einen D/A-Wandler in ein Analogsignal umgewandelt. Dieses Signal wird von einem Verstärker HVA verstärkt und dem Eingang der Höhenverstellung des Verstellelements 16 zugeführt.
2. Analoge Lösung mit logarithmischem Verstärker (logV): Die Ableitung des Logarithmus der Frequenzverschiebung ist bei 0,3 nm nur fünfmal so groß wie bei 1,2 nm. Damit ist der Regelkreis bei Verwendung der logarithmierten Frequenzverschiebung sehr viel stabiler. Dabei wird das Ausgangssignal U_PLL des PLL-Bausteins in einen logarithmischen Verstärker eingespeist und liefert damit das gewünschte Ausgangssignal
U_LAV = log(-Δf/f₀) (Gl. 11)
3. Analoge Lösung (Exp): Es wird ein Exponenzierer verwendet, wie er im Handel angeboten wird. Nach Gleichung 5 ist die Frequenzverschiebung proportional zum Inversen der dritten Potenz des Abstandes. Damit ist der Abstand proportional zum Inversen der dritten Wurzel der Frequenzverschiebung. Der Baustein läßt sich so beschalten, daß der Ausgang gleich dem Inversen der dritten Potenz des Eingangs ist.

In Fig. 2 sind schematische Schaltungen für diese drei Ausführungsformen veranschaulicht, bei den analogen Lösungen wird auch die Regelung analog ausgeführt, vorzugsweise mit einem Integralregler (AnRe).

Der Sensor wird in einem selbsterregten Modus betrieben. Für die Schwingungsanregung des Sensors bestehen dabei mehrere Möglichkeiten, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, daß sich unabhängig vom Detektionsmodus (z. B. Lichtzeiger, piezoresistiv, piezoelektrisch) der Schwingungsfrequenz das Federelement auch durch die Umkehrung der Detektion beeinflussen läßt. Beim Lichtzeiger-Modus läßt sich das Federelement durch eine Modulation des Lichtes mit der Eigenfrequenz des Federelements anregen (Impulsübertrag der Photonen bei der Reflexion). Besonders einfach ist das Autovibrationsverfahren bei elektrischer Detektion (piezoresitiv, piezoelektrisch). Dann braucht nur die Brückenspannung bzw. die an der Stimmgabel anliegende Spannung als Oszillatorschaltung verwendet werden.

Bei der piezoelektrischen Ausführung wird das Federelement als Bestandteil eines Quarz- Oszillators beschaltet, wie dies schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Der Schwingungskreis besteht dabei aus dem Spannungsabgriff an dem Basisteil 14 des Federelements 11, dem Operationsverstärker OPA und einem Widerstandsnetzwerk R1-R4, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Dioden D1 und D2 begrenzen die Amplitude der Sensorschwingung. Durch Wahl der Durchlaßspannung dieser Dioden läßt sich die Amplitude bestimmen. Erfahrungsgemäß funktioniert die Selbsterregung umso besser, je höher die Güte Q des Sensors ist. Ein Wert um Q = 1000 stellt dabei eine praktische untere Grenze dar.

Piezoresistive Sensoren lassen sich ebenfalls selbsterregt betreiben. Sie bestehen aus einem V- förmigen Federelement von einigen Mikrometern Dicke. Auf einer Seite sind sie stark dotiert und deshalb leitfähig. Piezoresistive Federelemente ändern ihren Widerstand, wenn sie gebogen werden. Stromfluß durch das Federelement verursacht Verlustwärme und damit eine Biegung. Damit ergibt sich bei piezoresistiven Kraftfedern eine Rückkoppelmöglichkeit über den Widerstandspfad des Federelements.

Eine Beschaltungsmöglichkeit eines piezoresistiven Sensors ist in Fig. 4 dargestellt. Zur Messung der Biegung wird das piezoresistive Federelement VR in eine Wheatstone-Brücke mit den Widerständen R1, R2 und R3 eingebaut. Das Ausgangssignal der Brücke wird über einen Verstärker V verstärkt. Speist man den Wechselspannungsanteil dieses verstärkten Ausgangssignals über den Kondensator C in die Brückenspeisespannung mit geeigneter Phasenverschiebung über einen Phasenschieber PS ein, so kann man das Federelement mit seiner Eigenfrequenz zum Schwingen bringen. Die Induktivität L1 verhindert, daß das rückgekoppelte Ausgangssignal mit der Brückenspeisespannungsquelle U₀ kurzgeschlossen wird. Das Spannungssignal für die Regelung der Höhenverstellung des Sensors, d. h. das Eingangssigal für den Demodulator, wird an dem Ausgang des Verstärkers V abgegriffen.

Bei der Messung der Biegung durch einen Lichtzeiger wird ein Laserstrahl S1 aus einem Laser L auf ein Federelement F gerichtet. Der reflektierte Strahl S2 fällt auf einen zweigeteilten Detektor D. Wenn sich das Federelement biegt, ändert sich das Verhältnis der auf den Detektor fallenden Lichtintensitäten. Das Differenzsignal wird verstärkt und moduliert mit geeigneter Phasenverschiebung über einen Modulator M die Intensität des Laserstrahls. Durch den Impulsübertrag der Photonen wird das Federelement gebogen, was wiederum das Detektorsignal verstärkt.

Obwohl es im allgemeinen vorteilhaft sein wird, zur Selbsterregung der Sensorschwingung und zur Detektion der Schwingungsfrequenz für die Abstandsregelung dasselbe Signal zu verwenden, ist dies jedoch kein Zwangsmerkmal der vorliegenden Erfindung. So kann beispielsweise zur Selbsterregung eines piezoelektrischen Federelements die durch die periodische Deformation des Federelements erzeugte Spannung verwendet werden, während zur Detektion der Schwingungsfrequenz das Lichtzeiger-Verfahren verwendet werden kann.

Ferner kann das Verfahren zur Linearisierung des Regelkreises gemäß Anspruch 7 vorteilhaft auch mit anderen Sensoren als einem erfindungsgemäßen Sensor gemäß Anspruch 1 verwendet werden, beispielsweise mit herkömmlichen Sensoren, wie sie eingangs bei der Würdigung des Stands der Technik beschrieben sind. Ebensowenig ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors gemäß Anspruch 1 an den Einsatz der erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 7 gebunden.

Claims

1. Vorrichtung zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche (17), mit einer Verstelleinheit (16) und einem Sensor (10) mit einer Stimmgabel (11), die zwei durch ein Basisteil (14) verbundene Federzungen (12, 13) aufweist und so angeordnet ist, daß die beiden Federzungen im wesentlichen parallel zur abzutastenden Oberfläche orientiert sind, und einer unten an dem vorderen Ende der unteren Federzunge (13) angebrachten Spitze (15), wobei die Stimmgabel eine Güte von mindestens etwa 1000 in Luft für eine Schwingung senkrecht zu seiner Längsachse und senkrecht zu der abzutastenden Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimmgabel (11) mit der Oberseite (20) der oberen Federzunge (12) an der Verstelleinheit (16) befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimmgabel (11) aus einem piezoelektrischen Material besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimmgabel (11) aus Quarz besteht.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimmgabel (11) für eine Auslenkung senkrecht zu seiner Längsachse und senkrecht zu der abzutastenden Oberfläche (17) eine Federkonstante zwischen 100 N/m und 100000 N/m aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (15) bezüglich des Federelements (11) potentialgetrennt ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (15) aus geätztem Wolframdraht besteht.

7. Verfahren zum berührungslosen Abtasten einer Oberfläche (17) mittels einer Vorrichtung mit einem Sensor (10) mit einem langgestreckten Federelement (11) und einer daran angebrachten Spitze (15), wobei der Sensor in eine resonante Schwingung versetzt wird, mindestens ein Schwingungsparameter als Schwingungssignal erfaßt wird und die sich aus der Kraftwirkung zwischen Spitze und abzutastender Oberfläche ergebende Änderung des Signals zur Regelung des Abstands zwischen abzutastender Oberfläche und Spitze verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangssignal der Abstandsregelung ein aus der Änderung des Schwingungssignals abgeleitetes Signal verwendet wird, dessen Abhängigkeit von dem Abstand zwischen Spitze (15) und abzutastender Oberfläche (17) stärker linear als die entsprechende Abhängigkeit des Schwingungssignals ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erfaßte Schwingungsparameter die Schwingungsfrequenz ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis zur Abstandsregelung vorgesehen ist, der digital ausgeführt ist, und vor Beginn des Regelungsbetriebs die Abhängigkeit der Änderung des Schwingungssignals von dem Abstand zwischen Spitze (15) und abzutastender Oberfläche (17) gemessen und abgespeichert wird und im Regelungsbetrieb aus der Umkehrfunktion dieser Abstandsabhängigkeit das abgeleitete Signal gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis zur Abstandsregelung vorgesehen ist, der analog ausgeführt ist, und das abgeleitete Signal aus dem Logarithmus der Änderung des Schwingungssignals gebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein logarithmischer Verstärker zur Verstärkung der Änderung des Schwingungssignals verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis zur Abstandsregelung vorgesehen ist, der analog ausgeführt ist und einen Exponenziererbaustein enthält, an dessen Eingang ein der Änderung der Schwingungsfrequenz entsprechendes Signal anliegt und der so beschaltet ist, daß sein Ausgang gleich dem Inversen der dritten Potenz des Eingangs ist, wobei das Ausgangssignal das abgeleitete Signal bildet.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.