DE3732426A1

DE3732426A1 - In ein elektronenmikroskop eingebautes rastertunnelmikroskop

Info

Publication number: DE3732426A1
Application number: DE19873732426
Authority: DE
Inventors: Yasumichi Miyazaki; Yasunori Koga
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1986-09-26
Filing date: 1987-09-25
Publication date: 1988-04-07
Also published as: US4798989A; GB2232294B; DE3732426C2; GB2232294A; GB9014054D0; GB8722573D0; GB2197752A; GB2197752B

Description

Die Erfindung betrifft ein Rastertunnelmikroskop zum Messen der Wellung auf der Oberfläche einer Probe unter Verwendung eines Tunnelstromes und insbesondere ein Rastertunnelmikro skop, das in Verbindung mit einem Rasterelektronenmikroskop verwendbar ist.

Ein Rastertunnelmikroskop, dessen Auflösung in der Größen ordnung von Nanometern liegt, wurde erst vor kurzem entwic kelt und es gewinnt zunehmend auf den verschiedensten Ge bieten, wie Präzisionsbearbeitung, Supraleitung, Medizin und Biologie ganz abgesehen von der Oberflächenphysik an Bedeu tung.

Ein Rastertunnelmikroskop ist derart beschaffen und aus gelegt, daß man die Wellung auf der Oberfläche einer Probe unter Verwendung eines Tunnelstromes beobachten kann. Wenn eine aus Wolfram oder einem ähnlichen Ma terial hergestellte Sonde, die an ihrer Spitze in der Größenordnung auf 1 Mikrometer poliert ist, nahe an die Oberfläche einer gereinigten Probe, wie z. B. eines Sili ciumkristalls, bis zu einem Abstand in der Größenordnung von 1 Nanometer gebracht wird und dann eine Vorspannung von einigen Millivolt oder einigen Volt an die Anordnung aus Sonde und Probe angelegt wird, wird bewirkt, daß ein Tunnelstrom zwischen diesen fließt. Der Tunnelstrom ist stark von dem Abstand zwischen der Sonde und der Proben oberfläche abhängig und verändert sich exponentiell mit dem Abstand. Wenn die Sonde somit längs der Probenober fläche bewegt wird und zugleich die Position der Sonde derart gesteuert wird, daß der Strom konstant bleibt (in der Größenordnung von 10^-10 bis 10^-7 Ampere) läßt sich jegliche Änderung der Höhe der Probenoberfläche unter Ver wendung des Steuersignals bestimmen. Wenn man die Sonde in eine X- und eine Y-Richtung, d. h. zweidimensional, über die Probenoberfläche bewegt, läßt sich ein dreidimensiona les Bild der Probenoberfläche erzeugen.

Ein Mikroskop der vorstehend genannten Art kann die Wel lungen auf einer Probenoberfläche mit einer Genauigkeit messen, die in vertikaler Richtung 0,01 Nanometer und in horizontaler Richtung 0,2 bis 0,3 Nanometer beträgt, ohne die Probe zu zerstören.

Eine Voraussetzung bei einem Rastertunnelmikroskop ist, daß seine Sonde äußerst genau in drei verschiedenen Rich tungen, d. h. in X-, Y- und Z-Richtung, bewegt werden muß. Üblicherweise wird eine solche genaue Bewegung mit einer Betätigung eines piezoelektrischen Elementes erzielt, das ein Laminat aus einigen zehnergestuften piezoelektrischen Keramikteilen aufweist, die parallel verbunden sind. Die ses piezoelektrische Element ist proportional zu einer Spannung verformbar, die von außen angelegt wird und es ermöglicht die Steuerung bis zu einigen Mikrometern unter Verwendung einer relativ niedrigen Spannung von etwa 100 Volt.

Ein Rastertunnelmikroskop mit einer Sondenbewegungseinrich tung mit einem piezoelektrischen Element der vorstehend genannten Art hat den Nachteil, daß der Abtastbereich be grenzt ist. Hierdurch wird beispielsweise verhindert, daß man die Struktur der Anordnung von Schritten einer einato migen Schicht betrachten kann, obgleich die Schritte selbst zu betrachten sind. Auf dem Gebiet der Kristallographie andererseits läßt sich die Art und Weise verstehen, mit der sich stufenweise die Struktur einer einatomigen Schicht er gibt und dieses Verständnis ist von großer Bedeutung.

Daher besteht ein zunehmendes Bedürfnis nach einer kombi nierten Verwendung eines Rastertunnelmikroskops und eines Rasterelektronenmikroskops. Die kombinierte Verwendung ist derart, daß die Abfolge der Schritte sich durch ein Elek tronenmikroskop beobachten läßt und anschließend die schritt weise erhaltene Struktur in derselben Position ein und der selben Probe durch ein Tunnelmikroskop beobachtet wird. Um dies zu erreichen, muß ein Tunnelmikroskop in einer Pro benkammer eines Elektronenmikroskops aufgenommen werden. Die Unterbringung eines Tunnelmikroskops in einer Proben kammer eines Elektronenmikroskops war bisher jedoch unprak tisch, da das zuerst genannte für die unabhängige Anwendung ausgelegt ist und große Abmessungen hat, um den Einfluß von Vibrationen und jener der Temperaturabweichung und an derer wärmetechnischer Einflußgrößen zu minimalisieren.

Ferner enthält die Sondenbewegungseinrichtung eines übli chen Rastertunnelmikroskops im allgemeinen drei piezoelek trische Elemente, von denen jeweils eines einer der X-, Y- und Z-Richtungen zugeordnet sind. Die piezoelektri schen Elemente sind in einer Dreifußkonfiguration ange ordnet und eine Sonde ist an der Spitze des Dreifußes an gebracht und ihre Position muß dreidimensional gesteuert werden. Eine Schwierigkeit bei dieser Auslegung, bei der drei piezoelektrische Elemente einfach miteinander kom biniert werden, ist darin zu sehen, daß, wenn eines der selben sich zusammenzieht oder expandiert, die anderen sich ebenfalls verformen, wodurch die Positionssteuerung ungenau wird.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen wurde eine Auslegung vorgeschlagen, bei der sechs X-richtungs piezoelektrische Elemente und sechs Y-richtungspiezoelek trische Elemente in Form einer Gitterstruktur verknüpft werden und eine Sonde an der Mitte unter Zwischenlage eines Z-richtungspiezoelektrischen Elements angebracht ist. Die gesamte Anordnung ist auf vier Z-richtungspiezoelektrischen Elementen gelagert. Diese Bauart ermöglicht, daß die Sonde in irgendeine der X-, Y- und Z-Richtungen bewegt werden kann, wobei die Position der Steuerung erleichtert wird. Wenn jedoch eine solche Sondenbewegungseinrichtung sich in einer Probenkammer eines Elektronenmikroskops befindet, stellen die zahlreichen piezoelektrischen Elemente, die ober halb der Sonde angeordnet sind, ein Hindernis für einen Elektronenstrahl dar, der auf eine Probenoberfläche gerich tet wird, die der Spitze der Sonde gegenüberliegt oder für Sekundärelektronen, die aus der zu detektierenden Probe aus treten. Insbesondere ist es unmöglich, jenen Bereich einer Probe zu betrachten, der durch ein Rastertunnelmikroskop betrachtet wird, wobei dieser Bereich nicht durch ein Raster elektronenmikroskop betrachtet werden kann.

Wenn ein Tunnelmikroskop verwendet wird, um eine Probe zu betrachten, ist es notwendig, daß der Abstand zwischen einer Sonde und einer Probenoberfläche zuvor auf einen solchen eingestellt werden muß, der ermöglicht, daß ein Tunnelstrom fließen kann. In üblicher Weise wird dies da durch erreicht, daß man eine Plattform bewegt, auf die eine Probe gelegt ist. Die Plattform wird auch bewegt, wenn es erwünscht ist, die Beobachtungsposition einer Probe zu verändern. Zur Bewegung der Plattform wurden me chanische Einrichtungen, wie eine Vorschubspindeleinrich tung oder eine Schrägrollenführungseinrichtung verwendet. Mechanische Einrichtungen jedoch können nicht den Totgang, die Kreuzkupplung und andere Erscheinungen eliminieren, die nachteilig für die Genauigkeit der Positionssteuerung sind. Insbesondere bei einem Tunnelmikroskop der vorstehend beschriebenen Art ist eine Positionssteuerung in der Grö ßenordnung von Nanometern erforderlich, was sich im all gemeinen mit einer mechanischen Einrichtung nicht erzie len läßt.

Daher war es üblich, eine Plattform eines Tunnelmikroskops mit Hilfe einer mechanischen Probenbewegungseinrichtung zu bewegen und dann eine Sonde unter Verwendung einer Son denbewegungseinrichtung mittels Feineinstellung zu bewegen, die ein piezoelektrisches Element enthält. Da trotz allem das Expandieren und das Zusammenziehen eines piezoelektri schen Elementes extrem kurz ist, ist es sehr schwierig, eine Probe auf einen Bereich zu fixieren, in dem die Sonden bewegungseinrichtung eine Positionierung ermöglicht. Wenn ferner die Positionszuordnung zwischen der Sonde und der Probe durch die Sondenbewegungseinrichtung, wie vorstehend angegeben, bestimmt ist, wird der zur Verfügung stehende Abtastbereich um eine Größe vermindert, die der Bewegung der Sonde entspricht. Obgleich die Probenbewegungseinrich tung mit einem piezoelektrischen Element ausgestattet sein kann, indem einfach bewirkt wird, daß das piezoelektrische Element die Plattform bewegt, so ergibt sich jedoch hier bei der Mangel an der Bereitstellung eines ausreichenden Bewegungsweges und daher ergeben sich Schwierigkeiten bei der Aufnahme von Proben unterschiedlicher Dicken.

Die Erfindung zielt hauptsächlich darauf ab, eine solche Auslegung bereitzustellen, daß das Bild ein und derselben Probe an ein und derselben Position leicht sowohl von einem Rasterelektronenmikroskop als auch von einem Raster tunnelmikroskop erstellt werden kann.

Ferner bezweckt die Erfindung, ein Rastertunnelmikroskop bereitzustellen, das in einer Probenkammer eines Elektro nenmikroskops aufgenommen werden kann.

Auch bezweckt die Erfindung, eine Sondenbewegungseinrich tung für ein Rastertunnelmikroskop bereitzustellen, die in Kleinbauweise ausgelegt ist und genau arbeitet.

Ferner zielt die Erfindung darauf ab, die Position einer Plattform mit hoher Genauigkeit zu steuern, und zu ermög lichen, daß die Plattform über einen relativ großen Bewe gungsweg bewegt werden kann.

Ferner bezweckt die Erfindung, eine Probenbewegungsein richtung bereitzustellen, die klein ausgelegt ist und die hinsichtlich der Größe und Richtung der Bewegung selbst mit Hilfe einer Fernsteuerung gesteuert werden kann.

Erfindungsgemäß zeichnet sich hierzu eine Einrichtung da durch aus, daß eine mit einer Probe zu belegende Plattform, eine Sonde zum Detektieren eines zwischen dieser und der Oberfläche der Probe fließenden Tunnelstromes und eine Son denbewegungseinrichtung zur Feineinstellungsbewegung der Sonde vorgesehen sind, die in einer Probenkammer eines Ra sterelektronenmikroskops aufgenommen sind. Jener Bereich der Probenoberfläche, der die Spitze der Sonde zugewandt ist, wird durch einen Elektronenstrahl bestrahlt, der aus einer Objektivlinse eines Elektronenmikroskops austritt.

Ein für die Sondenbewegungseinrichtung bestimmtes Steuer signal wird mit Hilfe eines Bildprozessors verarbeitet.

Bei der vorstehend genannten Auslegung wird bewirkt, daß der Elektronenstrahl zur Abtastung der Probenober fläche ein Bild erzeugt, das mit Hilfe des Elektronen mikroskops abgegriffen wird. Wenn die Sonde über die Pro benoberfläche bewegt wird und die Sondenabtasteinrichtung bzw. Bewegungseinrichtung derart gesteuert wird, daß der Tunnelstrom konstant bleibt, ist ein Bild durch eine Bild verarbeitung des Steuersignals erhältlich, das mit Hilfe des Tunnelmikroskops abgegriffen ist.

Wenn die Plattform- und die Sondenbewegungseinrichtung in der Probenkammer des Elektronenmikroskops aufgenommen sind, dient eine Antivibrationseinrichtung des Elektronen mikroskops dazu, den Einfluß von durch externe Einwirkung entstehende Vibrationen zu unterdrücken. Hierdurch wird die Notwendigkeit eliminiert, daß man eine spezielle Anti vibrationseinrichtung für das Tunnelmikroskop vorsehen muß. Da ferner die Probenkammer des Elektronenmikroskops evakuiert ist, wird der Wärmeeinfluß auf den Sondenteil eliminiert.

Ferner enthält nach der Erfindung eine Sondenbewegungs einrichtung für ein Rastertunnelmikroskop erste X-rich tungspiezoelektrische Elemente, die expandierbar und zu sammenziehbar in einer X-Richtung sind und erste Y-rich tungspiezoelektrische Elemente, die in einer Y-Richtung expandierbar und zusammenziehbar sind. Die X- und Y-rich tungspiezoelektrischen Elemente sind auf eine solche Weise verknüpft, daß vier Seiten eines Vierecks definiert wer den. In X-Richtung bewegliche Blöcke, die in die X-Rich tung durch die X-richtungspiezoelektrischen Elemente be wegbar sind und in Y-Richtung bewegliche Blöcke, die in Y-Richtung durch die Y-richtungspiezoelektrischen Elemente bewegbar sind, tragen jeweils X-Z-Richtungsbewegungsblöcke und Y-Z-Richtungsbewegungsblöcke unter Zwischenlage von jeweils ersten Z-richtungspiezoelektrischen Elementen und zweiten Z-richtungspiezoelektrischen Elementen. Ein Mittel block ist mit den X-Z- und Y-Z-Richtungsbewegungsblöcken jeweils mit Hilfe von zweiten Y-richtungspiezoelektrischen Elementen und zweiten X-richtungspiezoelektrischen Elemen ten verbunden. Eine Sonde ist an dem Mittelblock durch ein piezoelektrisches Steuerelement angebracht, das in Z-Rich tung expandierbar und zusammenziehbar ist. Die ersten und zweiten X-richtungspiezoelektrischen Elemente und die er sten und zweiten Y-richtungspiezoelektrischen Elemente und die ersten und zweiten Z-richtungspiezoelektrischen Ele mente sind individuell expandierbar und zusammenziehbar und zwar unter ein und denselben Bedingungen.

Wenn die ersten und zweiten Z-richtungspiezoelektrischen Elemente expandiert werden oder sich zusammenziehen, wer den die X-Z- und Y-Z-Richtungsbewegungsblöcke in Z-Rich tung gleichzeitig bewegt sowie auch der Mittelblock, wo durch bewirkt wird, daß die Sonde sich in Z-Richtung be wegt. Somit kann die Sonde sehr nahe an eine Probenober fläche gebracht werden, bis ein vorbestimmter Tunnelstrom fließt.

Wenn unter den vorstehend genannten Bedingungen die ersten und zweiten X-richtungspiezoelektrischen Elemente expan diert werden oder sich zusammenziehen, bewegt sich der Mittelblock in X-Richtung zusammen mit und um dieselbe Größe wie die X- und X-Z-Richtungsbewegungsblöcke, wodurch die Sonde in X-Richtung bewegt wird. Dies hat keinen Ein fluß auf die Y- und Z-richtungspiezoelektrischen Elemente.

Durch Expandieren und Zusammenziehen der ersten und zwei ten Y-richtungspiezoelektrischen Elemente ist es möglich, die Sonde in Y-Richtung zu bewegen.

Auf diese Weise ist die Sonde genau in irgendeine der X-, Y- und Z-Richtungen entsprechend den Erfordernissen bewegbar.

Das piezoelektrische Steuerelement wird derart gesteuert, daß der Tunnelstrom konstant gemacht wird, indem die Sonde in X- und Y-Richtung bewegt wird, während die ersten und zweiten Z-richtungspiezoelektrischen Elemente in einer vor bestimmten Länge fixiert sind, so daß die Wellung einer Probenoberfläche in der Größenordnung von der Steuerspannung erfaßbar ist.

Die Sondenbewegungseinrichtung, die von den piezoelektri schen Elementen und den Blöcken der vorstehend genannten Art gebildet wird, ist so klein bemessen, daß sie in der Probenkammer eines Rasterelektronenmikroskops untergebracht werden kann. Darüber hinaus wird ein ausreichender Raum ober halb der Sonde begrenzt, um zu ermöglichen, daß eine der Spitze der Sonde zugewandte Probenoberfläche mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops betrachtet werden kann.

Eine Probenbewegungseinrichtung nach der Erfindung umfaßt eine obere und untere Klemmeinrichtung, die jeweils piezo elektrische Elemente haben, die in X- und Y-Richtungen an geordnet sind. Die oberen und unteren Klemmeinrichtungen sind über ein piezoelektrisches Element miteinander ver bunden, das in Z-Richtung expandierbar und zusammenziehbar ist. Wenn die X- und Y-richtungspiezoelektrischen Elemente expandiert werden, ist die obere und untere Klemmeinrich tung an einer Führung fixiert. Jedes der X- und Y-richtungs piezoelektrischen Elemente weist zwei piezoelektrische Ele mente auf, die in Gegenrichtungen zueinander expandierbar und zusammenziehbar sind.

Eine Plattform ist entweder auf der oberen Klemmeinrich tung oder der Führung vorgesehen. Wenn die Plattform an der oberen Klemmeinrichtung vorgesehen ist, ist die Füh rung an einem Grundteil fixiert und die oberen und unte ren Klemmeinrichtungen sind längs der Führung bewegbar. Wenn die Plattform bzw. der Tisch auf der Führung vorge sehen ist, so ist die Führung bewegbar und die untere Klemmeinrichtung ist an der Basis festgelegt.

Wenn die piezoelektrischen Elemente an der oberen Klemm einrichtung expandiert werden, um die Klemmeinrichtung an der Führung zu fixieren, während zugleich die piezoelek trischen Elemente der unteren Klemmeinrichtung zusammen gezogen werden und das Z-richtungspiezoelektrische Element expandiert oder zusammengezogen wird, ändert sich die re lative Position in der unteren Klemmeinrichtung und der Führung. Wenn dann die untere Klemmeinrichtung an der Füh rung fixiert wird, während zugleich die piezoelektrischen Elemente an der oberen Klemmeinrichtung sich zusammenziehen und das Z-richtungspiezoelektrische Element expandiert oder zusammengezogen wird, ändert sich die relative Position von oberer Klemmeinrichtung und Führung.

Der vorstehend genannte Verfahrensablauf wird wiederholt, wenn die Führung fixiert ist, um die oberen und unteren Klemmeinrichtungen längs der Führung zu bewegen, um hier durch die Plattform bzw. den Tisch zu bewegen, der auf der oberen Klemmeinrichtung vorgesehen ist. Wenn die untere Klemmeinrichtung festgelegt ist, wird die Führung und so mit der daran vorgesehene Schlitten bewegt. Die gesamte Bewegungsgröße des Schlittens hängt von der Länge der Füh rung ab. Somit hat der Schlitten einen ausreichenden Bewe gungsweg, wenn man die Länge der Führung entsprechend ver größert. Zusätzlich ist die Position des Schlittens mit hoher Genauigkeit dadurch steuerbar, daß die Spannung ge steuert wird, die an dem Z-richtungspiezoelektrischen Ele ment anliegt.

Wenn unterschiedliche Spannungen an den paarweise vorge sehenen X- oder Y-richtungspiezoelektrischen Elementen an der oberen und unteren Klemmeinrichtung anliegen, wer den die paarweise vorgesehenen piezoelektrischen Elemente in unterschiedlichem Maße expandiert. Auf diese Weise wird ermöglicht, daß der Schlitten mittels Feineinstellung in X- oder Y-Richtung bewegbar ist, wobei die oberen und unteren Klemmeinrichtungen an der Führung festgelegt sind.

Die Verwendung der piezoelektrischen Elemente für eine Einrichtung zum Bewegen des Schlittens vermindert die Ab messungen der Sondenbewegungseinrichtung und ferner wird hierdurch ermöglicht, daß der Betrag und die Richtung der Bewegung des Schlittens mittels Fernsteuerung gesteuert werden kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevor zugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Darin zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Probenkammer eines Rasterelektronenmikroskops in Schnittansicht, in der ein Rastertunnelmikroskop nach der Er findung angeordnet ist,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Sondenbe wegungseinrichtung, die im Elektronenmikroskop nach Fig. 1 vorgesehen ist,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Sondenbewegungseinrich tung,

Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie IV-IV in Fig. 3 zur Verdeutlichung der Sondenbewegungs einrichtung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer üblichen Sondenbewegungseinrichtung,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung eines beweglichen Körpers einer Probenbewegungs einrichtung, die in dem Mikroskop nach Fig. 1 vorgesehen ist,

Fig. 7 ein schematisches Schaltungsdiagramm für eine Steuereinrichtung zum Steuern der piezoelektri schen Elemente der Probenbewegungseinrichtung, und

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung einer weiteren Ausbildungsform einer Probenbewe gungseinrichtung nach der Erfindung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 hat ein Rasterelektronenmikro skop eine Probenkammer, in der sich ein Grundteil 10 be findet. Das Grundteil 10 ist innerhalb einer X-Y-Ebene be wegbar, die senkrecht zur Zeichenebene nach Fig. 1 ist und der Antrieb erfolgt mit Hilfe einer Sondenpositionier einstelleinrichtung, die aus zwei senkrecht zueinander an geordneten Vorschubspindeleinrichtungen 12 und 14 besteht. Auf dem Grundteil bzw. Basisteil 10 ist eine Probenbewegungs einrichtung 16 angebracht, die von einer zylindrischen Füh rung 18 und einem beweglichen Körper 20 gebildet wird, der in der Führung 18 aufgenommen ist. Piezoelektrische Klemm elemente 22 und 24 sind an einem stationären Teil eines Gestells des Elektronenmikroskops angebracht und derart an geordnet, daß sie die Führung 18 in irgendeiner gewünsch ten Position in der X-Y-Ebene festlegen. Eine Plattform bzw. ein Schlitten 16 ist auf der Oberseite des beweglichen Körpers 20 vorgesehen, der eine Probe 28 darauf trägt.

Eine Sondenbewegungseinrichtung 30 ist an der oberen Fläche der Führung 18 zur Feineinstellung der Position einer Sonde 32 eines Rastertunnelmikroskops in X- und Y-Richtung sowie in Z-Richtung angebracht, die senkrecht zu den X- und Y-Richtungen ist. Die Einrichtung 30 wird von einer Mehrzahl von piezoelektrischen Elementen gebil det, die individuell expandierbar und zusammenziehbar in den Richtungen X, Y und Z sind.

Die Sonde 32 befindet sich in einem Bereich, in dem ihre Spitze durch einen Elektronenstrahl 36 über eine Objektiv linse 34 eines Elektronenmikroskops bestrahlbar ist. Se kundärelektronen 38 werden von der Probe 28 durch den Elek tronenstrahl 36 freigesetzt und sie werden mit Hilfe eines Sekundärelektrodendetektors 40 des Elektronenmikroskops de tektiert.

Wie in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigt ist, umfaßt die Sonden bewegungseinrichtung 30 eine Basis 42, die im allgemeinen eine viereckige Form hat. Blöcke 44, 46, 48 und 50 sind je weils fest an einer der vier Ecken des Grundteils 42 an gebracht. X-Richtungsbewegungsblöcke 52 und 54 sind beweglich zwischen den festen Blöcken 44 und 50 und zwischen den festen Blöcken 46 und 48 jeweils angeordnet, die individuell X-Rich tungsseiten definieren. Der bewegliche Block 52 ist mit den festen Blöcken 44 und 50 mit Hilfe von jeweils X-richtungs piezoelektrischen Elementen X ₁ und X ₂ verbunden, die jeweils in X-Richtung expandier- und zusammenziehbar sind. In ähnli cher Weise ist der bewegliche Block 54 mit den festen Blöc ken 46 und 48 jeweils mit Hilfe von X-richtungspiezoelektri schen Elementen X ₃ und X ₄ verbunden, die in X-Richtung ex pandierbar und zusammenziehbar sind. Alle diese piezoelek trischen Elemente X ₁ bis X ₄ sind untereinander gleich und an ihnen liegt derselbe Spannungspegel an. Jedoch ist die an den piezoelektrischen Elementen X ₁ und X ₃ und die an den piezoelektrischen Elementen X ₂ und X ₄ anliegende Spannung, die jeweils den Elementen X ₁ und X ₃ benachbart sind, in entgegengesetzter Richtung polarisiert. Wenn daher die piezoelektrischen Elemente X ₁ und X ₃ expandiert werden, ihre zugeordneten piezoelektrischen Elemente X ₂ und X ₄ sich um dieselbe Größe zusammenziehen, wird bewirkt, daß sich die Blöcke 52 und 54 sich gleichzeitig um ein und die selbe Größe bewegen. Insbesondere dienen die piezoelektri schen Elemente X ₁ und X ₄ als erste X-richtungspiezoelektri sche Elemente, die derart beschaffen und ausgelegt sind, daß sich die beweglichen Blöcke 52 und 54 in X-Richtung be wegen.

Y-Richtungsbewegungsblöcke 56 und 58, die jeweils in Y- Richtung bewegbar sind, sind zwischen den festen Blöcken 44 und 46 und zwischen den festen Blöcken 48 und 50 je weils angeordnet, die Y-Richtungsseiten definieren, die senkrecht zu den vorstehend genannten X-Richtungsseiten sind. Der bewegliche Block 56 ist mit den festen Blöcken 44 und 46 jeweils durch Y-richtungspiezoelektrische Ele mente Y ₁ und Y ₂ verbunden, die in Y-Richtung expandierbar und zusammenziehbar sind. Der andere bewegliche Block 58 ist mit den festen Blöcken 50 und 48 jeweils durch Y-rich tungspiezoelektrische Elemente Y ₃ und Y ₄ verbunden. Diese piezoelektrischen Elemente Y ₁ bis Y ₄ sind ähnlich wie X ₁ bis X ₄ untereinander gleich und an ihnen liegt der gleiche Spannungspegel abgesehen vom Unterschied der Polarität an, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit den piezoelektri schen Elementen X ₁ bis X ₄ erläutert worden ist. Wenn daher die piezoelektrischen Elemente Y ₁ und Y ₃ expandiert werden, ziehen sich ihre zugeordneten piezoelektrischen Elemente Y ₂ und Y ₄ um dieselbe Größe zusammen. Auf diese Weise die nen die piezoelektrischen Elemente Y ₁ bis Y ₄ als erste Y- richtungspiezoelektrische Elemente, die derart beschaffen und ausgelegt sind, daß sie die beweglichen Blöcke 56 und 58 gleichzeitig um dieselbe Bewegungsgröße in Y-Richtung bewegen.

Erste Z-richtungspiezoelektrische Elemente Z ₁ und Z ₂ sind jeweils an den X-Richtungsbewegungsblöcken 52 und 54 vor gesehen und sie sind jeweils in Z-Richtung expandierbar und zusammenziehbar, die senkrecht zu den Richtungen X und Y ist. Zweite Z-richtungspiezoelektrische Elemente Z ₃ und Z ₄ sind jeweils an den Y-Richtungsbewegungsblöcken 56 und 58 angebracht und sie sind jeweils in Z-Richtung expan dierbar und zusammenziehbar. Diese piezoelektrischen Ele mente Z ₁ bis Z ₄ sind identisch zueinander ausgebildet und an ihnen liegt dieselbe Spannung an und sie expandieren und ziehen sich in Z-Richtung unter denselben Bedingungen zu sammen, d. h. gleichzeitig und um dieselbe Größe.

An den Enden der ersten Z-richtungspiezoelektrischen Elemente Z ₁ und Z ₂ sind jeweils X-Z-Richtungsbewegungsblöcke 60 und 62 angebracht und an den Enden der zweiten Z-richtungspiezo elektrischen Elemente Z ₃ und Z ₄ sind jeweils Y-Z-Richtungs bewegungsblöcke 64 und 66 angebracht. Bei dieser Auslegung sind die beweglichen Blöcke 60 und 62 und die beweglichen Blöcke 64 und 66 jeweils auf den beweglichen Blöcken 52 und 54 und den beweglichen Blöcken 56 und 58 gelagert und sie werden jeweils durch die ersten Z-richtungspiezoelektrischen Elemente Z ₁ und Z ₂ und die zweiten Z-richtungspiezoelektri schen Elemente Z ₃ und Z ₄ unter denselben Bedingungen in Z- Richtung bewegt.

Ein Mittelblock 68 ist zwischen den gegenüberliegenden X-Z- Richtungsbewegungsblöcken 60 und 62 und zwischen den gegen überliegenden Y-Z-Richtungsbewegungsblöcken 64 und 66 vor gesehen. Der Mittelblock 68 ist mit den beweglichen Blöcken 64 und 66 jeweils durch die zweiten X-richtungspiezoelektri schen Elemente X ₅ und X ₆ verbunden, die jeweils in X-Rich tung verformbar sind und mit den beweglichen Blöcken 60 und 62 jeweils durch die zweiten Y-richtungspiezoelektrischen Elemente Y ₅ und Y ₆ verbunden, die in Y-Richtung verformbar sind. Die zweiten X-richtungspiezoelektrischen Elemente X ₅ und X ₆ sind hinsichtlich des Aufbaus übereinstimmend mit den ersten piezoelektrischen Elementen X ₁ und X ₂ und X ₃ und X ₄ ausgelegt. Insbesondere sind die piezoelektri schen Elemente X ₅ und X ₆ untereinander gleich. An dem Ele ment X ₅ liegt dieselbe Spannung wie an den Elementen X ₁ und X ₃ an und an dem Element X ₆ liegt eine Spannung an, die hinsichtlich des Pegels die gleiche wie jene Spannung ist, die an dem Element X ₅ anliegt, die aber die entgegen gesetzte Polarität hat. Die zweiten Y-richtungspiezoelektri schen Elemente Y ₅ und Y ₆ sind auf dieselbe Weise wie die ersten piezoelektrischen Elemente Y ₁ und Y ₂ sowie jeweils die Elemente Y ₃ und Y ₄ ausgelegt. Bei dieser Auslegung wird der Mittelblock 68 in X-Richtung unter denselben Be dingungen wie die X-Richtungsbewegungsblöcke 52 und 54 be wegt und in Y-Richtung in derselben Richtung wie die Y-Rich tungsbewegungsblöcke 56 und 58 bewegt. Ein piezoelektrisches Steuerelement Z ₀, das in Z-Richtung expandierbar und zusammen ziehbar ist, ist an dem Mittelblock 68 angebracht. Die Sonde 32 ist mittels eines Halters 70 festgehalten, der an dem Ende des piezoelektrischen Steuerelementes Z ₀ angebracht ist. Die Basis 42 ist in einer Öffnung 72 zur Aufnahme des Schlittens bzw. der Plattform 26 versehen, auf die die Pro be 28 gelegt ist.

Wenn bei der Sondenbewegungseinrichtung 30, die den vor stehend genannten Aufbau hat, eine vorbestimmte Spannung an die ersten und zweiten Z-richtungspiezoelektrischen Ele mente Z ₁ bis Z ₄ angelegt wird, verformen sich die Elemente Z ₁ bis Z ₄ jeweils um eine vorbestimmte Größe und sie bewegen ihrerseits die X-Z-Richtungsbewegungsblöcke 60 und 62 und die Y-Z-Richtungsbewegungsblöcke 64 und 66 in Z-Richtung um dieselbe Bewegungsgröße. Eine solche Bewegung in Z-Richtung hat daher keinen Einfluß auf die X- und Y-richtungspiezoelek trischen Elemente, d. h. die zweiten X-piezoelektrischen Ele mente X ₅ und X ₆ und die zweiten Y-richtungspiezoelektrischen Elemente Y ₅ und Y ₆ werden parallel zu den ersten X-rich tungspiezoelektrischen Elementen X ₁ bis X ₄ und den ersten Y-richtungspiezoelektrischen Elementen Y ₁ bis Y ₄ jeweils gehalten. Als Folge hiervon wird der Mittelblock 68 in Z- Richtung zusammen mit den X-Z-Richtungsbewegungsblöcken 60 und 62 und den Y-Z-Richtungsbewegungsblöcken 64 und 66 be wegt, so daß die Position der Sonde 32 in Z-Richtung, d. h. in Richtung der Höhe, verändert wird.

Wenn man annimmt, daß eine vorbestimmte Spannung an den er sten und zweiten X-piezoelektrischen Elementen X ₁ bis X ₆ anliegt und die Sonde 32 in einer gewünschten Höhe wie vor stehend angegeben, gehalten wird, und dann die piezoelek trischen Elemente X ₁, X ₃ und X ₅ beispielsweise um eine vor bestimmte Größe expandiert werden und die anderen piezoelek trischen Elemente X ₂, X ₄ und X ₆ sich um dieselbe Größe zu sammenziehen, so wird bewirkt, daß hierbei die X-Richtungs bewegungsblöcke 52 und 54 und der Mittelblock 68 um dieselbe Größe in X-Richtung bewegt werden. Die X-Z-Richtungsbewegungs blöcke 60 und 62 werden ebenfalls der Bewegung der bewegli chen Blöcke 52 und 54 jeweils folgend bewegt. Hierdurch wer den die Y- und Z-Richtungen in keiner Weise beeinflußt. Auf diese Weise wird die Sonde 32 um eine vorbestimmte Größe in X-Richtung bewegt. Wenn in ähnlicher Weise eine vorbestimmte Spannung an den ersten und zweiten Y-richtungspiezoelektri schen Elementen Y ₁ bis Y ₆ anliegt, wird die Sonde 32 in Y- Richtung um einen vorbestimmten Betrag bewegt.

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß die Sonde 32 die X-Y- Ebene dadurch abtasten kann, daß in entsprechender Weise die Spannung variiert wird, die an den X-richtungspiezoelektri schen Elementen X ₁ bis X ₆ anliegt und jene, die an den Y- richtungspiezoelektrischen Elementen Y ₁ bis Y ₆ anliegt.

Die Sondenbewegungseinrichtung 30 der vorstehend gezeig ten und beschriebenen Art kann kleiner als 2,5 cm an je der Seite ausgelegt sein, wenn der Abtastbereich in der Größenordnung von 1 Mikrometer ist und sich um 1 Mikrome ter ändert. Daher ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist, die Einrichtung 30 so ausreichend klein, daß sie in der Proben kammer des Rasterelektronenmikroskops aufgenommen werden kann. Die Blöcke 44 bis 68 und das Grundteil 42 können je weils aus Aluminium oder einer ähnlichen Leichtmetallegie rung hergestellt sein, um das Gesamtgewicht der Einrichtung 30 zu reduzieren und daher die spezifische Schwingungsfre quenz auf bis zu etwa 20 kHz zu erhöhen. Eine derartig hohe spezifische Schwingungsfrequenz der Einrichtung 30 würde ermöglichen, daß eine Antioszillationseinrichtung des Elek tronenmikroskops den Einfluß von extern einwirkenden Vibra tionen unterdrücken kann, ohne daß eine gesonderte Einrich tung hierfür vorgesehen sein muß. Da ferner die Probenkammer des Elektronenmikroskops evakuiert ist, kann durch Anordnen der Einrichtung 30 in der Probenkammer der Wärmeeinfluß der Sonde 32 effektiv eliminiert werden.

Das Grundteil der Sondenbewegungseinrichtung 30 ist an der Oberseite der zylindrischen Führung 18 der Probenbewegungs einrichtung 16 angebracht. Die Auslegung ist derart getrof fen, daß der Elektronenstrahl 36, der von der Objektivlinse 34 des Elektronenmikroskops kommt, auf die Oberfläche der Probe 28 in der Nähe der Spitze der Sonde 32, von oben her von den festen Blöcken 44 bis 50 der Einrichtung 30 gesehen, auftrifft und in irgendeinen der Räume geht, die zwischen den zweiten X-richtungspiezoelektrischen Elementen X ₅ und X ₆ und den zweiten Y-richtungspiezoelektrischen Elementen Y ₅ und Y ₆ definiert werden und zwar derart, daß die Sekundär elektronen 38, die von der Probe 28 freigesetzt werden, den Sekundärelektronendetektor 40 über den Raum erreichen, der dem vorstehend genannten Raum gegenüberliegt. Diese Räume sind fest vorbestimmt, da die X-richtungspiezoelektrischen Elemente X ₅ und X ₆ und die Y-richtungspiezoelektrischen Ele mente Y ₅ und Y ₆ kreuzweise einfach miteinander verknüpft sind.

Im Gegensatz hierzu, wie in Fig. 5 gezeigt ist, enthält eine übliche Sondenbewegungseinrichtung sechs X-richtungs piezoelektrische Elemente X′ ₁ bis X′ ₆ und sechs Y-rich tungspiezoelektrische Elemente Y′ ₁ bis Y′ ₆, die in Gitter konfiguration angeordnet sind. Eine Sonde 32′ ist auf einem Mittelblock 68′ unter Zwischenlage eines Z-richtungssteuer piezoelektrischen Elementes Z′ ₀ gelagert. Die gesamte An ordnung wird durch vier Z-richtungspiezoelektrische Elemente Z′ ₁ bis Z′ ₄ gestützt. Bei einer solchen Auslegung sind Räume für die Ausbreitung eines Elektronenstrahls von einem Elek tronenmikroskop und für die Ausbreitung der Sekundärelektro nen von einer Probe nicht verfügbar.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Führung 18 der Proben bewegungseinrichtung 16 fest mit der Basis 10 verbunden. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, enthält der bewegliche Körper 20, der in der Führung 18 untergebracht ist, eine obere Klemmeinrichtung 74 und eine untere Klemmeinrichtung 76, die jeweils eine scheibenähnliche Auslegung haben. Auf der oberen Klemmeinrichtung 74 erstrecken sich erste piezoelek trische Elemente X ₁₁ und X ₁₂ von den gegenüberliegenden Sei ten in X-Richtung weg und zweite piezoelektrische Elemente Y ₁₁ und Y ₁₂ erstrecken sich von den gegenüberliegenden Sei ten in Y-Richtung weg. Die ersten piezoelektrischen Elemente X ₁₁ und X ₁₂ sind in Gegenrichtung zueinander auf einer Linie expandierbar und zusammenziehbar, die in X-Richtung verläuft, während die zweiten piezoelektrischen Elemente Y ₁₁ und Y ₁₂ in Gegenrichtung zueinander auf einer Linie verformbar sind, die in Y-Richtung verläuft. An der unteren Klemmeinrichtung 76 sind dritte piezoelektrische Elemente X ₁₃ und X ₁₄ ange bracht, die ähnlich den piezoelektrischen Elementen X ₁₁ und X ₁₂ ausgelegt sind und vierte piezoelektrische Elemente Y ₁₃ und Y ₁₄, die ähnlich wie die piezoelektrischen Elemente Y ₁₁ und Y ₁₂ ausgelegt sind.

Wenn bei der vorstehend beschriebenen Auslegungsform die ersten und zweiten piezoelektrischen Elemente X ₁₁ und X ₁₂ und Y ₁₁ und Y ₁₂ expandiert werden, werden sie gegen den Innenumfang der Führung 18 gedrückt, um die obere Klemm einrichtung 74 an der Führung 18 festzulegen. Wenn in ähn licher Weise die dritten und vierten piezoelektrischen Ele mente X ₁₃ und X ₁₄ und Y ₁₃ und Y ₁₄ expandiert werden, werden sie gegen den Innenumfang der Führung 18 gedrückt, um die untere Klemmeinrichtung 76 fest mit der Führung 18 zu ver binden. Wenn alle piezoelektrischen Elemente X ₁₁bis X ₁₄ und Y ₁₁ bis Y ₁₄ sich zusammenziehen, können sich die Klemm einrichtungen 74 und 76 frei nach oben und unten relativ zur Führung 18 bewegen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 ist eine Steuereinrichtung zum Anlegen einer Spannung an die piezoelektrischen Elemente X ₁₁ bis X ₁₄ und Y ₁₁ bis Y ₁₄ in Form einer schematischen Schal tung gezeigt. Wie gezeigt ist, liegt ein Potential von +V über einen Schalter S _x ₁ an dem positiven Anschluß des ersten piezoelektrischen Elementes X ₁₁ an, während zugleich ein Potential von -V über einen Schalter S _x ₂ an dem negativen Anschluß des anderen ersten piezoelektrischen Elementes X ₁₂ anliegt. Ein Feineinstellungsbewegungssteuerpotential Δ V _x liegt an dem negativen Anschluß des piezoelektrischen Elemen tes X ₁₁ an und an dem positiven Anschluß des piezoelektrischen Elementes X ₁₂. Das Steuerpotential Δ V _x ist innerhalb eines vorbestimmten Bereiches variabel, dessen Mittelwert Null ist. Somit liegen Spannungen V - Δ V _x und V + Δ V _x an den piezo elektrischen Elementen X ₁₁ und X ₁₂ jeweils an.

Die zweiten piezoelektrischen Elemente Y ₁₁ und Y ₁₂, die dritten piezoelektrischen Elemente X ₁₃ und X ₁₄ und die vier ten piezoelektrischen Elemente Y ₁₃ und Y ₁₄ sind auf dieselbe Weise wie die piezoelektrischen Elemente X ₁₁ und X ₁₂ ge schaltet. Das gleiche Feineinstellungsbewegungssteuerpoten tial Δ V _x, wie an den piezoelektrischen Elementen X ₁₁ und X ₁₂ liegt an den piezoelektrischen Elementen X ₁₃ und X ₁₄ an.

Ein Feineinstellungsbewegungssteuerpotential Δ V _y, das an den piezoelektrischen Elementen Y ₁₁ und Y ₁₂ anliegt, liegt an den piezoelektrischen Elementen Y ₁₃ und Y ₁₄ ebenfalls an. Ferner werden die Schalter S _y ₁ und S _y ₂, die den piezoelektrischen Elementen Y ₁₁ und Y ₁₂ zugeord net sind, jeweils durch ein und dasselbe Steuersignal u ₁ geöffnet und geschlossen und zwar wie jenes, das die Schalter S _x ₁ und S _x ₂ öffnet und schließt. Die Schalter S _x ₃ und S _x ₄, die den jeweiligen piezoelektrischen Elemen ten X ₁₃ und X ₁₄ zugeordnet sind und die Schalter S _y ₃ und S _y ₄, die den piezoelektrischen Elementen Y ₁₃ und Y ₁₄ je weils zugeordnet sind, werden mit ein und demselben Steuer signal u ₂ geöffnet und geschlossen.

Wie in den Fig. 1 und 6 gezeigt ist, sind die obere Klemmeinrichtung 74 und die untere Klemmeinrichtung 76 mit einander durch ein fünftes piezoelektrisches Element Z ₁₁ verbunden, das in Z-Richtung verformbar ist. Eine Steuer spannung von der Steuereinrichtung wird an das piezoelek trische Element Z ₁₁ zu einer vorgegebenen Zeit relativ zu einem Zeitpunkt der Spannungsanlegung an die piezoelektri schen Elemente X ₁₁, X ₁₂, Y ₁₁ und Y ₁₂ oder jener der Span nungsanlegung an die piezoelektrischen Elemente X ₁₃, X ₁₄, Y ₁₃ und Y ₁₄ angelegt.

Der Schlitten bzw. die Plattform 26 für die Auflage der Probe 28 ist an der Oberseite der oberen Klemmeinrichtung 74 vorgesehen. Beim Arbeiten zum Betrachten der Probe 28 wird die Probe auf den Schlitten 26 gelegt, wobei der be wegliche Körper 20 der Probenbewegungseinrichtung 16 abge senkt wird. Dann werden die Schalter S _x ₁, S _x ₂, S _y ₁ und S _y ₂ geöffnet und die Schalter S _x ₃, S _x ₄, S _y ₃ und S _y ₄ werden ge schlossen. Zu diesem Zeitpunkt werden beide Feineinstellungs bewegungssteuerpotentiale Δ V _x und Δ V _y zu Null gemacht. So mit ziehen sich die ersten und zweiten piezoelektrischen Elemente X ₁₁, X ₁₂, Y ₁₁ und Y ₁₂ zusammen, während zugleich die dritten und vierten piezoelektrischen Elemente X ₁₃, X ₁₄, Y ₁₃ und Y ₁₄ expandiert werden. Als Folge hiervon läßt sich die obere Klemmeinrichtung 74 frei bewegen und die untere Klemmeinrichtung 76 ist an der Führung 18 festge legt. Dann wird eine Spannung an das fünfte piezoelektri sche Element Z ₁₁ angelegt, das sich dann expandiert, um die obere Klemmeinrichtung 74 anzuheben. Im Anschluß daran werden die Schalter S _x ₁, S _x ₂, S _y ₁ und S _y ₂ geschlossen, wäh rend zugleich die Schalter S _x ₃, S _x ₄, S _y ₃ und S _y ₄ geöffnet werden. Hierdurch wird bewirkt, daß sich die ersten und zweiten piezoelektrischen Elemente X ₁₁, X ₁₂, Y ₁₁ und Y ₁₂ expandieren, so daß die obere Klemmeinrichtung 74 an der Führung 18 festgelegt ist, während bewirkt wird, daß die dritten und vierten piezoelektrischen Elemente X ₁₃, X ₁₄, Y ₁₃ und Y ₁₄ sich zusammenziehen, um zu erreichen, daß die untere Klemmeinrichtung 76 frei bewegbar ist. Unter diesen Umständen wird die an das piezoelektrische Element Z ₁₁ an gelegte Spannung unterbrochen, wodurch sich das Element Z ₁₁ zusammenzieht, um die untere Klemmeinrichtung 76 anzuheben. Dann wird die untere Klemmeinrichtung 76 an der Führung 18 wiederum festgelegt, und zugleich wird die obere Klemmein richtung 74 freigegeben. Im Anschluß daran expandiert sich das piezoelektrische Element Z ₁₁, um die obere Klemmeinrich tung 74 wieder anzuheben.

Der vorstehend genannte Ablauf wird wiederholt, um sequen tiell den Schlitten 26 und somit die Probe 28 in Richtung der Sonde 32 zu heben. Die an dem piezoelektrischen Ele ment Z ₁₁ angelegte Spannung ist beispielsweise niedrig, damit sie zum anderen die Expansions- oder Kontraktions größe des Elementes Z ₁₁ klein halten kann, um eine Feinein stellung zu bewirken.

Wenn die Oberfläche der Probe 28 eine Position erreicht, an der sie durch das Elektronenmikroskop beobachtet werden kann, werden alle piezoelektrischen Elemente X ₁₁ bis X ₁₄ und Y ₁₁ bis Y ₁₄ expandiert, um die obere und untere Klemmeinrichtung 74 und 76 jeweils an der Führung 18 fest zulegen. Die Probe 28 kann dann durch das Elektronenmikro skop betrachtet werden.

Um die Betrachtungsposition der Probe 28 zu verändern, wird das Grundteil 10 des Elektronenmikroskops in der X-Y- Ebene bewegt, um den Schlitten 26 in dieser Ebene zu bewe gen.

Wenn es erwünscht ist, die Probe 28 während der Betrachtung weiter zu vergrößern, wird das Grundteil 10 derart positio niert, daß der Teil der zu betrachtenden Probe 28 im wesent lichen mit der Spitze der Sonde 32 fluchtet und dann werden die zur Klemmung dienenden piezoelektrischen Elemente 22 und 24 betätigt, um die Führung 18 an Ort und Stelle festzu legen. Im Anschluß daran wird die Steuerspannung Δ V _x, die an den ersten und dritten piezoelektrischen Elementen X ₁₁ bis X ₁₄ anliegt und die Steuerspannung Δ V _y, die an den zwei ten und vierten piezoelektrischen Elementen Y ₁₁ bis Y ₁₄ an liegt, in entsprechender Weise geändert, so daß sich die ersten und dritten piezoelektrischen Elemente X ₁₁ und X ₁₃ und die anderen ersten und dritten piezoelektrischen Ele mente X ₁₂ und X ₁₃um unterschiedliche Beträge zueinander ex pandieren. Anschließend werden die zweiten und vierten piezo elektrischen Elemente Y ₁₁ und Y ₁₃ und die anderen zweiten und vierten piezoelektrischen Elemente Y ₁₂ und Y ₁₄ in ent sprechender Weise beaufschlagt. Als Folge hiervon wird der Schlitten 26 unter Ausführung einer Feineinstellbewegung in der X-Y-Ebene bewegt, wobei die oberen und unteren Klemm einrichtungen 74 und 76 an der Führung 18 festgelegt sind. Auf diese Weise kann ein spezieller Teil der Probe 28, der zu vergrößern ist, genau an der Spitze der Sonde 32 positio niert werden.

Unter den vorstehend genannten Bedingungen liegt ein Vor belastungsstrom an der Sonde 32 und der Probe 28 an, um zu bewirken, daß ein Tunnelstrom zwischen diesen fließt. Dann wird eine Spannung an die Z-richtungspiezoelektrischen Elemente Z ₁ bis Z ₄ der Sondenbewegungseinrichtung 30 ange legt, um die Position der Sonde 32 in Z-Richtung derart fein einzustellen, daß der Tunnelstrom sich auf einem vorbestimm ten Wert einpendelt. Anschließend wird die Sonde 32 in der X-Y-Ebene bewegt, wobei ihre Position zu diesem Zeitpunkt als Mittelpunkt verwendet wird, um hierbei die Oberfläche der Probe 28 abzutasten. Dies wird dadurch bewirkt, daß ent sprechende Abtastspannungen an die X-richtungspiezoelektri schen Elemente X ₁ bis X ₆ und die Y-richtungspiezoelektrischen Elemente Y ₁ bis Y ₆ der Sondenbewegungseinrichtung 30 ange legt werden. Während des Abtastvorganges wird eine Steuer spannung an das piezoelektrische Steuerelement Z ₀ angelegt, so daß der zwischen der Sonde 32 und der Probe 28 fließende Tunnelstrom konstant bleibt. Wenn diese Steuerspannung und die Abtastspannungen, die an den piezoelektrischen Elementen X ₁ bis X ₆ und Y ₁ bis Y ₆ angelegt sind, mit Hilfe eines geeig neten Bildprozessors verarbeitet werden, der nicht gezeigt ist, läßt sich ein durch das Tunnelmikroskop betrachtetes Bild erzeugen.

Wie vorstehend beschrieben worden ist, kann dieselbe Posi tion derselben Probe sowohl durch ein Rasterelektronenmi kroskop als auch durch ein Rastertunnelmikroskop betrachtet werden. Die in den Fig. 1 und 6 gezeigte Probenbewegungs einrichtung 16 ist vorteilhaft dahingehend, daß der Schlit ten 26 in Z-Richtung über eine beträchtliche Strecke beweg bar ist, die der Länge der Führung 18 entspricht und daß die Position der Probe 28 in Z-Richtung in einem solchen Ausmaß steuerbar ist, daß ein Tunnelstrom zwischen der Sonde 32 und der Probe 28 fließt, d. h, daß eine Erfassung in Größen ordnung von Nanometer möglich ist. Die Position der Probe 28 in X-Richtung und Y-Richtung ist ebenfalls fein regelbar in der Größenordnung von Nanometer. Da ferner die Führung 18 zylindrisch ist und die oberen und unteren Klemmeinrich tungen 74 und 76 scheibenförmig sind, können sie mit hoher Genauigkeit bearbeitet werden, um eine genaue Positions steuerung zu ermöglichen. Da ferner die zylindrische Füh rung 18 in dem beweglichen Körper 20 aufgenommen ist, läßt sich die Gesamtauslegung der Einrichtung 16 mit kleinen Bau abmessungen ausbilden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 8 wird eine alternative Ausle gungsform der Probenbewegungseinrichtung gezeigt. In Fig. 8 weist die Probenbewegungseinrichtung 80 eine säulen förmige Führung 82 und eine ringförmige obere Klemmeinrich tung 84 sowie eine ringförmige untere Klemmeinrichtung 86 auf, die jeweils die Führung 82 umgeben. Zwei erste piezo elektrische Elemente X ₂₁ und X ₂₂ stehen von dem inneren Um fang der oberen Klemmeinrichtung 84 auf einer Linie vor, die in X-Richtung verläuft. In ähnlicher Weise stehen zwei zweite piezoelektrische Elemente Y ₂₁ und Y ₂₂ von dem inneren Umfang der oberen Klemmeinrichtung 84 auf einer Linie vor, die in Y-Richtung geht. Diese piezoelektrischen Elemente X ₂₁, X ₂₂, Y ₂₁ und Y ₂₂ sind gleichzeitig in Richtung auf die Füh rung 82 und von dieser weg verformbar, die sich in der Mitte befindet. Insbesondere wenn diese sich expandieren, werden diese an der Führung 82 festgelegt und wenn sie sich zusammen ziehen, werden sie von der Führung 82 gelöst, so daß sie frei bewegbar sind. An der unteren Klemmeinrichtung 86 sind dritte piezoelektrische Elemente X ₂₃ und X ₂₄ vorgesehen, die ähnlich wie die piezoelektrischen Elemente X ₂₁ und X ₂₂ ausgelegt sind und ferner sind vierte piezoelektrische Ele mente Y ₂₃ und Y ₂₄ vorgesehen, die ähnlich den piezoelektri schen Elementen Y ₂₁ und Y ₂₂ ausgelegt sind. Die oberen und unteren Klemmeinrichtungen 84 und 86 sind jeweils über eine Mehrzahl von (bei dieser Ausbildungsform zwei) fünften piezo elektrischen Elementen Z ₂₁ und Z ₂₂ verbunden, die in Z-Rich tung verformbar sind.

Die untere Klemmeinrichtung 86 ist fest mit dem Grund teil 10 verbunden. Die Führung 82 ist bewegbar und hat eine obere Fläche, die als Schlitten 26 dient. Der rest liche Teil der Auslegungsform entspricht im wesentlichen der Auslegungsform nach den Fig. 1, 6 und 7, abgesehen davon, daß bei der Auslegung nach Fig. 8 die Sondenbewe gungseinrichtung 30 von der Basis 10 mittels eines Trägers gestützt ist, der hängend an der Führung 82 angebracht ist.

Bei der Probenbewegungseinrichtung 80 ziehen sich die piezoelektrischen Elemente X ₂₁, X ₂₂, Y ₂₁ und Y ₂₂ an der oberen Klemmeinrichtung 84 zusammen, um die Klemmeinrich tung 84 freizugeben und zugleich expandieren sich die piezo elektrischen Elemente X ₂₃, X ₂₄, Y ₂₃ und Y ₂₄ an der unteren Klemmeinrichtung 86, um die Klemmeinrichtung 86 an der Füh rung 82 festzulegen. Dann ziehen sich die piezoelektrischen Elemente Z ₂₁ und Z ₂₂ zusammen, so daß die obere Klemmein richtung 82 abgesenkt wird, wobei die Führung 82 unbeweg lich bleibt. Im Anschluß daran wird die obere Klemmeinrich tung 84 an der Führung 82 festgelegt, während zugleich die untere Klemmeinrichtung 86 von der Führung 82 freikommt. Im Anschluß daran expandieren sich die piezoelektrischen Elemente Z ₂₁ und Z ₂₂, um die obere Klemmeinrichtung 84 und hierdurch die Führung 82 anzuheben. Der vorstehend beschrie bene Arbeitsablauf wird wiederholt, um den Schlitten 26 um einen beträchtlichen Betrag zu heben, wie bei den Ausbil dungsformen nach den Fig. 1 und 6. Die an die piezoelek trischen Elemente Z ₂₁ und Z ₂₂ angelegte Spannung ist zur Feineinstellung der Position des Schlittens 26 in Z-Rich tung steuerbar. Wenn man ferner unterschiedliche Spannungen an die X-richtungspiezoelektrischen Elemente X ₂₁ und X ₂₂ und die piezoelektrischen Elemente X ₂₂ und X ₂₄ und unter schiedliche Spannungen an die Y-richtungspiezoelektrischen Elemente Y ₂₁ und Y ₂₃ und die piezoelektrischen Elemente Y ₂₂ und Y ₂₄ anlegt, so kann man die Position des Schlittens 26 in den X- und Y-Richtungen fein einstellen.

Die Probenbewegungseinrichtung 80 der vorstehend be schriebenen Art macht es überflüssig, die Führung 82 mit einer beträchtlichen Länge an der Basis 10 festzu legen, so daß man eine Verminderung des Gewichts ober halb der Basis erhält. Hierdurch läßt sich in effektiver Weise der begrenzte zur Verfügung stehende Raum in der Probenkammer eines Rasterelektronenmikroskops ausnutzen. Da die Klemmeinrichtungen 84 und 86 und die piezoelektri schen Elemente X ₂₁ bis X ₂₄, Y ₂₁ bis Y ₂₄ und Z ₂₁ und Z ₂₂ von der Basis 20 getragen werden, läßt sich das Verhältnis der Freiheit hinsichtlich der Auslegung und unter Berück sichtigung des Gewichts verbessern. Die Führung 26 kann aus Aluminium oder einer ähnlichen Leichtmetallegierung be stehen, um eine gleichförmige Bewegung zu erzielen und hier durch eine Genauigkeit bei der Positionssteuerung zu ermög lichen.

Die Probenbewegungseinrichtung 16 oder 80 ist nicht nur in Verbindung mit einem Rastertunnelmikroskop, das in einem Rasterelektronenmikroskop eingebaut ist, verwendbar, sondern sie ist auch unabhängig bei einem Rasterelektronenmikroskop oder einem unabhängigen Tunnelmikroskop anwendbar. Ferner ist die Einrichtung 16 oder 80 auch bei verschiedenen ande ren Präzisionsmeßinstrumenten anwendbar, bei denen es sich um andere Instrumente als Mikroskope handelt.

Selbst bei der Ausbildungsform nach den Fig. 1 und 6, bei der die Klemmeinrichtungen 74 und 76 in der Führung 18 aufgenommen sind, kann eine solche Auslegung getroffen wer den, daß die Führung 18 bewegbar ist, die untere Klemmein richtung 76 an der Basis festgelegt ist und der Schlitten 86 auf der Führung 18 vorgesehen ist, wie dies bei der Ausbil dungsform nach Fig. 8 der Fall ist. Umgekehrt kann bei der Ausbildungsform nach Fig. 8, bei der die Führung 82 in den Klemmeinrichtungen 84 und 86 aufgenommen ist, die Führung 82 fest mit der Basis 10 verbunden sein, wobei sich die Klemm einrichtungen 84 und 86 längs der Führung 82 bewegen, wie dies bei der Ausbildungsform nach den Fig. 1 und 6 der Fall ist.

Zusammenfassend gibt die Erfindung ein Rastertunnelmikro skop an, bei dem in einer Probenkammer eines Rasterelek tronenmikroskops eine Sonde vorgesehen ist, die feinein stellbar an der Oberfläche einer Probe bewegbar ist, wo bei eine Sondenbewegungseinrichtung vorgesehen ist und die Probe in einem solchen Bereich angeordnet ist, die von einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, der von dem Elektro nenmikroskop kommt. Ein Elektronenmikroskopbild erhält man dadurch, daß der Elektronenstrahl die Probenoberfläche ab tastet, und ein Tunnelmikroskopbild erhält man durch Bewe gen der Sonde. Die Sondenbewegungseinrichtung ist mit einer Betätigungseinrichtung ausgestattet, die X-, Y- und Z-rich tungspiezoelektrische Elemente hat. Ein mit einer Probe zu beschickender Tisch ist in Z-Richtung bewegbar und zwar mit Hilfe einer Handspindelbewegungseinrichtung, die zur Betä tigung piezoelektrische Elemente verwendet.

Claims

1. Rastertunnelmikroskop, das in ein Rasterelektronenmikro skop eingebaut ist, gekennzeichnet durch:
einen Tisch (26), der in einer Probenkammer des Elektro nenmikroskops zur Aufnahme einer Probe (28) aufgenommen ist,
eine Sonde (32), die sich in der Nähe einer Oberfläche der Probe (28) befindet, die auf den Tisch (26) gelegt ist, um einen Tunnelstrom zu detektieren, der zwischen der Oberfläche der Probe (28) und der Sonde (32) fließt,
eine Sondenbewegungseinrichtung (30), die eine Feinbe wegung der Sonde (32) in einer X-Y-Ebene ermöglicht, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Probe (28) ist, sowie in eine Z-Richtung, die senkrecht zu der X-Y-Ebene ist, und
einen Bildprozessor zur Bildverarbeitung eines Steuer signals in Verbindung mit der Sondenbewegungseinrich tung (30),
wobei der Bereich der Oberfläche der Probe (28), der einer Spitze der Sonde (32) zugewandt ist, mit einem Elektro nenstrahl (36) bestrahlt wird, der von einer Objektiv linse (34) des Elektronenmikroskops kommt.

2. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Tisch (26) in der X-Y-Ebene bewegbar ist und durch eine Probenpositionseinstelleinrichtung (16) des Elektronenmikroskops angetrieben ist.

3. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß der Tisch (26) in Z-Richtung bewegbar ist und durch eine Probenbewegungseinrichtung (16; 12, 14) ange trieben ist, die an der Probenpositioniereinstelleinrich tung (16) angebracht ist.

4. Sondenbewegungseinrichtung für ein Abtastelektronenmikro skop, gekennzeichnet durch:
vier feste Blöcke (44, 46, 48, 50), die jeweils fest mit einer Basis (42) an einer der vier Ecken eines Vierecks verbunden ist, das Seiten hat, die in X-Richtung verlau fen, und das Seiten hat, die in Y-Richtung senkrecht zur X-Richtung verlaufen,
X-Richtungsbewegungsblöcke (52, 54), die jeweils an einer der zugeordneten X-Richtungsseiten zwischen den festen Blöcken (44 bis 50) vorgesehen sind und die in X-Richtung mittels ersten X-richtungspiezoelektrischen Elementen (X ₁, X ₂) bewegbar sind, die mit den festen Blöcken verbunden sind und in X-Richtung expandierbar und zusammenziehbar sind,
Y-Richtungsbewegungsblöcke (56, 58), die jeweils an einer der zugeordneten Y-Richtungsseiten zwischen den festen Blöcken (44 bis 50) vorgesehen und in Y-Richtung mittels ersten Y-richtungspiezoelektrischen Elementen (Y ₁, Y ₂) bewegbar sind, die mit den festen Blöcken ver bunden und in Y-Richtung expandierbar und zusammenzieh bar sind,
X-Z-Richtungsbewegungsblöcke (60, 62), die jeweils von einem der zugeordneten X-Richtungsbewegungsblöcke mit tels eines ersten Z-richtungspiezoelektrischen Elementes (Z ₁) getragen sind, das in einer Z-Richtung senkrecht zu der X- und Y-Richtung expandier- und zusammenziehbar ist und das in Z-Richtung durch das erste Z-richtungspiezo elektrische Element (Z ₁) bewegbar ist,
Y-Z-Richtungsbewegungsblöcke, die jeweils von einem der zugeordneten Y-Richtungsbewegungsblöcke mittels eines Z-richtungspiezoelektrischen Elementes (Z ₂) getragen werden, das in Z-Richtung unter denselben Bedingungen wie das erste Z-richtungspiezoelektrische Element (Z ₁) expandierbar und zusammenziehbar ist und das in Z-Rich tung durch das zweite Z-richtungspiezoelektrische Ele ment (Z ₂) bewegbar ist, und
einen Mittelblock (68), der mit den Y-Z-Richtungsbewe gungsblöcken (64, 66) durch zweite X-richtungspiezoelek trische Elemente (X ₅, X ₆) verbunden ist, die in X-Rich tung unter denselben Bedingungen wie die ersten X- richtungspiezoelektrischen Elemente expandierbar und zusammenziehbar sind, und mit den X-Z-Bewegungsblöc ken (60, 62) durch zweite Y-richtungspiezoelektrische Elemente (Y ₅, Y ₆) verbunden ist, die in Y-Richtung unter denselben Bedingungen wie die ersten Y-richtungs piezoelektrischen Elemente expandierbar und zusammenzieh bar sind,
wobei der Mittelblock (68) mit einer Sonde (32) zum Detektieren eines Tunnelstromes versehen ist, der zwi schen der Sonde (32) und einer Oberfläche einer Probe (28) fließt, die Sonde (32) selektiv in der X-Y-Ebene durch Anlegen von Abtastspannungen an die X-richtungs- und Y-richtungspiezoelektrischen Elemente um eine Strecke zwischen der Sonde (32) und der Oberfläche der Probe (28) bewegbar ist, die durch Anlegen einer Steuerspannung (Δ V _z) an die Z-richtungspiezoelektrischen Elemente ein stellbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sonde (32) an dem Mittel block (68) durch ein steuerpiezoelektrisches Element (Z ₁) angebracht ist, das in Z-Richtung expandier- und zusammenziehbar ist, und daß die Steuerspannung (Δ V _z), die an das steuerpiezoelektrische Element angelegt wird, dazu dient, den Abstand zwischen der Sonde (32) und der Oberfläche der Probe (28) einzustellen.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die jeweiligen X-richtungs- und Y-richtungspiezoelektrischen Elemente zwei piezoelektri sche Elemente aufweisen, die mit einem der zugeordneten Blöcke verbunden sind, die einander gegenüberliegen, wo bei eines der piezoelektrischen Elementpaare sich zusam menzieht, während das andere sich um dieselbe Größe wie das andere piezoelektrische Element expandiert.

7. Einrichtung zum Bewegen einer Probe, gekenn zeichnet durch:
eine obere Klemmeinrichtung (74, 84), die mit einem Paar von ersten piezoelektrischen Elementen versehen ist, die in Gegenrichtung zueinander auf einer Linie expandierbar und zusammenziehbar sind, die in eine X- Richtung verläuft und mit einem Paar von zweiten piezo elektrischen Elementen versehen ist, die in Gegenrich tung zueinander auf einer Linie expandierbar und zusammen ziehbar sind, die in Y-Richtung verläuft, die senkrecht zur X-Richtung ist,
eine untere Klemmeinrichtung (76, 86), die mit dritten piezoelektrischen Elementen ähnlich den ersten piezo elektrischen Elementen und vierten piezoelektrischen Elementen ähnlich den zweiten piezoelektrischen Elemen ten versehen ist, wobei die untere Klemmeinrichtung (76, 86) mit der oberen Klemmeinrichtung (74, 84) durch ein fünftes piezoelektrisches Element verbunden ist, das in einer Z-Richtung senkrecht zu den Richtungen X und Y expandierbar und zusammenziehbar ist,
eine Führung (18, 82) zum selektiven Fixieren der obe ren und unteren Klemmeinrichtungen (74, 76; 84, 86) zum Expandieren der ersten und zweiten piezoelektrischen Ele mente und der dritten und vierten piezoelektrischen Ele mente, und
eine Steuereinrichtung (Fig. 7) zum Steuern einer Span nung, die an jedem der ersten und fünften piezoelektri schen Elemente anliegt,
wobei die Führung (18, 82) fest mit einer Basis (10) verbunden ist, und
die obere Klemmeinrichtung (74, 84) mit einem Tisch (26) zur Aufnahme einer Probe (28) versehen ist.

8. Einrichtung zum Bewegen einer Probe, gekenn zeichnet durch:
eine obere Klemmeinrichtung (74, 84), die mit einem Paar von ersten piezoelektrischen Elementen versehen ist, die in Gegenrichtung zueinander auf einer Linie expandierbar und zusammenziehbar sind, die in eine X- Richtung verläuft, und mit einem Paar von zweiten piezo elektrischen Elementen versehen ist, die in Gegenrich tung zueinander auf einer Linie expandierbar und zusammen ziehbar sind, die in eine Y-Richtung weist, die senkrecht zur X-Richtung ist,
eine untere Klemmeinrichtung (76, 86), die mit dritten piezoelektrischen Elementen ähnlich den ersten piezo elektrischen Elementen und vierten piezoelektrischen Elementen ähnlich den zweiten piezoelektrischen Elemen ten versehen ist, wobei die untere Klemmeinrichtung mit der oberen Klemmeinrichtung durch ein fünftes piezoelek trisches Element verbunden ist, das in einer Z-Richtung senkrecht zu den Richtungen X und Y expandierbar und zu sammenziehbar ist,
eine Führung (18, 82) zur selektiven Fixierung der oberen und unteren Klemmeinrichtungen mittels Expandie ren der ersten und zweiten piezoelektrischen Elemente und der dritten und vierten piezoelektrischen Elemente, und
eine Steuereinrichtung (Fig. 7) zum Steuern einer Span nung, die an den jeweiligen ersten bis fünften piezo elektrischen Elementen anliegt,
wobei die untere Klemmeinrichtung (76, 86) an einer Basis (10) festgelegt ist, und
die Führung (18, 82) bewegbar ist und mit einem Tisch (26) zur Aufnahme einer Probe (28) versehen ist.