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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Kathode einer
Vorrichtung, die den Oberflächenzustand mit einem Elektronenstrahl beobachtet,
vertreten durch ein Abtast-Tunneleffektmikroskop (STM).
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Bei der Beobachtung des Oberflächenzustands einer Probe unter
Durchfluß eines Tunnelstroms durch Aufsetzen einer Kathodenspitze sehr nahe
der Probe, die als Anode dient, ist es anerkannte Praxis, die
Kathodenspitze mit einem piezoelektrischen Material wie etwa Pb (Zr, Ti) O&sub3;
(genannt PZT) zu versehen und die Kathode in sehr kleinen Beträgen
entsprechend der Änderung des Tunnelstroms zu bewegen, um den
Abstand zwischen Kathode und Anode konstant zu halten, wie
beispielsweise beschrieben in Drake et al., Rev. Sci. Instrum. 57 (3), März 1986,
Seiten 441 bis 445 und McCord et al., J. Vac. Sci. Technol. B4(1),
Januar/Februar 1986, Seiten 86 bis 88. Das Abtast-Tunneleffektmikroskop
unter Verwendung piezoelektrischen Materials wurde auch beschrieben
von Binning et al., Surface Science 126 (1983), Seiten 236 bis 244.
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Im allgemeinen wurde ein piezoelektrisches Element der Stapeltype für
die grobe Bewegung und ein piezoelektrisches Element der Einzeltype für
die feine Bewegung verwendet. Das piezoelektrische Material besteht
jedoch aus einem gesinterten Körper; der ein ferroelektrisches Material
mit spontaner Polarisation ist, so daß es Hysterese und
Kriechcharakteristiken in der Belastung entwickelt, wenn eine Spannung angelegt wird.
Daher muß die Kathode mit einer Frequenz so niedrig wie 1 kHz oder
weniger betrieben werden. Aus diesem Grund war es bis jetzt unmöglich,
die Oberfläche der Proben mit hohen Geschwindigkeiten mit einer
Frequenz von mehr als 1 MHz zu messen.
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Der Abstand zwischen der Probe und der Kathodenspitze unterliegt einer
Änderung infolge der Ausdehnung oder Zusammenziehung der
Kathodenspitze, die von der Temperaturänderung herrührt. So entstehen
Meßfehler. Um das Entstehen von Fehlern zu verhüten, ist es erwünscht, die
Abtastgeschwindigkeit der Kathodenspitze zu erhöhen. Wenn es
erforderlich ist, den Oberflächenzustand der Probe in Form von Signalen einer
hohen Frequenz zu erfassen, kann weiter dieses Ziel nicht mit der
traditionell verwendeten Frequenz unterhalb 1 kHz zufriedenstellend
erreicht werden.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kathode bereitzustellen, die
es möglich macht, die Oberfläche einer Probe mit hoher Geschwindigkeit
zu messen oder zu beobachten, wobei die Kathode einer Vorrichtung wie
einem STM angepaßt ist, die dazu bestimmt ist den Oberflächenzustand
der Probe mit einem Elektronenstrahl zu beobachten.
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Um das oben genannte Ziel zu erreichen, wird eine Kathodenvorrichtung
entsprechend Anspruch 1 vorgesehen. Die Kathode gemäß der
vorliegenden Erfindung hat wenigstens einen piezoelektrischen Einkristall ohne
spontane dielektrische Polarisation, der mit der Kathodenspitze verbunden
ist. Der piezoelektrische Einkristall ohne spontaner Polarisation wird als
piezoelektrisches Material für feine Bewegung der Kathode verwendet.
Der piezoelektrische Einkristall ist frei von spontaner Polarisation infolge
ionischer Polarisation oder Dipol-Polarisation, und seine Polarisation wird
von dem äußeren elektrischen Feld induziert. Zu den Beispielen solcher
piezoelektrischen Kristalle gehört ein Kristall, der aus Li&sub2;B&sub4;O&sub7; und
Quarzkristall besteht
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In solchen piezoelektrischen Kristallen findet die Polarisation teilweise
statt, wenn die Elektronen eine Verschiebung relativ zu den Atomkernen
erfahren, und folgt einem Hochfrequenzantrieb von höher als 1 MHz,
ohne im wesentlichen Hysterese in der Belastung zu zeigen, die
üblicherweise vom Ein- und Ausschalten der Spannung resultiert.
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Der piezoelektrische Kristall ist auf einer Seite (im folgenden als
Rückseite der Spitze bezeichnet) gegenüber der Kathodenspitze montiert, und
ist mit zwei Elektroden zum Anlegen der Treibspannung versehen. Im
allgemeinen wird er in Verbindung mit einem piezoelektrischen Kristall
wie einem PZT für grobe Bewegung verwendet, der bei Anlegen einer
Spannung eine Verschiebung in hohem Ausmaß erleidet. In diesem Fall
werden auf der Rückseite der Kathodenspitze in Kaskade ein
piezoelektrischer Kristall für feine Bewegung ohne spontane dielektrische
Polarisation und ein piezoelektrischer Kristall wie ein konventioneller PZT für
grobe Bewegung mit spontaner dielektrischer Polarisation verbunden, der
Verschiebung in hohem Ausmaß erleidet. Es muß nicht betont werden,
daß der Kristall, wie ein PZT, auch mit zwei Elektroden für den
Antrieb in üblicher Weise versehen ist. Außerdem ist, wie wohl bekannt,
die Kathodenspitze mit einer Elektrode versehen, um an ihr und der
Probe eine Spannung anzulegen. An die Elektroden sind
Verbindungsleitungen angeschlossen.
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Form und Größe des piezoelektrischen Materials für feine Bewegung
können bestimmt werden unter Bezugnahme auf Form und Größe eines
piezoelektrischen Materials wie PZT in konventioneller Technik. Wenn
das piezoelektrische Material für grobe Bewegung in Kombination
verwendet werden soll, muß jedoch das piezoelektrische Material für feine
Bewegung eine passende Form und Größe haben, um an das andere
angeschlossen zu werden. Selbstverständlich kann Form und Größe des
piezoelektrische Materials auf der Basis von Versuchen geeignet bestimmt
werden.
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Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der angelegten
Spannung und der Belastung eines piezoelektrischen Elements
darstellt, das aus einem L&sub2;B&sub4;O&sub7;-Einkristall besteht und in
einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet
wird;
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Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der angelegten
Spannung und der Belastung eines piezoelektrischen keramischen
Pb (Zr; Ti) O&sub3;-Elements darstellt, das in der konventionellen
Technologie verwendet wird; und
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Fig. 3 ist ein Diagramm, das schematisch ein
Abtast-Tunneleffektmikroskop darstellt, das das piezoelektrische
Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Einkristall-Element entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung enthält.
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Zunächst wird die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der
Belastung eines Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Einkristalls beschrieben, der in einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, im Vergleich
mit der des konventionellen PZT.
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Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen Belastung und angelegter Spannung
eines konventionellen piezoelektrischen keramischen Elements, das
PbZrO&sub3; und PbTiO&sub3; in äquimolarer Menge enthält. Die Probe ist 4 mm
dich Anlegen einer Spannung von 100 Volt erzeugt eine Belastung in
der Größe von 0,15 um. Jedoch zeigt sich in unerwünschter Weise große
Hysterese, wenn die Spannung ein- und ausgeschaltet wird.
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Fig. 1 zeigt die Beziehung zwischen Belastung und angelegter Spannung
eines Li&sub2;B&sub4;O&sub7; Einkristalls, der in einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden
Erfindung verwendet wird. Die Probe hat eine Dicke von 1,5
mm. Die Belastung gilt für einen Betrag der Verlängerung in der
Z-Achsenrichtung, wenn eine Spannung in Z-Achsenrichtung an den Kristall
angelegt wird. Die Belastung ist nur etwa 0,1 um, sogar wenn eine
Spannung von 100() Volt angelegt wird, jedoch wird keine Hysterese
beobachtet. Der L&sub2;B&sub4;O-Einkristall zeigt Charakteristiken, die sich nicht
ändern, sogar wenn die äußere Temperatur in einem Bereich von 0ºC
bis 50ºC geändert wird.
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Die oben erwähnten Ergebnisse können durch die Tatsache verifiziert
werden, daß das Pb (Zr; Ti) O&sub3; auf der Innenseite eine große spontane
dielektrische Polarisation zeigt, während des Li&sub2;B&sub4;O&sub7; nur induzierte
Polarisation zeigt. Im Fall von Pb (Zr; Ti) O&sub3; nimmt außerdem der
absolute Wert der Verlängerung ab, wenn die Frequenz für das Anlegen
der Spannung größer als 1 kHz wird. Andererseits nimmt im Fall von
L&sub2;B&sub4;O&sub7; der Absolutwert der Verlängerung nicht ab, selbst mit einer
Frequenz in der Höhe von 10 MHz.
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Ein Quarzkristall zeigt die gleichen Charakteristiken wie Li&sub2;B&sub4;O&sub7;. Der
Absolutwert der Verlängerung für die gleiche Spannung ist jedoch ein
Zehntel von der Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristalls.
Ausführungsbeispiel 1:
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Fig. 3 ist ein Diagramm, das schematisch das
Abtast-Tunneleffektmikroskop mit einer Kathodenvorrichtung erklärt, die einen L&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristall
entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
enthält. Die Testvorrichtung war in gleicher Weise aufgebaut, wie in der
vorher erwähnten Literaturstelle McCord et al., J. Vac. Sci. Technol.
B4(1), Januar/Februar 1986, Seiten 86 bis 88 beschrieben.
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Auf eine Wolfram-Kathodenspitze 1 mit einem Durchmesser von 0,15
mm und einer Länge von 4 mm wurden mittels Klebstoff in Kaskade ein
quadratisches piezoelektrisches Pb (Zr; Ti) O&sub3;-Keramik-Element (PZT) 2
für grobe Bewegung, dessen Seiten je 5 mm messen und das eine Länge
von 18 mm hat, und ein quadratisches piezoelektrisches Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristall-
Element 3 befestigt, dessen Seiten je 5 mm messen und das eine Länge
von 10 mm hat. Ein Abstand von etwa 20 · 10&supmin;&sup8; cm (20 Angström)
wurde zwischen der Kathodenspitze 1 und einer Silizium-Platte 4
eingehalten, die die zu messende Probe war und auch als Anode diente, um
dadurch einen Tunnelstrom 5 zu erzeugen. Indem man den Kathodenchip
1 nahe an die Silizium-Platte 4 brachte, wurde der Abstand zwischen
beiden unter Verwendung des piezoelektrischen PZT-Elements 3
adjustiert. Ein Tunnelstrom 5 von 1 nA wurde erhalten, wenn eine Spannung
von etwa 1 Volt zwischen der Kathodenspitze 1 und der Silizium-Platte
4 angelegt wurde. Die Silizium-Platte 4 besaß viele Stufen mit einer
Höhe von etwa 10&supmin;&sup7; cm (10 Angström). Die Stufen wurden beobachtet
unter Verwendung des piezoelektrischen Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristall-Elements 3 für
feine Bewegung. Wenn die Silizium-Platte mit einer Geschwindigkeit von
etwa einem 1 cm pro Sek. feinbewegt wurde, änderte sich der elektrische
Strom mit einer so hohen Frequenz wie etwa 1 MHz. Um den
Tunnelstrom von 1 nA ohne die Stromänderung, die von der Änderung des
Abstands zwischen Kathode und Anode herrührt, konstant zu halten,
wurde die angelegte Spannung 8 durch einen Servoverstärker 7 geändert
unter Bezugnahme auf die Charakteristik: angelegte Spannung gegen
Belastung des U&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristalls, die bereits, wie in Fig. 1 gezeigt,
gemessen wurde, so daß eine Spannung zwischen den Endpunkten eines
Widerstandes 6 mit einem Widerstandswert von 10 Megohin in Höhe von
10 mV eingehalten wurde, in einem Versuch, den Abstand zwischen der
Kathode und der Anode konstant zu halten. Als Ergebnis sprach der
piezoelektrische U&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristall-Körper auf die Änderung des Stroms von
ungefähr 1 MHz an, und der Tunnelstrom von 1 nA konnte eingehalten
werden, indem man den Abstand zwischen der Wolfram-Kathode und der
Silizium-Platte auf 20 · 10&supmin;&sup8; cm (20 Angström) konstant hielt. Messung
der an den Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristall angelegten Spannung machte es möglich, die
Feinstruktur auf der Silizium-Oberfläche bei hohen Geschwindigkeiten zu
beobachten.
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Wurden die Stufen wie bisher unter Verwendung eines piezoelektrischen
PZT-Elements 2 ohne die Verwendung des L&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristalls beobachtet,
arbeitete die Vorrichtung nur dann richtig, wenn der Strom eine
Frequenz von weniger als 1 kHZ besaß.
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Elektroden der Kathodenspitze, des piezoelektrischen PZT-Kristalls und
des piezoelektrischen Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristalls wurden hergestellt durch
Ausformen eines Silberpastenfilms oder eines aufgedampften Goldfilms.
Verbindungsleitungen wurden an diese Elektroden angeschlossen. Die
Spannung wurde an die piezoelektrischen Kristalle in ihrer Axialrichtung
angelegt, so daß die Kristalle in ihrer axialen Richtung ausgedehnt oder
zusammengezogen wurden. Die Z-Achse des b&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristalls wurde in
Übereinstimmung mit der axialen Richtung der Kathode gebracht.
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Im allgemeinen wird ein elektrischer Strom, der zwischen Kathodenspitze
und Anode fließt, ein Tunnelstrom, wenn der Abstand zwischen den
beiden kleiner als etwa 20 · 10&supmin;&sup8; cm (20 Angström) ist, ein
Feldemissionsstrom, wenn der Abstand größer als ungefähr 50 · 10&supmin;&sup8; cm (50
Angström), ist, und ein Übergangsstrom, wenn die Distanz zwischen 20
bis 50 · 10&supmin;&sup8; cm (20 bis 50 Angström)) liegt.
Ausführungsbeispiel 2:
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Unter Verwendung der gleichen Vorrichtung wie bei der Fig. 3 wurde
ein Feldemissionsstrom außerhalb der Tunnelstromregion gezogen, unter
Einhaltung einer Distanz von 1 um zwischen der Wolfram-Kathodenspitze
1 und der Silizium-Platte 4, um die Stufen zu messen, die eine Höhe
von etwa 10&supmin;&sup6; cm (100 Angström) auf der Silizium-Oberfläche aufweisen.
Ein Strom von 1 nA wurde unter Anlegen einer Spannung von etwa 100
Volt erhalten. Wie im Ausführungsbeispiel 1 konnte der
Feldemissionsstrom bei 1 nA konstant gehaften werden, selbst wenn die Silizium-Platte
mit hoher Geschwindigkeit bewegt wurde, durch Anlegen der Spannung
8 an den Li&sub2;B&sub4;O&sub7;-Einkristall wechselnd über einen Bereich von 0 bis
1000 Volt mit einer Frequenz in Höhe von etwa 1 MHz, so daß der
Abstand zwischen Kathode und Anode konstant gehalten wurde. In
diesem Fall konnten grobe Strukturen von 10&supmin;&sup6; bis 10&supmin;&sup5; cm (100 bis 1000
Angström) auf der Silizium-Oberfläche mit hoher Geschwindigkeit
identifiziert werden.
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Wie beim Ausführungsbeispiel 1 erklärt, konnte man ferner nur einen
elektrischen Strom einer Frequenz von weniger als 1 kHz verwenden,
wenn die Stufen unter ausschließlicher Verwendung des piezoelektrischen
PZT-Elements 2 beobachtet wurden, ohne den L&sub2;B&sub4;O&sub7;-Kristall zu
verwenden, also in der traditionellen Weise.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann, wie aus der obigen
Beschreibung hervorgeht, der Oberflächenzustand der Anode unter
Verwendung von Signalen einer Frequenz von größer als etwa 1 MHz
verarbeitet werden, was es möglich macht, eine Bildabtastung hoher
Geschwindigkeit in einem Abtast-Tunneleffektmikroskop oder dergleichen
durchzuführen.