DE3853155T2 - Rastertunnelmikroskop mit einer Vorrichtung zum Berichtigen von Oberflächendaten. - Google Patents

Rastertunnelmikroskop mit einer Vorrichtung zum Berichtigen von Oberflächendaten.

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DE3853155T2
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Description

    Technisches Gebiet:
  • Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Erhalten von Oberflächeninformation zu einer Probe dadurch, daß eine Meßspitze dicht an die Probe gebracht wird und die Oberflächeninformation auf Grundlage physikalischer Parameter wie des Stroms, der zwischen der Meßspitze und der Probe fließt, erhalten wird. Spezieller betrifft die Erfindung ein Oberflächenmeßgerät, das die Topographie durch Durchrastern einer Meßspitze mit hoher Geschwindigkeit liefern kann, eine große Fläche betrachten kann und eine Feincharakterisierung liefern kann.
    • Hintergrundbildender Stand der Technik:
  • In der Vergangenheit wurden Rastertunnelmikroskope (RTM) als Systeme bekannt, die zum Betrachten der Kristallstruktur einer festen Oberfläche mit einer Auflösung unter einem Å (Å= 10&supmin;¹&sup0; m) wirksam sind.
  • Eine RTM-Vorrichtung vom Konstantstromtyp ist aus SURFACE SCIENCE, Vol. 181, 1987, Seiten 165-173, Amsterdam, NL, bekannt: K. Kajimura et al "Construction of an STM and observation of 2H-NbSe&sub2; atomic images".
  • Ein herkömmliches RTM-Gerät verwendet ein System, bei dem eine Meßspitze an der Spitze eines dreidimensionalen Feinstellglieds befestigt wird, und die Position der Meßspitze, nachdem der Abstand zwischen der Probe und der Meßspitze unter Verwendung eines Grobstellglieds (Schrittschneckensystem) in Z-Richtung auf einige Dutzend Å bis einige wenige Å verringert wurde, einer Servosteuerung auf solche Weise unterzogen wird, daß der durch die Meßspitze fließende Tunnelstrom konstant gehalten wird, während das Schrittschneckensystem festgehalten wird und die Meßspitze in X-und Y-Richtung durchgerastert wird, um dabei die Verschiebung der Meßspitze anzuzeigen. Ein solches System ist z.B. in der US-Patentbeschreibung Nr. 4,343,993 beschrieben.
  • Andererseits ist ein Verfahren zum Erhalten einer Topographie während einer Hochgeschwindigkeitsabtastung durch ein RTM in Appl. Phys. Lett. 48 (1986), S. 832-834 erörtert.
  • Ein Annäherungsverfahren für die Meßspitze und die Probe und ein Auswählverfahren für den Beobachtungsbereich gemäß dem Stand der Technik sind in Appl. Phys. Lett. 40 (1982), S. 178-180 beschrieben.
  • Übrigens ist das RTM-Prinzip in Scientific American (Japanische Version), 1. Oktober 1985, S. 10-17 und dergleichen beschrieben.
  • Wenn Hochgeschwindigkeitsabrasterung gemäß der vorstehend beschriebenen bekannten Technik erfolgt, wird der Abstand zwischen der Meßspitze und der Probe auf einem willkürlichen Wert gehalten, und nachdem die Abstandssteuerung aufgehoben ist, wird die Meßspitze auf der Probenoberfläche verstellt und der Tunnelstrom oder die Feldemission, wie sie aus der Änderung des Abstands erhalten wird, wird als Oberflächeninformation verwendet. Aus diesem Grund hat die bekannte Technik die Schwierigkeit, daß die Strukturinformation der Topologie nicht korrekt erhalten werden kann und daß die Meßspitze auf die Probe aufschlägt, wenn irgendwelche Fälligkeiten innerhalb des Abtastbereichs bestehen oder wenn die Schrägstellung zwischen der Abtastfläche und der Probenfläche mindestens 10 Å ist oder die Probenoberfläche wächst, wie bei Kristallwachstum, insbesondere im Fall einer großen Abtastfläche.
  • Ferner ist ein herkömmliches RTM nicht ohne die Schwierigkeit, daß dann, wenn Hochgeschwindigkeitsabrasterung erfolgt, eine feine Struktur überhaupt nicht gemessen werden kann, da das Servosystem oder ein piezoelektrisches Bauelement nicht im Bereich hoher Frequenz ansprechen.
  • Noch eine andere Schwierigkeit der bekannten Technik liegt darin, daß sie keinerlei Gegenmaßnahme berücksichtigt, wenn die Änderung der Relativpositionen zwischen der Meßspitze und der Probe, wie sie von der Neigung der Probe und ihrer Verwindung herrührt, den Verstellbereich in Z-Richtung des Feinstellglieds der Meßspitze oder den Digitalisierungsfehler der Daten überschreitet. Dies führt zu Schwierigkeiten wie einem Zusammenprallen zwischen der Probe und der Meßspitze und einer Aufhebung und einem Ungültigwerden der Messung.
  • Die bekannte Technik berücksichtigt auch nicht die Annäherung der Meßspitze mit scharfer Spitze an die Probe oder eine Instabilität des Tunnelstroms und hinsichtlich der Annäherung der Meßspitze an die Probe, während die Spitze scharf bleibt und hinsichtlich der Auswahl des Beobachtungsbereichs sind noch zu lösende Probleme vorhanden.
    • Offenbarung der Erfindung:
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, ein Oberflächenmeßgerät zu schaffen, das selbst für eine Probe mit großer Fläche dazu in der Lage ist, eine Feincharakterisierung mit hoher Geschwindigkeit auszuführen.
  • Abweichend von der bekannten Technik, die nicht die Meßspitze bei schneller Abrasterung einer Servosteuerung unterzieht, sondern sie in einer vorgegebenen Ebene verstellt, um ein Strombild zu repräsentieren, unterzieht die erste Maßnahme der Erfindung den Abstand zwischen der Meßspitze und der Probe selbst im Fall einer schnellen Abrasterung einer Servosteuerung, um zumindest das Anschlagen der Meßspitze an der Probe zu verhindern. Wenn schnelle Abrasterung erfolgt, weist der Meßstrom einen Fehler gegen einen Sollstrom auf, da das Frequenzansprechverhalten des Regelungssystems nicht ausreichend hoch ist. Die Erfindung nimmt eine Umwandlung der Stromschwankung in einen Höhenfehler für diesen Strom vor und sie erzielt eine genaue Oberflächeninformation dadurch, daß sie die Strukturinformation oder Charakterisierung unter Verwendung dieses Höhenfehlers korrigiert, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
  • Die zweite Maßnahme der Erfindung verwendet eine Doppelservoschleifenstruktur mit einer Servoschleife, die den Tunnelstrom durch Verstellen eines Z-Achse-Feinstellglieds konstant hält, und einer Servoschleife, die ein Z-Achse-Grobstellglied so regelt, daß die niederfrequente Komponente der an das Feinstellglied angelegten Spannung unterdrückt wird. Anders gesagt, regelt die Erfindung das Grobstellglied auf solche Weise, daß das Z-Achse-Feinstellglied während der Datenerfassung immer im Verstellbereich liegt, wodurch es möglich ist, die Beobachtung einer großen Fläche auszuführen.
  • Die dritte Maßnahme der Erfindung ist es, eine Beobachtung über einen großen Bereich ohne Unterbrechung und Ungültigwerden der Datenerfassung dadurch auszuführen, daß als Versatzspannung einer Datendigitalisierschaltung die niederfrequente Komponente der Anlegespannung an das Feinstellglied angelegt wird, um den Abstand zwischen der Meßspitze und der Probe konstant zu halten und so den Digitalisierungsbereich zu verschieben.
  • Die vierte Maßnahme der Erfindung ist darauf gerichtet, daß sich die Meßspitze der Probe ohne Zusammenprall zwischen diesen nähert und daß der Beobachtungsbereich dadurch ausgewählt wird, daß eine Verstelleinrichtung so angeordnet wird, daß sich die Meßspitze der Probe ausgehend von einem weiteren Abstand eng annähert, oder daß der Beobachtungsbereich zusammen mit dem Feinstellglied ausgewählt wird, um den Abstand zwischen der Meßspitze und der Probe konstant zu halten, wobei der Betrieb der Verstelleinrichtung unmittelbar nach Erkennung eines Tunnelstroms über dem Sollstrom angehalten wird und sie um einen frei gewählten Abstand zurückbewegt wird.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • Fig. 1 ist eine Konfiguration eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 2 ist eine Konfiguration eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die das Prinzip einer Maßnahme der Erfindung zeigt;
  • Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines RTM-Abrastersystems bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 5 ist ein Blockschaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 6 ist eine erläuternde Ansicht des Verstellbereichs eines Feinstellglieds;
  • Fig. 7 ist ein Diagramm für die Beziehungen zwischen den Verstellbereichen des Fein- und des Grobstellglieds;
  • Fig. 8 ist ein Flußdiagramm für die automatische Annäherung einer Meßspitze an eine Probe;
  • Fig. 9 ist ein Schaltbild einer Tunnelstrom-Meßschaltung;
  • Fig. 10 ist eine Konfiguration eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 11 ist eine Konfiguration für Digitalisierung;
  • Fig. 12 ist eine Strukturansicht für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 13 ist ein Blockdiagramm zum Erläutern der Annäherung zwischen der Meßspitze und der Probe in einem RTM bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 14a-14d sind Zeitsteuerdiagramme zum Erläutern des Betriebs von Fig. 13;
  • Fig. 15 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel zum Ansteuern eines sich zusammenziehenden Piezobauelements in einem Schrittschneckensystem mit konstanter Geschwindigkeit zeigt;
  • Fig. 16 ist eine Draufsicht auf ein RTM mit einem dreidimensionalen Schrittschneckensystem; und
  • Fig. 17 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Verstellsteuerschaltung zeigt, die mehrere Schrittschneckensysteme betreibt und über Schaltmodi wie automatische Annäherung, automatische Verstellung, Handverstellung und dergleichen verfügt.
    • Beste Art zum Ausführen der Erfindung: [Ausführungsbeispiel 1]
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel erläutert, das selbst dann keinen Zusammenprall zwischen der Meßspitze und der Probe bewirkt, wenn schnell abgerastert wird, und mit dem die Topographie der Probe mit hoher Genauigkeit beobachtet werden kann.
  • Das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels wird zunächst unter Bezugnahme auf die schematische Ansicht von Fig. 3 erläutert. Wenn eine (nicht dargestellte) Potentialdifferenz zwischen der Meßspitze 1 und der Probe 2 entsteht, fließt aufgrund des Tunneleffekts ein Strom zwischen dem Meßspitzeatom 1a und den Probenatomen 2a und durch eine (nicht dargestellte) Verstelleinrichtung, die die Meßspitze 1 hält, wird eine Servosteuerung auf solche Weise ausgeführt, daß der Tunnelstrom konstant bleibt. Wenn die Meßspitze 1 in diesem Zustand mit hoher Geschwindigkeit entlang der Probenoberfläche verstellt wird, wird die Trajektorie 5 der Meßspitze servogesteuert, wie dies durch die durchgezogene Linie dargestellt ist, da das Servosystem der Höhenfrequenzkomponente nicht folgen kann. Eine ideale Trajektorie 6 ist eine solche, wie sie durch die gestrichelte Linie repräsentiert ist, und der Höhenfehler ΔZ&sub2; zwischen den beiden Trajektorien 6 und 5 wird als Stromschwankung (Stromabweichungskomponente) erfaßt. Daher kann die korrekte Topographie dadurch erhalten werden, daß die Änderung ΔZ&sub1; der Trajektorie 5 der Meßspitze durch den Möhenfehler ΔZ&sub2; korrigiert wird, wie er aus der Stromabweichungskomponente durch Umwandlung erhalten wurde.
  • Übrigens kann der Höhenfehler ΔZ&sub2; gemäß der folgenden Gleichung aus der Stromabweichungskomponente erhalten werden. Z.B. genügen der Tunnelstrom It und der Abstand S theoretisch der folgenden Beziehung:
  • It = K&sub1; (1/S) exp (-K&sub2;S) (1),
  • wobei K&sub1; und K&sub2; Konstanten sind.
  • Demgemäß kann die Stromschwankung ΔIt wie folgt unter Verwendung der Abstandsänderung ΔS ausgedrückt werden:
  • ΔIt = -[(1/S) + K&sub2;] ItΔS (2).
  • Für die Gleichung (2) gilt (1/S « K&sub2;) im Bereich S ≥ 5 Å und sie wird durch die nachfolgende Gleichung (3) wiedergegeben:
  • ΔIt = -K&sub2;ItΔS (3).
  • Daher berechnet sich der Höhenfehler ΔZ2 aus dem Abweichungsstrom ΔIt auf die folgende Weise:
  • ΔZ&sub2; = -(1/K&sub2;) (ΔIt/It) (4).
  • Fig. 1 zeigt die Grundkonfiguration dieses Ausführungsbeispiels. Dieses Ausführungsbeispiel besteht aus einem Piezobauelement 7 als Verstelleinrichtung, das eine Meßspitze 1 trägt, einer Servoschaltung 10 als Servoeinrichtung, einer Spannungsquelle 8 als Spannungsanlegeeinrichtung, einem Stromdetektor 9, einer Umsetzschaltung 11 (Stromschwankung in Höhenfehler) und einer Korrekturschaltung 12. Wenn sich die Meßspitze 1 in diesem Zustand einer Probe 2 nähern kann, fließt ein Tunnelstrom oder ein Feldemissionsstrom und er wird vom Stromdetektor 9 gemessen. Wenn dieses Signal der Servoschaltung 10 zugeführt wird, betreibt diese das Piezobauelement 7 so, daß dieser Strom einen vorgegebenen Bezugswert einnimmt. Im Ergebnis wird die Meßspitze 1 einer solchen Servosteuerung unterzogen, daß ihr Abstand zur Probe 2 konstant gehalten wird. Wenn sich jedoch dieser Abstand beim Abrastern der Meßspitze 1 oder der Probe 2 in diesem Fall schnell ändert, kann das Servosystem der Änderung nicht folgen und der Abstand zwischen der Meßspitze 1 und der Probe 2 ändert sich. Demgemäß wird der Strom nicht konstant gehalten und das Ausgangssignal des Stromdetektors 9 ändert sich. Diese Änderung wird, wie oben beschrieben in die Servoschaltung 10 eingegeben, und sie wird auch in die Umsetzschaltung 11 (Stromschwankung in Höhenfehler) eingegeben. Diese Umsetzschaltung 11 erfaßt den Abweichungsstrom gegenüber dem Bezugswert und erfaßt den Abstandabweichungswert gemäß Gleichung (4). Die Korrekturschaltung 12, die aus einer Additionsschaltung besteht, korrigiert dieses Meßsignal ΔZ&sub2; und die von der Servoschaltung 10 ausgegebene Höheninformation ΔZ&sub1;, und es kann eine genaue Topographieinformation (ΔZ&sub1; + ΔZ&sub2;) erhalten werden und auf einer Anzeige 13 dargestellt werden. Übrigens wird, da die von der Servoschaltung 10 ausgegebene Höheninformation ΔZ&sub1; früher als ΔZ&sub2; ausgegeben wird, zeitliche Übereinstimmung vorzugsweise dadurch zwischen ΔZ&sub1; und ΔZ&sub2; hergestellt, daß ΔZ&sub1; durch eine Verzögerungsschaltung geleitet wird, bevor dieser Wert in die Korrekturschaltung 12 eingegeben wird. Ferner muß ΔZ&sub2; korrigiert werden, da sich dieser Wert abhängig von Materiewerten an der Oberfläche der Probe ändert. Diese Korrektur kann dadurch erfolgen, daß aus einer Schwingungseinrichtung in Z-Richtung und der Stromschwankung eine Proportionalitätskonstante bestimmt wird. Vorzugsweise erfolgt die Korrektur während oder unmittelbar vor der Betrachtung.
    • [Ausführungsbeispiel 2]
  • Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wenn das erste Ausführungsbeispiel auf ein Rastertunnelmikroskop (RTM) angewandt wird. Obwohl dieses Ausführungsbeispiel dieselbe Struktur wie das in Fig. 1 dargestellte aufweist, liegt die Differenz darin, daß die Umsetzschaltung 11 (Stromschwankung in Höhenfehler) im Servosystem enthalten ist. Dieses macht das Servosystem extrem stabil. Die Spannungsquelle 8 legt Spannung an die Probe 2 an. Eine zweidimensionale Abrastersteuerung 23, ein X-Achse-Piezobauelement 15 und ein Y-Achse-Piezobauelement 16 sind für die Funktion der Abrasterung der Meßspitze 1 über die Oberfläche der Probe 2 hinzugefügt, und ein Vollbildspeicher 24, ein Fernsehmonitor 25, ein CRT-Monitor 26, eine X-Y-Aufzeichnungseinrichtung 27 und ein Computersystem 28 sind für dreidimensionale Anzeige hinzugefügt. In der Zeichnung legt die Spannungsquelle 8 Spannung an die Probe 2 an, der Strom wird vom Tunnelstromdetektor 9 gemessen, die Stromabweichung wird durch Vergleich des Bezugswerts von einer Bezugsstrom-Einstellschaltung 17 mit dem Strom in einer Subtraktionsschaltung 18 erfaßt, und die Stromabweichung wird durch die Stromumsetzschaltung 11 in das Höhenfehlersignal umgesetzt. Danach wird durch eine Servosteuerung 19, einen Hochspannungsverstärker 20 und das Z-Achse-Piezobauelement 7 eine solche Konstantstromregelung ausgeführt, daß das oben beschriebene Höhenfehlersignal Null (0) wird. Andererseits wird Topographieinformation dadurch erhalten, daß das Ausgangssignal der Servosteuerung 19 durch die Korrekturschaltung 22 zum Höhenfehler addiert wird, der dadurch erhalten wurde, daß das Ausgangssignal der Umsetzschaltung 11 durch einen Verstärker 21 geschickt wurde. Übrigens nimmt die Korrekturschaltung eine Subtraktion abhängig von der Polarität des Höhenfehlers vor. Obwohl es in der Zeichnung so dargestellt ist, daß die Höheninformation vom Servosystem als Ausgangssignal der Servosteuerung 19 verwendet wird, ist es bevorzugt, das Ausgangssignal des Hochspannungsverstärkers 20 zu dämpfen und zu verwenden, wenn die Frequenzeigenschaften des Hochspannungsverstärkers 20 gering sind.
  • Das Rastertunnelmikroskop betreibt das Servosystem, nimmt eine Abrasterung der Meßspitze 1 auf der Probenoberfläche vor, während der Abstand konstant gehalten wird, und speichert die dreidimensionale Information X, Y, Z zur Topographie in den Vollbildspeicher 24 ein. Danach wird die Ausgangsinformation vom Vollbildspeicher 24 an den Fernsehmonitor 25, den CRT-Monitor 26, die X-Y-Aufzeichnungseinrichtung 27 oder das Computersystem 28 übertragen oder dargestellt, um ein dreidimensionales Bild darzustellen. Neben Graustufenmodulation und topographischer Anzeige kann das Computersystem eine Konturverarbeitung, eine dreidimensionale Anzeige unter einem beliebigen Winkel oder eine Stereoverarbeitung und eine Neigungskorrektur vornehmen. Ferner ist der Vollbildspeicher 24 manchmal im Computersystem enthalten. Übrigens ist die Servosystemschaltung in Fig. 2 unter der Annahme eines analogen Verarbeitungssystems dargestellt, jedoch ist vom Schutzbereich der Erfindung ein digitales Verarbeitungssystem oder ein das erstere enthaltendes System umfaßt. Ferner beruht die Umsetzschaltung 11 (Stromschwankung in Höhenfehler) auf der Gleichung (4), jedoch kann diese Schaltung auf Versuchsdaten oder einer anderen Beziehung beruhen und vom Schutzbereich der Erfindung wird auch ein Tabellenbezugnahmeverfahren oder die Verwendung von Umsetzschaltungen mit anderen Funktionen zusätzlich zur Dividiereinrichtung umfaßt.
  • Wie vorstehend beschrieben, kann das Rastertunnelmikroskop unter Verwendung der Erfindung für schnelle Abrasterung die Topographie der Probe 2 oder ein Oberflächenatombild erzeugen, ohne daß die Meßspitze 1 auf die Probe 2 aufschlägt. Anders gesagt, können ein Kristallwachstumsprozeß auf der Probe und ein Adsorptionsprozeß mit Videogeschwindigkeit erfolgen und es kann eine Echtzeitbeobachtung an einer Stelle durch ein Videobild erfolgen. Da die Meßspitze 1 bei der Erfindung nicht auf die Probe 2 schlägt, kann ein Auslesen mit hoher Geschwindigkeit erfolgen, wenn die Erfindung auf das Auslesen eines Dateispeichers mit großer Kapazität angewandt wird.
  • In Verbindung mit den Aufbauelementen des Servosystems kann das Frequenzansprechverhalten leicht dadurch verbessert werden, daß lediglich die Frequenzcharakteristiken des Stromdetektors 9, der Subtraktionsschaltung 18, der Umsetzschaltung 11 (Stromschwankung in Höhenfehler), des Verstärkers 21 und der Korrekturschaltung 22 geändert werden, selbst wenn herkömmliche Aufbauelemente verwendet werden, wie die Servosteuerung 19, deren Frequenzcharakteristik nur höchst schwierig verbessert werden kann, der Hochspannungsverstärker 20 und das Z-Achse-Piezobauelement 7.
  • Obwohl die vorstehenden Ausführungsbeispiele Fälle veranschaulichen, bei denen eine feste Sonde verwendet wird, gilt die Erfindung exakt auf dieselbe Weise für die Verwendung eines flüssigen Metalls oder von Elektronen oder Ionen.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die dreidimensionale Form der Oberfläche der Probe gemessen werden, ohne daß die Meßspitze auf die Probe aufschlägt, selbst wenn die Meßspitze über die Probenoberfläche verstellt wird, und es kann nun eine Vorortbeobachtung eines Kristallwachstumsprozesses oder dergleichen, was herkömmlicherweise nicht möglich war, erfolgen. Die Erfindung kann unter Verbesserung der Betriebsgeschwindigkeit von Verstärkern der elektrischen Schaltungen realisiert werden und sie schafft eine große wirtschaftliche Wirkung wie die Verringerung der Kostenlast. Anders gesagt, kann die Abrastergeschwindigkeit mindestens 100-fach erhöht werden, wobei lediglich die Aufbauelemente aus dem Stand der Technik verbessert werden.
    • [Ausführungsbeispiel 3]
  • Noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das es ermöglicht, eine Probe über einen größeren Bereich zu betrachten oder zu untersuchen, ohne daß ein Zusammenprall zwischen der Meßspitze und der Probe verursacht wird, selbst wenn irgendwelche Neigungen, Verwindungen, Ungleichmäßigkeiten der Dicke usw. an der zu messenden Probe vorliegen, wird nun demonstriert.
  • Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß es eine Doppelschleifenstruktur aufweist, die aus folgendem besteht: einer Servoschleife, die den Tunnelstrom durch Betätigen eines Z-Richtung-Feinstellglieds konstant hält, und einer Servoschleife, die ein Z-Achse-Grobstellglied so regelt, daß die niederfrequente Komponente der an das Feinstellglied angelegten Spannung konstant bleibt, wobei die Regelung so ausgeführt wird, daß das Z-Richtung-Feinstellglied während der Datenerfassung immer im Verstellbereich bleibt.
  • Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines Rastersystems eines Rastertunnelmikroskops (RTM), das aus einem dreibeinigen Scanner für dreidimensionale Feinverstellung und einem Schrittschneckensystem für Grobverstellung besteht. Die Stellglieder verwenden jeweils ein Piezobauelement unter Verwendung eines keramischen Zuschnittmaterials. Das dreidimensionale Abrastersystem besteht aus einem Z-Richtung- Feinstellglied 7, das sich fein auf solche Weise verstellt, daß es den Abstand zwischen der Probe 2 und der Meßspitze konstant hält, einem X-Richtung-Abrasterstellglied 15 und einem Y-Richtung-Abrasterstellglied 16, und die Meßspitze 1, deren Spitze scharf ausgearbeitet ist, ist an der Spitze dieses Abrastersystems in Z-Richtung befestigt. Andererseits ist die zu messende Probe 2 an der Spitze des Z-Richtung- Grob(vorschub)-Stellglieds 4 des Schrittschneckensystems für Grobverstellung befestigt. In der Nähe der beiden Enden des Stellglieds 4 sind ein A-Stellglied 4a zur Verriegelung, das eine Schrittschneckenverstellung hervorruft, ein Verriegelungsmetallstück 30a zum Festhalten einer der Seiten des Vorschubstellglieds 4, ein B-Stellglied 4b zum Festhalten der entgegengesetzten Seite und ein Verriegelungsmetallstück 30b angeordnet. Diese Teile bilden zusammen das Z-Richtung- Schrittschneckensystem für Grobverstellung. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel ist das B-Stellglied 4b zusammengezogen, das Metallstück 30b hält die Probenbefestigungsseite des Vorschubstellglieds 4, um dessen Verstellung zu verhindern, das andere A-Stellglied 4a ist gestreckt und sein Metallstück 30a ist vom Vorschubstellglied 4 beabstandet oder es befindet sich im Zustand, in dem die Probenbefestigungsfläche des Stellglieds 4 und seine entgegengesetzte Seite eine freie Verstellung ausführen können. Ubrigens beinhaltet ein praxisgerechtes RTM-System Grobverstellsysteme für die X- und die Y-Richtung, und wenn diese mit dem Grobverstellsystem für die Z-Richtung kombiniert werden, kann die Meßspitze 1 nahezu in einer beliebigen Koordinatenebene der Probenoberfläche verstellt werden.
  • Fig. 6 ist eine Ansicht zum Erläutern der Bewegung des Z- Richtung-Feinstellglieds. Im allgemeinen ist der maximale Verstell(Feinverstell)-Hub lZ des Feinstellglieds auf einen kleinen Wert eingestellt, um eine hohe Auflösung zu erzielen, und dieses Ausführungsbeispiel verwendet ein Piezobauelement mit 100 Å bis 400 Å (10 bis 40 Nanometer). Der Abstand zwischen der Meßspitze 1 und der Probe 2 wird auf ungefähr 10 Å gehalten, und wenn die Meßspitze in diesem Zustand verstellt wird, wird sie verstellt, während sie die Trajektorie 6 entlang der Oberflächenwelligkeiten der Probe 2 beschreibt.
  • Fig. 5 ist ein Schaltungsblockdiagramm. Die Probe 2 wird auf Massespannung gehalten und die Tunnelanlegespannung 8 ist über einen Widerstand Rt zur Strommessung mit der Meßspitze 1 verbunden. In diesem Zustand können sich die Meßspitze 1 und die Probe 2 einander nähern, während das Z-Grob(Vorschub)-Stellglied 4 und die Haltestellglieder 4a, 4b durch die Piezotreiberverstärker 32, 32a, 32b gemäß der Ablauffolge der Schrittschneckensteuerung 31 (die später unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben wird) zusammengezogen und gestreckt werden, und wenn der Abstand zwischen ihnen ungefähr 10 Å nahekommt, fließt ein Tunnelstrom It zwischen der Meßspitze und der Probe. Dieser Tunnelstrom It wird durch den Widerstand Rt zur Strommessung in eine Spannung umgesetzt, durch einen Meßverstärker 39 verstärkt und einer Subtraktion mit dem Bezugstunnelstromwert Vi unterzogen, und das Ergebnis wird mittels der Stromumsetzschaltung 11 das Höhenfehlersignal ΔZ&sub2; für den Höhenfehler zwischen der Meßspitze 1 und der Probe 2. (Wie es in der US-Patentbeschreibung Nr. 4,343,993 beschrieben ist, muß das Signal, da die Beziehung zwischen dem Tunnelstrom und dem Abstand nichtlinear ist, unter Verwendung der oben beschriebenen Umsetzschaltung 11 in ein lineares Signal rückgewandelt werden.) Das Signal wird vom Piezobauelement-Verstärker 33 für ΔZ&sub2; so verstärkt, daß dieser Höhenfehler ΔZ&sub2; Null wird, oder anders gesagt, der Abstand zwischen der Probe 2 und der Meßspitze 1 konstant wird, und das Z-Richtung-Feinstellglied 7 wird betrieben. Andererseits wird das Ausgangssignal des Piezobauelement-Verstärkers 33, d.h. die Zusammenziehinformation für das Z-Richtung-Feinstellglied 7 durch ein Dämpfungsglied 34 auf einen vorgegebenen Wert gedämpft und auf dem Fernsehmonitor 25 für Graustufenanzeige dargestellt. Das Differenzsignal (Bezugsanlegespannung-Abweichungskomponente Δv für das Z-Richtung-Feinstellglied) zwischen dem Mittelwert der Anlegespannung an das Z-Richtung-Feinstellglied 7 nach dem Entfernen der hochfrequenten Komponente (der Informationskomponente für feine Welligkeit der Probenoberfläche) durch das Tiefpaßfilter 35 zum Zeitpunkt des Abrasterns, und dem Bezugsanlegespannungswert (Sollzusammenziehabmessung) Vc an das Stellglied 7 wird durch den Verstärker 38 und einen Umschalter 36 geleitet, mit dem Ausgangssignal eines D/A-Umsetzers 37 zum Ausdehnen und Zusammenziehen des Z-Richtung- Grobstellglieds 4 auf Grundlage der Anweisung von der Schrittschneckensteuerung 31 kombiniert und in den Piezobauelement-Verstärker 32 eingegeben, um das Z-Richtung-Grobstellglied 4 zu betreiben. (Zu diesem Zeitpunkt muß der Festhaltemechanismus 30a im Verriegelungszustand gehalten werden, während 30b im gelösten Zustand gehalten werden muß.) So erfolgt die Servosteuerung auf solche Weise, daß die Anlegespannung an das Z-Richtung-Feinstellglied 7 den niederfrequenten Bereich unterdrückt.
  • Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen dem Stellbereich lZ und der Grobverstellung zum zusätzlichen Erläutern der unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläuterten Doppelservostruktur. Wie unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert, ist der Stellbereich lZ des Feinstellglieds 7 auf einen kleinen Wert (100 Å - 400 Å) eingestellt, um die Meßauflösung zu verbessern. Andererseits verfügt das Z-Richtung-Grobstellglied (Vorschubstellglied im Schrittschneckensystem) über einen großen Stellbereich (lZ = 10 um - 20 um bei diesem Ausführungsbeispiel), um die Meßspitze schnell zur Probe verstellen zu können. Hierbei wird angenommen, daß die Probe 2 unter einem Winkel Θ am Halter befestigt ist. Wenn die Meßspitze 1 verstellt wird, wird die Regelgrenze überschritten, wenn der Stellbereich 12 des Z-Richtung-Feinstellglieds 7 aufgebraucht ist und eine Messung wird unmöglich oder die Probe 2 und die Meßspitze 1 stoßen gegeneinander. Daher wird es erforderlich, eine Servoschleife zu verwenden, die so arbeitet, daß sie diese 6-Komponente unter Verwendung des Grobstellglieds mit großem Stellbereich aufhebt.
  • Die Fig. 8 ist ein Flußdiagramm für einen Vorgang, der es der Probe ermöglicht, sich der Meßspitze in optimalem Zustand dadurch anzunähern, daß sie durch das Doppelservosystem betrieben wird. Die Beschreibung erfolgt so, daß auch auf Fig. 5 Bezug genommen wird. Zunächst wird das hinzugefügte Schleifensystem vor dem Betrieb der Ablauffolge für automatische Annäherung geöffnet (Schritt 61; oder der in Fig. 5 därgestellte Umschalter 36 wird ausgeschaltet). Die Anlegespannung an das Haltesystemstellglied 4a des Schrittschneckensystems auf der Seite A wird auf Null gebracht, um das A-seitige Verriegelungsmetallstück 30a in den Haltezustand zu bringen (Schritt 62) und an das B-seitige Haltesystemstellglied 4b wird eine Spannung (= 100 V) angelegt, um das B-seitige Verriegelungsmetallstück 30b zu lösen (Schritt 63). Die Spannung (= 100 V) wird schrittweise an das Z-Richtung-Grob(vorschub)-Stellglied 4 angelegt, um dieses Stellglied schnell zu dehnen (Schritt 64) und um zu beurteilen, ob der Tunnelstrom lt zu fließen beginnt oder nicht (Schritt 65). Wenn er nicht fließt, wird die Anlegespannung an das B-seitige Haltesystemstellglied 4b auf Null gesetzt, um die Seite B im Haltezustand zu halten (Schritt 66) und an das A-seitige Haltesystemstellglied 4a wird eine Spannung (= 100 V) angelegt, um die Seite A zu lösen (Schritt 67). Die an das Z-Grobstellglied 4 angelegte Spannung wird schnell auf Null gestellt, um dieses Stellglied schnell zusammenzuziehen (Schritt 68) und danach kehrt der Ablauf zum Schritt zurück, in dem die Seite A im Haltezustand gehalten wird (Schritt 62), wodurch die Schleife abgeschlossen wird.
  • Immer dann, wenn diese Schleife vom Schritt 62 zum Schritt 68 einmal ausgeführt wird, nähert sich das Z-Richtung-Grobstellglied 4 der Meßspitze 1 um den Wert, der der Streckung durch die angelegte Spannung entspricht (ungefähr 10 bis 20 um bei diesem Ausführungsbeispiel), so daß sich die Probe 2 und die Meßspitze 1 schnell einander nähern. Wenn sie sich dem Abstand (= 10 Å 20 Å) nähern, bei dem der Tunnelstrom It zu fließen beginnt, verläßt der Ablauf die Schleife 62-68 im Beurteilungsschritt 65 und gleichzeitig wird das Z-Grobstellglied 4 schnell zusammengezogen (Schritt 69). Danach wird an das Z-Grobstellglied eine feine Spannung schrittweise angelegt, damit das Stellglied 4 damit beginnt, sich um eine kleine Änderung zu strecken, die einem Schritt entspricht (ein Schritt = ungefähr 1,5 Å bei diesem Ausführungsbeispiel; Schritt 70), und die Erhöhung der Anlegespannung an das Stellglied 4 wird fortgesetzt, bis der Tunnelstrom It zu fließen beginnt (Schritt 71). Der Schritt zum Erhöhen der Anlegespannung an das Stellglied 4 wird zu dem Zeitpunkt angehalten, zu dem der Tunnelstrom It zu fließen beginnt und die Differenz ΔZ zwischen dem zentralen Wert oder dem Bezugswert des Stellbereichs des Z-Grobstellglieds 4 und dem an dieses Stellglied 4 angelegten Spannungswert am Haltepunkt berechnet wird (Schritt 72). Danach wird das Z- Grobstellglied 4 zusammengezogen (Schritt 73). Übrigens wird die Schleife der Schritte 62 bis 68 im einzelnen beim Ausführungsbeispiel 6 erläutert. Es wird beurteilt (Schritt 74), ob der zuvor berechnete Wert ΔZ positiv oder negativ ist, und wenn er positiv ist, bedeutet dies, daß die Erstreckung des Z-Grobstellglieds 4 kürzer als der zentrale Wert (Bezugswert) des Stellbereichs dieses Stellglieds 4 ist. Daher kann die automatische Annäherung des Verstellzentrums des Grobstellglieds 4 dadurch erfolgen, daß es um dieses Ausmaß (ΔZ) zurückgestellt wird. Der Ablauf dieses Zurückstellvorgangs um ΔZ ist durch die Schritte 75 bis 80 veranschaulicht.
  • Genauer gesagt, klemmt das B-seitige Verriegelungsmetallstück 30b das Ende des Stellglieds 4 fest (Schritt 75), während das A-seitige Verriegelungsmetallstück 30a das andere Ende des Stellglieds 4 löst (Schritt 46), um den Klemmvorgang umzuwechseln, und an das Z-Grobstellglied 4 wird eine ΔZ entsprechende Spannung angelegt (Schritt 47). Dann werden ein Klemmvorgang für A (Schritt 78) und ein Lösevorgang für B (Schritt 79) ausgeführt, um den Zustand in den ursprünglichen Zustand zurückzuführen, und danach wird die Anlegespannung an das Z-Grobstellglied 4 auf Null gestellt. Wenn durch den Beurteilungsvorgang 74 erkannt wird, daß ΔZ negativ ist, bedeutet dies, daß die Verlängerung des Z-Grobstellglieds 4 zum Zeitpunkt, zu dem der Tunnelstrom It zu fließen beginnt, größer ist als der zentrale Wert (Bezugswert) des Stellbereichs des Stellglieds 4. Dies zeigt an, daß Vorgänge entgegengesetzt zu denen des Ablaufs 75-80, d.h. eine Verlängerung des Stellglieds um einen Weg, der ΔZ entspricht, erforderlich sind. Daher wird das Z-Grobstellglied 4 um ΔZ gestreckt (Schritt 81) und es werden ein Klemmvorgang für B (Schritt 82) und ein Lösevorgang für A (Schritt 83) ausgeführt, um die Klemmtätigkeit des Haltesystems umzuwechseln. Danach wird die Erstreckung des Grobstellglieds 4 auf Null zurückgestellt (Schritt 84) und der Klemmvorgang für A (Schritt 85) und der Lösevorgang für B (Schritt 86) werden zurückgesetzt, damit das Ende des Stellglieds 4 nahe der Probe 2 frei wird. Auf diese Weise wird ein System zum Normieren des Schrittschneckensystems (Ablauf der Schritte 72 bis 86) verwendet, um das Z-Grobstellglied 4 allmählich zu verlängern (Schritt 47), und nachdem der Beginn des Fließens des Tunnelstroms It bestätigt ist (Schritt 88), wird das Stellglied 4 kontinuierlich verlängert, bis die Verlängerung des Z-Richtung-Feinstellglieds 4 das Zentrum (oder den gesetzten Bezugspunkt) für den Stellbereich des Stellglieds 4 erreicht, und wenn es das Zentrum des Stellbereichs erreicht (Schritt 89), wird die Anlegespannung unverändert gehalten (Schritt 90) und das Doppelschleifesystem wird betrieben (oder der Schalter 36 wird auf EIN gesetzt; Schritt 91).
  • Selbstverständlich kann der Ablauf der Schritte 72 bis 86 weggelassen werden, wenn es in Fig. 8 nur erforderlich ist, die Probe 2 automatisch zur Meßspitze 1 hin zu ziehen, d.h., wenn es nicht erforderlich ist, den Betriebspunkt des Z- Grobstellglieds 4 auf das Zentrum seines Stellbereichs einzustellen. Es ist auch möglich, die Schritte zum Ein- und Ausschalten des Doppelservosystems (Schritte 61 und 91) wegzulassen, wenn etwas an Genauigkeit geopfert wird.
  • Fig. 9 ist ein Schaltbild, das den Meßverstärker 39 zum Verstärken des Meßstroms (oder anderer physikalischer Parameter wie des Drucks, der Kapazität, der Temperatur, einer optischen Größe usw.) im in Fig. 5 dargestellten Blockdiagramm verkörpert. Die Polarität der Tunnelanlegespannung Vt hat vorzugsweise positives Potential oder negatives Potential, abhängig vom Oberflächenzustand der Probe 2, und die Anlegespannung Vt kann durch ein Potentiometer 41 auf einen beliebigen positiven oder negativen Wert eingestellt werden. Operationsverstärker 42 und 43 bilden eine Absolutschaltung für die oben beschriebene Polaritätsumkehr. Die Tunnelspannung Vt wird über einen Meßwiderstand Rt zwischen die Probe 2 und die Meßspitze 1 gelegt. Die Verbindungsstelle zwischen Rt und der Meßspitze 1 und der Zuleitungsdraht eines Blindwiderstands Rt', der nahe bei Rt angeordnet ist, sind mit dem +-Eingang und dem --Eingang des Differenzverstärkers 45 über abgeschirmte Drähte 44 mit zwei Adern verbunden, und die Signalkomponente, aus der Netzstörsignale wie solche durch Wechselspannungsinduktion entfernt sind, wird von diesem Verstärker 45 ausgegeben, sie wird von D&sub1; und D&sub2; erfaßt und sie wird durch den Operationsverstärker 43 in ein Absolutwert-Ausgangssignal umgesetzt (im Diagramm ist nur das Ausgangssignal in positiver Richtung dargestellt). Hierbei weisen R&sub1; bis R&sub7; denselben Wert auf. Wenn die Tunnelspannung Vt nur eine Polarität aufweist, kann die aus den Operationsverstärkern 42, 43 bestehende Absolutwertschaltung weggelassen werden.
  • Im in Fig. 5 dargestellten Blockdiagramm des dritten Ausführungsbeispiels kann die Abrastergeschwindigkeit für die Meßspitze dadurch verbessert werden, daß ein Korrekturwert für die Schrägstellung der Probe oder dergleichen, wie vorab gemessen, am einschaltseitigen Kontakt des Schalters 36 eingegeben wird und diese Schleife als Steuersystem verwendet wird.
    • [Ausführungsbeispiel 4]
  • Fig. 10 zeigt das vierte Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ohne das Z-Richtung-Feinstellglied 7 des dritten Ausführungsbeispiels auskommt, das jedoch das Z-Richtung-Grobstellglied 4 mit Feinverstellfunktion versieht. Der Unterschied dieser Schaltung gegenüber der in Fig. 5 dargestellten Schaltung liegt darin, daß das Feinstellglied 7 nicht verwendet wird und daß das Ausgangssignal ΔZ&sub2; der Umsetzschaltung 11 durch die Dämpfungsschaltung 34 gedämpft wird und ferner zum Additionswert aus dem Ausgangssignal des Schalters 36 und dem Ausgangssignal des D/A-Umsetzers 37 addiert wird, um das Piezo-Bauelement 32 zu betreiben. Der Rest der Schaltungskonfiguration ist derselbe wie der in Fig. 5 dargestellte. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel wird das Z-Grobstellglied 4 mit großem Stellbereich auch als Feinstellglied zum Aufbauen des Doppelservosystems mit verschiedenen Frequenzbändern verwendet. Demgemäß ist es möglich, obwohl die Auflösung wegen der dem Piezostellglied eigenen Hystereseeigenschaften etwas abfällt, Schwierigkeiten wie einen Zusammenprall zwischen der Probe 2 und der Meßspitze 1 oder übermäßige Trennung zwischen diesen unter Verwendung derselben mechanischen Struktur zu vermeiden. Der Äuflösungsabfall kann in gewissem Ausmaß dadurch verhindert werden, daß der Schleife ferner eine Hysteresekorrekturschaltung hinzugefügt wird.
  • Die Anlegespannung mit der niederfrequenten Komponente an das Z-Richtung-Feinstellglied erfaßt die Änderung der Relativposition zwischen der Probe und der Meßspitze, wie sie aus der Schrägstellung der Probe oder einem Wärmefaktor herrührt. Demgemäß arbeitet die Servoschleife mit dem Z-Richtung-Grobstellglied mit großem Stellbereich so, daß der mittlere Abstand zwischen der Probe und der Meßspitze konstant wird und die Probenoberfläche in einem weiten Bereich leicht beobachtet und ausgemessen werden kann.
    • [Ausführungsbeispiel 5]
  • Im allgemeinen wird bei Geräten wie einem Rastertunnelmikroskop (RTM) oder dergleichen die Trajektorie der Meßspitze in vertikaler Richtung als Graustufenanzeige, als Topographieanzeige oder als Konturanzeige durch Digitalisieren des Trajektoriensignals der Meßspitze in vertikaler Richtung dargestellt, dann wird diese in einem Speicher abgespeichert und dann wird, nachdem eine Computerverarbeitung erfolgte, wo immer erforderlich, das digitalisierte Signal zur Monitordarstellung in ein analoges Signal umgesetzt, obwohl dieser Ablauf in der Beschreibung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels weggelassen ist.
  • Fig. 11 ist eine Ansicht zum Erläutern des Konzepts der Digitalisierung. Die Ordinate repräsentiert den Feinverstellweg (ΔlZ) des Z-Richtung-Feinstellglieds und die Abszisse repräsentiert die Abrasterrichtung in X(oder Y)-Richtung. Die Zeichnung zeigt die Z-Richtung-Trajektorie 5 der Meßspitze als Ergebnis des Abrastervorgangs. Die Vertikalverstellung in Form einer kleinen Sinuswelle repräsentiert den Welligkeitszustand auf der Oberfläche der zu messenden Probe und der Trajektoriensignalverlauf 5 ist insgesamt nach rechts unten geneigt. Dies zeigt an, daß Neigung oder Verzerrung der Probe als extremer Fall vorliegt. Da es eine Hauptaufgabe ist, die Beziehung zwischen dem kleinen Tal und dem kleinen Berg des Trajektoriensignalverlaufs zu untersuchen (zu beobachten), kann der Digitalisierungsbereich auf solche Weise eingestellt werden, daß der Berg die Obergrenze und das Tal die Untergrenze bildet, um die höchste Auflösung zu erhalten. (Z.B. ist bei einer 8-Bit-Digitalisierung dann, wenn der Digitalisierungsbereich 100 Å ist, die minimale Digitalisierungseinheit 0,39 Å, und wenn der Digitalisierungsbereich auf 10 Å eingestellt ist, ist die mittlere Digitalisierungseinheit 0,039 Å.) Wenn der Signalverlauf insgesamt verschoben ist, wie für den Fall des Signalverlaufs 5 in der Zeichnung dargestellt, muß der Einstellbereich des Digitalisierungsbereichs erweitert werden, wodurch ein Auflösungsabfall unvermeidlich ist.
  • Dieses Ausführungsbeispiel schafft ein Oberflächenmeßgerät, das eine Probe über einen großen Bereich ohne Unterbrechung oder Ungültigwerden der Datenerfassung und ohne Auflösungsabfall betrachten kann.
  • Dieses Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalisierungsbereich automatisch dadurch verschoben wird, daß das Verschiebeausmaß des Signalverlaufs 5 erfaßt wird, um einen Auflösungsabfall zu verhindern.
  • Genauer gesagt, wird die niederfrequente Komponente der Anlegespannung für das Feinstellglied als Versatzspannung an eine Datendigitalisierschaltung angelegt.
  • Fig. 12 ist ein Blockdiagramm dieses fünften Ausführungsbeispiels. die Tunnelspannung 8 wird über den Meßwiderstand Rt an die Meßspitze 1 und die Probe 2 angelegt und die Tunnelstromkomponente It wird durch den Verstärker 39 verstärkt, vom Bezugsstromwert Vi abgezogen und das Ergebnis wird durch die Umsetzschaltung 11 in Abstandsinformation umgesetzt, um das Z-Richtung-Feinstellglied 7 so über das Piezobauelement 33 zu betreiben, daß der Strom It konstant wird. Andererseits wird das von der Umsetzschaltung 11 ausgegebene Abstandssignal von der Versatzspannung Vf abgezogen und das Differenzsignal wird über einen begrenzenden Verstärker 100 das Eingangssignal für einen A/D-Umsetzer 101. Um die Verschiebungskomponente der niederfrequenten Welle aufzuheben, wird das Äusgangssignal des Piezotreibers 33 durch das Dämpfungsglied 34 gedämpft und die zu beobachtende Signalkomponentenfreuenz wird durch das Tiefpaßfilter 35 entfernt. Die durch Subtrahieren der Sollstreckspannung Vc für das Z- Stellglied 7 erhaltene Differenzkomponente, d.h. die Verschiebekomponente gegenüber dem Anfangswert, wird vom Eingangssignal für den begrenzenden Verstärker 100 abgezogen, so daß sich der Digitalisierungsbereich automatisch verschiebt. Übrigens werden die vom A/D-Umsetzer 101 umgesetzten digitalen Daten der Reihe nach in einem zweidimensionalen Speicher (Vollbildspeicher) 102 abgespeichert und durch einen Computer 103 erfolgt eine Bildverarbeitung, wann immer dies erforderlich ist. Dann wird das Signal unter Verwendung eines D/A-Umsetzers 104 in ein analoges Signal umgesetzt und an die Anzeige 13 wie den Fernsehmonitor oder einen X-Y- Plotter ausgegeben.
  • Das vorstehend beschriebene fünfte Ausführungsbeispiel kann den Oberflächenzustand solcher Proben mit relativ großer Fläche beobachten und messen, deren Oberflächengenauigkeit jedoch nicht so hoch ist, wie bei einem Siliciumwafer, mit einer Auflösung unter einem Å (Å = 10&supmin;¹&sup0; m).
    • [Ausführungsbeispiel 6]
  • Wenn sich die Meßspitze der Probe nähern darf oder wenn der Beobachtungsbereich ausgewählt wird, darf die Meßspitze nicht auf die Probe treffen. Dieses Ausführungsbeispiel ist darauf gerichtet, diese Schwierigkeit zu verhindern.
  • Die Meßspitze-Verstelleinrichtung dieses Ausführungsbeispiels besteht aus mehreren Verstelleinrichtungen. Genauer gesagt, erfolgt eine Servosteuerung durch eine erste Verstelleinrichtung unter Verwendung physikalischer Parameter, wie sie erhalten werden, wenn die Meßspitze und die Probe dichter äufeinander zubewegt sind, und zwar so, daß der Abstand zwischen der Meßspitze und der Probe konstant gehalten wird. Eine zweite Verstelleinrichtung verstellt die Meßspitze zur Probe oder wählt den Beobachtungsbereich aus. Demgemäß kann sich die Meßspitze der Probe nähern oder sie kann sich innerhalb der Probenebene bewegen, ohne daß sie gegen die Probe stößt und die physikalischen Parameter, wie sie erhalten werden, wenn sich die Meßspitze der Probe nähert, können stabil mit hoher räumlicher Auflösung erhalten werden.
  • Fig. 13 zeigt die grundsätzliche Struktur dieses Ausführungsbeispiels. Die Zeichnung veranschaulicht den Fall, daß die Probe 2 und die Meßspitze 1 im Rastertunnelmikroskop (RTM) näher aneinanderbewegt sind, um den Abstand zwischen der Probe 2 und der Meßspitze 1 durch den Tunneleffekt dadurch einzustellen, daß die Probe 2 und die Meßspitze 1 dicht aneinandergebracht werden. Die Verstelleinrichtung bei diesem Ausführungsbeispiel besteht aus einem Abstandeinstell-Bauelement (Piezobauelement) 7 als erster Verstelleinrichtung zum Halten der Meßspitze 1 und einem Schrittschnekkensystem als zweiter Verstelleinrichtung zum Halten des Piezobauelements 7. Dieses Schrittschneckensystem weist folgendes auf: die Verstelleinheit, die aus einem Anschluß A46a zum Halten des Abstandeinstell-Bauelements 7, einem sich zusammenziehenden Piezobauelement 47 und einem Anschluß B46b besteht, und zwei Klemmeinheiten, die aus Klemmetallstücken A48a, B48b, klemmenden Piezobauelementen A47a, B47b und Federn 49 bestehen. Das Lösen einer Klemmeinrichtung erfolgt durch Anlegen einer Spannung an die klemmenden Piezobauelemente 47a, 47b, um die Klemmetallstücke 48a, 48b anzuheben. Dieses Ausführungsbeispiel erlaubt es, daß sich die Probe 2 der Meßspitze 1 unter Verwendung dieser zwei Verstelleinrichtungen mit der folgenden Schaltungskonfiguration nähern kann.
  • Die Schaltung besteht hauptsächlich aus einer Abstandeinstellschaltung und einer Verstellsteuerschaltung 50. Die Abstandeinstellschaltung wird in einem RTM verwendet und besteht aus einer Tunnelspannungsquelle 8, einer Tunnelstrom- Meßschaltung 9, einer Bezugswert-Einstellschaltung (für den Tunnelstrom) 17, einer Differenzbildungsschaltung 18 und einer Servosteuerschaltung 10. Andererseits besteht die Verstellsteuerschaltung 50 aus einer Strommeßschaltung 51, einer Piezobauelement-Schaltung zum Dehnen eines Piezobauelements 47 für eine Schrittschneckenverstellung, einer Ablaufsteuerschaltung 53 und Klemmtreiberschaltungen A52a, B52b. Die Bezugszahl 54 repräsentiert eine Tabelle und 55 repräsentiert ein Probenbett.
  • Gemäß der Verstelleinrichtung und dem Steuersystem, wie oben beschrieben, kann sich die Meßspitze 1 der Probe 2 ohne Zusammenstoß auf die folgende Weise nähern. Fig. 14c zeigt ein Zeitsteuerdiagramm für die Steuerung.
  • Zunächst wird die Probe 2 in gegenüber der Meßspitze 1 beabstandeter Beziehung angeordnet und die Servosteuerschaltung wird betrieben. Da kein Tunneleffekt auftritt, fließt jedoch kein Tunnelstrom und der Dehnungsweg des Abstandeinstell-Bauteils 7 wird maximal. In diesem Zustand wird die Verstellsteuerschaltung 50 so betrieben, daß sie es ermöglicht, daß sich die Meßspitze 1 der Probe 2 nähert. Die Ablaufsteuerschaltung 53 steuert die Klemmtreiberschaltung A52a an und das Klemmetallstück A48a wird durch das Klemmpiezobauelement A47a hochgedrückt, um die Klemmung des Anschlusses A46a (Vorgang von 141) aufzuheben. Übrigens überwacht die Ablaufsteuerschaltung 53 das Ausgangssignal der Klemmtreiberschaltung A52a und geht zum nächsten Vorgang weiter, wenn die ausgegebene Spannung einen eingestellten Wert auf ausreichende Weise erreicht hat.
  • Dieser Vorgang wird auf dieselbe Weise ausgeführt, wenn die Klemmpiezobauelemente A47a, B47b und das Dehnungspiezobauelement 47 sich dehnen oder zusammenziehen. Nachdem der Klemmvorgang am Anschluß A46 aufgehoben ist, wird die Dehnungstreiberschaltung 52 unter Verwendung des Ausgangssignals der Differenzschaltung 52 so betrieben, daß das Dehnungspiezobauelement 47 gedehnt wird (Vorgang von 142). Nachdem dieser Vorgang abgeschlossen ist, wird der Anschluß A46a festgeklemmt (Vorgang von 143), der Klemmvorgang am Anschluß B46b wird aufgehoben (Vorgang von 144), das Dehnungspiezobauelement 47 wird zusammengezogen (Vorgang von 145) und ferner wird der Anschluß B46b festgeklemmt (Vorgang von 146). Auf diese Weise wird die Meßspitze 1 dichter an die Probe 2 gebracht. Da jedoch die Meßspitze 1 nicht ausreichend nahe dafür an der Probe steht, daß der Tunneleffekt erzeugt wird, arbeitet jede Vorrichtung so, daß sie die Vorgänge 141a, 142a, 143a, 144a, 145a und 146a durchläuft. Danach gehen die Vorgänge zu 141b und 142b weiter, und wenn ein Tunnelstrom fließt, arbeitet die Strommeßschaltung 51 so, daß sie die Ausgangsspannung der Dehnungstreiberschaltung 52 auf Null setzt, d.h., daß der Zustand zu demjenigen zurückkehrt, in dem die Dehungstreiberschaltung 52 keine Dehnung vornimmt. Die automatische Annäherung wird abgeschlossen, während die Aufhebung des Klemmvorgangs am Anschluß A46a als solche aufrechterhalten bleibt. Dies, weil sich dann, wenn der Anschluß A46a festgeklemmt ist, die Spitze der Meßspitze 1 so verstellt, daß die Gefahr besteht, daß die Meßspitze 1 auf die Probe 2 trifft. Daher ist es bevorzugt, daß das Dehnungspiezobauelement 47 allmählich durch Handbetrieb gedehnt wird und die Meßspitze vorgestellt wird, um einen Tunnelstrom zu erzielen. Da der Tunneleffekt bei einem Abstand von ungefähr 10 Å auftritt, muß der Vorgang von 147 schnell erfolgen. Wenn die Verstellgeschwindigkeit des Schrittschneckensystems z.B. 10 um/s ist, ist ein Ansprechen innerhalb von 0,1 ms erforderlich. Im allgemeinen kann, da ein Piezobauelement mit ungefähr 100 V angesteuert wird, kein Operationsverstärker mit hohem Ansprechverhalten verwendet werden. Aus diesem Grund betreibt die Erfindung die Abstandeinstellschaltung. Genauer gesagt, zieht sich dann, wenn der Tunnelstrom zu fließen beginnt, wie in den Fig. 14a und 14b dargestellt, das Abstandeinstell-Bauelement 7 gleichzeitig zusammen, was das vorstehend beschriebene langsame Ansprechverhalten beschleunigt. Ferner ist, da das Ausgangssignal der Differenzschaltung als Eingangssignal der Piezotreiberschaltung 52 verwendet wird, die Dehungsgeschwindigkeit des Dehnungspiezobauelements 57 gleichzeitig mit dem Fließen des Tunnelstroms extrem verringert und das Piezobauelement beginnt im Gegenteil damit, sich zusammenzuziehen. Daher wird das Ablaufansprechverhalten auf dieselbe Weise wie vorstehend beschrieben beschleunigt.
  • Fig. 15 zeigt ein Beispiel für die Verstellsteuerschaltung 50. Das Diagramm zeigt einen Teil von Fig. 13 mit weiteren Details. Die Verstellsteuerschaltung 50 dient zum Ansteuern des Dehnungspiezobauelements 47. Hierbei tritt der Tunneleffekt im Abstandsbereich von bis zu 10 Å auf und das Piezobauelement dehnt sich vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit. Daher repräsentiert das Ausführungsbeispiel den Fall, daß ein Miller-Integrator für einen Teil der Piezotreiberschaltung 52 für den Dehnvorgang verwendet wird. Die Geschwindigkeit ist durch 1/CR&sub2; festgelegt. Wenn sich das Ausgangssignal der Differenzbildungsschaltung 18 beim Erfassen des Tunnelstroms von positiv nach negativ ändert, geht der Ausgang einer Flipflopschaltung 151 auf "Hoch", der Kondensator C des Miller-Integrators wird mittels eines Relais 153 über eine ODER-Schaltung 152 entladen und das Ausgangssignal wird auf Null gestellt.
  • Übrigens ist es möglich, als Eingangssignal für die Strommeßschaltung 51 das Signal innerhalb der Tunnelstrom-Meßschaltung 9 oder der Servoschaltung 10 neben dem Ausgangssignal der Differenzbildungsschaltung 18 zu verwenden. Die Bezugszahlen 154 bis 157 repräsentieren Operationsverstärker und die Symbole R&sub1;-R&sub5; repräsentieren Widerstände. Die Bezugszahl 17 repräsentiert eine Bezugstunnelstrom-Einstellschaltung.
  • Fig. 16 ist eine Draufsicht auf ein RTM mit einem dreidimensionalen Grobverstellsystem, das die Auswahl des Beobachtungsbereichs ermöglicht. Das Grobverstellungssystem wird dadurch erhalten, daß das in Fig. 13 dargestellte Schrittschneckensystem auf ein dreidimensionales System erweitert wird. In der Zeichnung wird die Verstellung der Meßspitze in den Richtungen X und Y durch ein Klemmetallstück C48c, einen Anschluß C(oberer Tisch)46c, ein X-Achse-Dehnungspiezobauelement 47x, ein Klemmetallstück D48d und einen Anschluß D46d in X-Richtung und durch ein Klemmetallstück E48e und einen Anschluß D46d in Y-Richtung bewirkt. Das Verstellsystem in Z-Richtung ist dasselbe, wie es in Fig. 13 dargestellt ist. Übrigens sind die Klemmetallstücke, die Anschlüsse und die Dehnungspiezobauelemente, die dem Piezobauelement für den Klemmvorgang und den Komponenten für die Y- Richtung, wie sie in der Zeichnung dargestellt sind, entsprechen, aus der Zeichnung weggelassen, jedoch arbeiten sie exakt auf dieselbe Weise wie diejenigen des Schrittschnekkensystems in Z-Richtung. Hierbei wird als Verstelleinrichtung zum Halten der Meßspitze 1 ein dreibeiniger Scanner 161 verwendet, der dreidimensionalen Betrieb in den Richtungen X, Y und Z ausüben kann. In dieser Verstelleinrichtung sind das Z-Achse-Piezobauelement 7, das Piezobauelement 7x für die X-Achse-Abrasterung und das (nicht dargestellte) Piezobauelement für die Y-Achse-Abrasterung auf einem Sitz 142 angeordnet, der mit dem Anschluß A46a verbunden ist, wie in der Zeichnung dargestellt, und sie arbeiten auf solche Weise, daß das RTM-Bild erhalten wird. Wenn die Meßspitze 1 in X-Richtung verstellt wird, um in der Zeichnung den Beobachtungsbereich auszuwählen, treffen die Meßspitze 1 und die Probe 2 aufeinander, wenn irgendeine Welligkeit an der Probe 2 existiert, und der Spitzenabschnitt der Meßspitze 1 wird verbogen, so daß ein Abfall der Auflösung in der Ebene auftritt oder der Tunnelstrom instabil wird. Um diese Schwierigkeiten zu verhindern, verstellt sich das Schrittschneckensystem in X-Richtung vorzugsweise gemäß demselben System wie demjenigen zum Verstellen der Meßspitze 1. Übrigens ist es geschickter, eine Anzeige zum Hinweisen auf ein Auftreffen und eine Einstell- und Anzeigeeinrichtung für die Anzahl von Schritten bereitzustellen. Auch wird das Schrittschneckensystem in Y-Richtung vorzugsweise mit demselben System verstellt, wie dem oben beschriebenen. Ferner kann dann, wenn der Tunnelstrom erfaßt ist, die Auswahl des Beobachtungsbereichs in X- oder Y-Richtung dadurch fortgeführt werden, daß das System durch die Z-Richtung-Verstelleinrichtung zurückverstellt wird.
  • Fig. 17 zeigt einen Teil der Verstellsteuerschaltung 50 zum Betreiben des Z-Achse-Schrittschneckensystems für die Annäherung und des X-Achse-Schrittschneckensystems zum Auswählen des Beobachtungsbereichs. Obwohl jedes Schrittschneckensystem mit seiner eigenen Steuerschaltung versehen sein kann, werden die Annäherung und die Auswahl des Beobachtungsbereichs im allgemeinen nicht gleichzeitig ausgeführt. Daher ist es geschickt, eine Ansteuerschaltung gemeinsam zu verwenden. In der Zeichnung dienen Relais ((1)) 254 und ((2)) 255 zum Ansteuern der klemmenden Piezotreibervorrichtungen 47a-47c. Ein Relais ((3)) 256 dient zum Dehnen des Dehnungspiezobauelements des Schrittschneckensystems durch Anlegen einer stufenförmigen Spannung an dasselbe, und ein Relais ((4)) 257 dient zur automatischen Annäherung und für die Gesichtsfeldauswahl. Diese Relais arbeiten abhängig von der Modusauswahl. Schalter A258, B259, C260 und 0261 nehmen eine Auswahl dahingehend vor, ob die an die klemmenden Piezobauelemente 47a-47d anzulegende Spannung die durch das Relais ((1)) 254 spezifizierte Spannung, die durch das Relais ((2)) 255 spezifizierte Spannung ist oder ob sie auf den Klemmzustand eingestellt wird. Schalter E262 und F263 nehmen eine Auswahl dahingehend vor, ob die Bauelemente mit der durch die Relais ((3)) 256 und ((4)) 257 spezifizierten Spannung angesteuert werden oder ob sie nicht angesteuert werden. Für diese sechs Schalter können in ausreichender Weise handbetätigte Schalter verwendet werden. Die Ablaufsteuerung des Schrittschneckensystems wird durch eine Logikschaltung 253 ausgeführt. Firmware, ein Mikroprozessor oder ein Computer werden als diese Logikschaltung 253 verwendet. Eine Zähler/Anzeige-Einrichtung 252 zeigt die Anzahl von Schritten und die Anzahl von Auftreffvorgängen an. Eine Modusauswahleinrichtung 251 kann (i) automatische Annäherung und automatische Gesichtsfeldauswahl, (ii) Schrittschneckenverstellung mit der spezifizierten Anzahl von Schritten und (iii) Handbetrieb auswählen.
  • Im Fall von (i) wird das Relais ((4)) 257 so eingestellt, wie es im Diagramm dargestellt ist, um die Relais ((1)) 254 und ((2)) 255 zu betätigen, und gleichzeitig wird der in Fig. 14c dargestellte Vorgang durch das Rücksetzsignal 265 des Miller-Integrators (in Fig. 15 dargestellt) ausgeführt. Übrigens wird das Rücksetzsignal 265 des Miller-Integrators für den in Fig. 14c dargestellten Vorgang bei 145 verwendet. Der Zustand der Schalter A258-F263 repräsentiert den Fall automatischer Annäherung. Die Schalter A258, B259 und E262 sind alle mit Masse verbunden und eine Auswahl erfolgt so, daß der Schalter C260 mit dem Relais ((1)) verbunden wird, der Schalter D261 mit dem Relais ((2)) 255 verbunden wird und der Schalter F263 mit dem Relais ((4)) 257 verbunden wird, wodurch die Auswahl des Gesichtsfelds in X-Richtung in Fig. 16 ausgeführt wird. Wenn es erwünscht ist, eine Verstellung in der Gegenrichtung vorzunehmen, wird die Schaltauswahl durch die Schalter A258-D261 umgekehrt. Übrigens kann die Reihenfolge durch die Logikschaltung 253 geändert werden.
  • Im Modus (ii) wird die Anzahl von Schritten spezifiziert und der Anschluß wird so umgeschaltet, daß das Relais ((4)) 257 mit der Konstantspannung Vp verbunden wird und eine Verstellung des Schrittschneckentriebs mit hoher Geschwindigkeit erzielt wird. Dies ist wirkungsvoll, wenn keine Möglichkeit besteht, daß es zwischen der Meßspitze 1 und der Probe 2 zu einem Zusammenstoß kommt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Anlegespannung für das Dehnungspiezobauelement 47 oder das X-Achse-Dehnungspiezobauelement 47x über das Relais ((3)) 256 so ausgewählt, daß es die konstante Spannung oder die Spannung 0 V ist. Im Modus (iii) erfolgt eine Auswahl durch den Handschalter 250 auf solche Weise, daß die Relais ((1)) 254, ((2)) 255 und ((3)) 256 betätigt werden oder sie alle mit dem Strommeßsignal 266 verbunden werden, und der Betrieb erfolgt über die Schalter A258-F263. Das Relais ((4)) 257 befindet sich im selben Zustand wie im Modus (ii). Andererseits ist es möglich, das Dehnungspiezobauelement 47 nach der automatischen Annäherung im Handbetriebsmodus allmählich zu dehnen, während der Anschluß A12 unter Verwendung des Widerstands R6 gelöst bleibt, bis der Tunnelstrom zu fließen beginnt und die Meßspitze 2 sich der Pobe nähert, um ein RTM-Bild zu erhalten. Übrigens ist das Strommeßsignal 266 das Ausgangssignal des in Fig. 15 dargestellten Operationsverstärkers 154. Obwohl Fig. 17 die Steuerung des zweiachsigen Schrittschneckensystems zeigt, kann die Verstellsteuerschaltung für viele Verstellungen aufgebaut sein, oder es können modifizierte Schrittschneckensysteme verwendet werden, wie dann, wenn die Anzahl von Klemm- und Dehnungsbauelementen größer als eins ist. Der Pegel der Anlegungsspannung an das Piezobauelement wird als Ablaufsteuersignal der Logikschaltung 253 verwendet. In diesem Fall ist es bevorzugt, da die Spannung an das Bauelement hoch ist, dieselbe zur Verwendung als Steuersignal durch einen Widerstand zu unterteilen, oder vorzugsweise wird eine Verzögerungsschaltung bei der Abschätzung der Einstellzeit nach dem Pegelkomparator angeordnet, um den Ablauf zu steuern. Übrigens vermischt sich im Modus (i) ein Störsignal mit dem Tunnelstrom, wenn sich die Meßspitze 1 der Probe 2 nähert und dies führt zu fehlerhaftem Betrieb. Daher ist es wichtig, die Programmierung so vorzunehmen, daß dann, wenn der Betrieb gemäß 142b in Fig. 14c mehrfach wiederholt wird und der Tunnelstrom kontinuierlich gemessen wird, der Vorgang angehalten wird.
  • Andererseits bewegt sich dann, wenn das Schrittschneckensystem verwendet wird, die Meßspitze 1 manchmal vorwärts und schlägt beim Festklemmen an der Probe 2 an. Diese Schwierigkeit kann dadurch überwunden werden, daß der Zusammenzieh/Dehnungsweg des Schrittschneckensystems größer als der in Fig. 14d dargestellte Schritt gemacht wird. Anders gesagt ist es wichtig, daß, nachdem der Dehnungsweg Lo eingestellt wurde, wie in Fig. 14d dargestellt, derselbe um ΔL verringert wird, um den Schritt zu verkleinern.
  • Obwohl die vorstehend beschriebene Verstelleinrichtung ein Piezobauelement verwendet, kann dieselbe Wirkung wie vorstehend beschrieben dann erhalten werden, wenn ein elektrostatisches Futter für das Klemmsystem verwendet wird oder anstelle des Piezobauelements ein piezoelektrisches Bauelement, ein magnetostriktives Bauelement oder Wärmeexpansion anstelle des Piezobauelements verwendet wird. Es ist auch möglich, ein Annäherungsverfahren durch Motorantrieb unter Verwendung einer Schraube und eines Reduktionsmechanismus neben dem vorstehend beschriebenen Schrittschneckensystem zu verwenden. In diesem Fall kann die Abstandseinstellung dadurch erfolgen, daß, wie bei diesem Ausführungsbeispiel, physikalische Parameter verwendet werden, die bei der Annäherung der Meßspitze 1 an die Probe 2 erhalten werden, und daß gleichzeitig die Motoransteuerung durch in diesem Einstellsystem verwendete Signale erfolgt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Aufbau dergestalt, daß dann, wenn festgestellt wird, daß ein physikalischer Parameter einen vorbestimmten Wert einnimmt, die Verstellung angehalten wird. Gemäß diesem Aufbau kann ein beliebiger Abstand, der dem vorbestimmten physikalischen Parameter entspricht, zwischen der Meßspitze und der Probe sichergestellt werden.
  • Obwohl die vorstehenden Ausführungsbeispiele von RTMs handeln, bei denen der Tunnelstrom als physikalischer Parameter verwendet wird, können eine atomare Kraft, die Oberflächentemperatur der Probe, die Kapazität, ein Fluß, eine magnetische Kraft und dergleichen als physikalischer Parameter verwendet werden. Die Erfindung kann auf alle derartige Geräte (wissenschaftliche Geräte wie Mikroskope, Aufzeichnungseinrichtungen und dergleichen) angewandt werden, die derartige Parameterinformation verwenden. Das Verstellsystem kann selbstverständlich entweder die Meßspitze oder die Probe halten.
    • Industrielle Anwendbarkeit:
  • Die Erfindung schafft ein Oberflächenmeßgerät, das eine Oberfläche in einem großen Bereich mit hoher Auflösung ausmessen kann, wobei Topographieinformation für eine Probe unter Verwendung physikalischer Parameter wie des Tunnelstroms und der Feldemission, wie sie auftreten, wenn sich eine Meßspitze und eine Probe einander annähern können, erhalten wird.

Claims (7)

1. Oberflächenmeßgerät mit
einer Meßspitze (1);
einer Vorrichtung (4; 55) zum Halten einer Probe (2);
einer Vorrichtung (8) zum Anlegen einer Spannung Zwischen der Meßspitze und der Probe, um einen Stromfluß zwischen beiden zu bewirken;
einer Servosteuervorrichtung (7, 9, 10) zum Servosteuern des Abstandes zwischen der Meßspitze und der Probe, so daß der zwischen der Meßspitze und der Probe fließende Strom im wesentlichen gleich einem vorbestimmten Bezugswert bleibt;
einer Vorrichtung (15, 16, 23; 161) zum Abtasten einer Probenoberfläche mit der Meßspitze; und
einer Vorrichtung (13; 24) zum Aufnehmen eines Signals, um die Topographie der Oberfläche aus der von der Servosteuervorrichtung erhaltenen Trajektorie der Meßspitze zu bestimmen;
gekennzeichnet durch eine zusätzliche Vorrichtung (11, 12; 22) zum Berichtigen des Signals durch Hinzufugen eines Kompensationssignals, das der Abweichung des zwischen der Meßspitze (1) und der Probe (2) fließenden Stroms von dem vorbestiinmten Bezugswert entspricht.
2. Oberflächenmeßgerät gemäß Anspruch 1, wobei die Korrekturvorrichtung (11, 12; 22) das Kompensationssignal aus dem Verhältnis der Stromabweichung zum vorbestimmten Bezugswert in einer Differential-Stromgleichung ableitet.
3. Oberflächenmeßgerät gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der zwischen der Meßspitze (1) und der Probe (2) fließenden Strom ein Tunnelstrom oder ein Feldemissionsstrom ist.
4. Oberflächenmeßgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Servosteuervorrichtung ein Feinstellglied (7) zur Feineinstellung des Abstandes zwischen der Meßspitze (1) und der Probe (2) und ein Grobstellglied (4, 4a, 4b, 30a, 30b) zur Grobeinstellung des Abstandes zwischen der Meßspitze und der Probe aufweist.
5. Oberflächenmeßgerät gemäß Anspruch 4, wobei die Servosteuervorrichtung weiter eine Steuersignalversorgevorrichtung (31, 34, 35, 36, 37) zum Steuern des Feinstellgliedes (7) und des Grobstellgliedes (4, 4a, 4b, 30a, 30b) durch ein Antriebssignal aufweist, so daß der zwischen der Meßspitze (1) und der Probe (2) fließende Strom im wesentlichen gleich dem vorbestimmten Bezugswert wird, und
wobei das Feinstellglied durch die Hochfrequenzkomponente des Antriebssignals und das Grobstellglied durch die Niederfrequenzkomponente des Antriebssignals gesteuert wird
6. Oberflächenmeßgerät gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Servosteuervorrichtung weiter einen Speicher zum Speichern eines vorbestimmten Wechsels im Abstand zwischen der Meßspitze (1) und der Probe (2) auf einem zweidimensionalen Bereich und eine Vorrichtung zum Vorwärtssteuern des Grobstellgliedes auf der Grundlage der Ausgabe der Speichers aufweist.
7. Oberflächenmeßgerät gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, daß weiter eine Vorrichtung (50, 54) zum automatischen Verstellen der Meßspitze (1) in Richtung auf die Probe (2) durch Steuern des Grobstellgliedes (4, 4a, 4b, 30a, 30b) aufweist, so daß die Meßspitze auf einem vorbestimmten Punkt innerhalb des Stellbereichs des Feinstellgliedes gestellt wird.
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