DE3856575T2

DE3856575T2 - Rastertunnelmikroskop

Info

Publication number: DE3856575T2
Application number: DE3856575T
Authority: DE
Inventors: Chiaki Sato; Kiyozo Koshiishi; Sadao Shigetomi; Shuzo Mishima; Tsugiko Takase
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1987-08-12
Filing date: 1988-08-12
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2008-08-13
Also published as: EP0406413A1; DE3854620T2; DE3854620D1; JPH01502661A; EP0640829B1; WO1989001603A1; EP0640829A3; DE3856575D1; US6127681A; EP0406413A4; JPH0820246B2; EP0640829A2; EP0406413B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rastertunnelmikroskop (STM) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Messen der Oberfläche einer Probe unter Verwendung eines Rastertunnelmikroskops gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 8 und 17 zum Bewirken, dass eine Metallsonde soviel wie möglich, z. B. 50 Å oder weniger in die Nähe einer Beobachtungsoberfläche kommt, um einen Tunnelstrom zu erfassen und zu messen, der zwischen der Metallsonde und der Probe fließt, und den Tunnelstrom abzubilden.
Anders als bei einem herkömmlichen Mikroskop kann das STM Elektronen erfassen, die in einer Probe enthalten sind. In den letzten Jahren hat das STM als eine typische Oberflächenbeobachtungsvorrichtung, die im Stande ist, eine atomare Ausrichtung im realen Raum zu beobachten, einen großen Anteil einer Aufmerksamkeit erfahren. Das Funktionsprinzip eines derartigen STM wird nachstehend beschrieben.
Eine Sonde, die eine scharfe Spitze aufweist, kommt einer Probenoberfläche durch eine z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung derart nahe, dass Elektronenwolken, die aus der Probenoberfläche entweichen, einander geringfügig überlappen und eine Spannung (Tunnelspannung) zwischen der Sonde und der Probe angelegt wird, um zu bewirken, dass ein Tunnelstrom von der Sonde zu der Probe fließt. Die z-Achsen-Betätigungsvorrichtung ist servogesteuert, um diesen Tunnelstrom konstant zu halten. Gleichzeitig werden die Sonde und die Probe durch eine xy-Richtungs-Betätigungsvorrichtung relativ in einer Oberflächenrichtung bewegt, um ein zweidimensionales Abtasten durchzuführen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Servospannung, die an die z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung angelegt wird, welche die Sonde servosteuert, gelesen und wird die gelesene Spannung als eine Abbildung angezeigt, um dadurch die Oberfläche der Probe zu beobachten. Das heißt, die Sonde tastet die Probenoberfläche ab. Wenn eine Abtastposition eine Stufe auf der Probenoberfläche erreicht, wird der Tunnelstrom erhöht. Die Sonde wird durch die z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung von der Probe getrennt, bis der Tunnelstrom einen konstanten Wert (Anfangswert) erreicht. Da diese Sondenbewegung der Stufe auf der Oberfläche entspricht, wird dieser Abtastvorgang wiederholt, um Servospannungen zu lesen, um dadurch eine Oberflächenabbildung der Probe zu erzielen.
Der Tunnelstrom J_T wird durch die folgende Beziehung dargestellt: JT ∝ exp(–A·Φ1/2·S) wobei A: eine Konstante ist
Φ: ein Mittelwert von Austrittsarbeiten der Sonde und der Probe ist
S: ein Abstand zwischen der Sonde und der Probe ist
Der Tunnelstrom JT ändert sich deshalb in Übereinstimmung mit einer Änderung des Abstands S mit einer hohen Reaktion und eine Auflösung eines atomaren Maßstabs kann erzielt werden.
Wie es zuvor beschrieben worden ist, kann das STM eine Oberflächenabbildung einer Substanz mit einer hohen Auflösung erzielen. Anderes als bei einer Abbildung eines reziproken Gitterraums, der durch ein Verfahren, wie zum Beispiel eine Elektronenstrahlbeugung oder Ionenzerstreuung, erzielt wird, weist das STM ein charakteristisches Merkmal auf, im Stande zu sein, eine atomare Ausrichtung in einem realen Raum zu beobachten. Weiterhin weist eine Spannung, die zwischen der Sonde und der Probe angelegt wird, einen Wert auf, der kleiner als die Austrittsarbeit der Sonde ist. Da der Tunnelstrom in der Größenordnung von nA erfasst wird, ist ein Energieverbrauch niedrig und ist die Beschädigung an der Probe klein.
Obgleich ein herkömmliches STM eine Oberflächenabbildung erzielen kann, die in dem realen Raum eine sehr hohe Auflösung aufweist, ist ein Beobachtungsabschnitt unklar oder ist das STM nicht zum Beobachten für einen bestimmten Bereich innerhalb eines schmalen Bereichs geeignet, da der Beobachtungsabschnitt auf der Sondenoberfläche mit Augen beobachtet wird und der vorhergehende Beobachtungsbetrieb durchgeführt wird. Weiterhin kann eine STM-Abbildung nicht mit einer herkömmlichen Abbildung verglichen werden, die durch andere Mikroskope (z. B. ein optisches Mikroskop und ein Elektronenmikroskop) erzielt wird, und ein STM-Beobach tungsbereich (STM-Feld) stimmt nicht notwendigerweise mit dem herkömmlichen Beobachtungsfeld überein.
Ein Rastertunnelmikroskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Messen der Oberfläche einer Probe unter Verwendung eines Rastertunnelmikroskops gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 8 und 9 sind aus der EP-A-0 296 871 bekannt.
Die vorliegende Erfindung ist daher unter Berücksichtigung der Probleme im Stand der Technik geschaffen worden und weist als ihre Aufgabe auf, ein Rastertunnelmikroskop sowie ein Verfahren zum Messen der Oberfläche einer Probe unter Verwendung eines Rastertunnelmikroskops zu schaffen, die im Stande sind, zuzulassen, dass eine STM-Abbildung eine herkömmliche Abbildung überlappt, und die STM-Abbildung zu beobachten und zu messen.
Gemäß dem Rastertunnelmikroskop wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst und gemäß dem Verfahren zum Messen der Oberfläche einer Probe unter Verwendung eines Rastertunnelmikroskops wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der Ansprüche 8 und 17 gelöst.
In der Zeichnung zeigen:
1 bis 5 ein Rastertunnelmikroskop, von welchen 1 eine Draufsicht ist, die die Gesamtstruktur von diesem zeigt, 2 eine Seitenansicht von diesem ist, 3 eine perspektivische Ansicht ist, die eine Sonde und ihre Halterung zeigt, 4 eine perspektivische Ansicht einer dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung ist und 5 eine Draufsicht dieser dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung ist.
6 eine schematische Ansicht eines anderen Rastertunnelmikroskops ist.
7 eine Seitenansicht ist, die eine dreidimensionale Betätigungsvorrichtung zeigt, die in 6 verwendet wird.
8 eine schematische Ansicht ist, die eine Ausgestaltung zeigt, die durch Hinzufügen einer geometrischen Messfunktion zu der Vorrichtung erzielt wird, die in 6 gezeigt ist.
9 eine Ansicht zum Erläutern der Grundlage der geometrischen Messung ist.
10 eine Seitenansicht ist, die eine Ausgestaltung zeigt, die durch Hinzufügen einer Überwachungseinheit zu der Vorrichtung in den 1 bis 5 erzielt wird.
11 eine Ansicht einer Ausgestaltung der Vorrichtung zeigt, die in 6 gezeigt ist.
12 eine Querschnittsansicht einer Objektivlinseneinheit ist.
13 eine Querschnittsansicht einer Tunnelrastereinheit ist.
14 eine Schnittansicht ist.
15 eine Schnittansicht ist, die eine Objektivlinseneinheit zeigt.
16A bis 16C eine dreidimensionale Betätigungsvorrichtung zeigen, von welchen 16A eine Draufsicht von dieser ist, 16B eine Seitenansicht von dieser ist und 16C eine Schnittansicht von dieser ist.
16D eine Ansicht ist, die eine Beziehung zwischen einer Spannung, die angelegt wird, um die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung anzusteuern, und einer Ansteuerrichtung der Betätigungsvorrichtung zeigt.
17 eine Schnittansicht eines Rastertunnelmikroskops ist.
18 eine Ansicht ist, die ein Rastertunnelmikroskop zeigt.
19A bis 19C ein Rastertunnelmikroskop zeigen, von welchen
19A einen Zustand zeigt, in dem eine Tunnelrastereinheit nicht an einer STM-Rasterposition angeordnet ist, 19B einen Zustand zeigt, in dem die Tunnelrastereinheit an der STM-Rasterposition angeordnet ist, und 19C eine Ansicht ist, die einen Zustand zeigt, in dem die Tunnelrastereinheit mit einem optischen Mikroskop kombiniert ist.
19D ein Blockschaltbild einer Anordnung des STM-Messsystems zeigt.
20 eine Ansicht ist, die ein optisches System eines Rastertunnelmikroskops eines ersten Ausführungsbeispiels zeigt.
21A bis 21D eine Messeinheit zeigen, die in dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, von welchen 21A eine Querschnittsansicht zeigt, 21B eine längsgeschnittene Ansicht zeigt, 21C eine Ansicht ist, die eine positionelle Beziehung zwischen einem Objektivrevolver, einer Objektivlinse und einer Objektivlinseneinheit zeigt, und 21D eine Schnittansicht zeigt, die entlang der horizontalen Richtung genommen ist.
22 eine teilweise ausgeschnittene Seitenansicht einer Objektivlinseneinheit ist, die in der Messeinheit verwendet wird.
23 eine teilweise ausgeschnittene Seitenansicht ist, die eine Abstandsmesseinheit zeigt, die in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird.
24A bis 24C eine Ausgestaltung der Messeinheit zeigen, von welchen 24A eine teilweise ausgeschnittene Draufsicht zeigt, 24B eine Schnittansicht zeigt und 24C eine Seitenansicht ist, die einen Teil einer Abstandsmesseinheit zeigt.
Die gleichen Bezugszeichen bezeichnen durchgängig durch die Zeichnung, die nachstehend zu beschreiben ist, die gleichen Teile, die im Wesentlichen die gleichen Funktionen aufweisen.
In den 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Sockel.
Eine bewegliche Plattform 2 ist auf den Sockel 1 montiert, um in der z-Richtung beweglich zu sein. Ein optisches STM-Feld-Beobachtungssystem (optisches Mikroskop) 3 ist durch eine Säule 2a auf der beweglichen Stufe 2 befestigt. Dieses System 3 weist ein Lichtquellengehäuse 4 und ein zylindrisches Beobachtungsgehäuse 5 auf, die hintereinander angeordnet sind. Eine Lichtquelle 6, ein erstes Prisma 7 und eine Sammellinse 8 sind an dem einen Ende, in der Nähe des anderen Endes bzw. an einem Mittenabschnitt in dem Lichtquellengehäuse 4 angeordnet. Eine Sammellinse 9 und ein zweites Prisma 10 sind an einem Ende bzw. in der Nähe des anderen Endes in dem Beobachtungsgehäuse 5 angeordnet. Eine herkömmliche Sammellinse (Objektivlinse) ist an die Abschnitte des anderen Endes der Gehäuse 4 und 5 montiert. Ein Durchgangsloch 11a ist an der Mitte der Sammellinse 11 ausgebildet.
In dem optischen STM-Feld-Beobachtungssystem, das den vorhergehenden Aufbau aufweist, wird Licht, das von der Lichtquelle 6 abgegeben wird, durch die Fokussierungslinse fokussiert und parallel gerichtet und fällt der parallel gerichtete Strahl auf das erste Prisma 7 ein. Der einfallende Strahl wird in einem rechten Winkel zweimal reflektiert und geht durch einen Teil der Sammellinse 11. Als ein Ergebnis wird der Strahl auf einer Beobachtungsoberfläche einer Probe 12 fokussiert, die auf der vorderen Oberfläche der Sammellinse 11 angeordnet ist. Ein Strahl, der von der Probe 12 reflektiert wird, geht durch einen anderen Teil der Sammellinse 11 und fällt auf das Beobachtungsgehäuse 5 ein. Der optische Pfad des Strahls wird durch das zweite Prisma 11 geändert und wird durch die Fokussierungslinse 9 fokussiert. Deshalb kann ein Beobachter die Beobachtungsoberfläche der Probe durch die Fokussierungslinse 9 beobachten. Wenn in diesem System ein Fokussieren durchgeführt wird, wird die bewegliche Plattform 11 in der z-Richtung bewegt, um die Sammellinse 11 zu der Probe hin oder von dieser weg zu bewegen. Natürlich kann die Probe 12 zu der Sammellinse 11 hin oder von dieser weg in die z-Richtung bewegt werden. Eine Bewegungseinheit für die Probe 12 wird später beschrieben.
Das Bezugszeichen 20 in 1 bezeichnet ein STM-System. Dieses System 20 weist einen Betätigungsvorrichtungs-Montagetisch 21 auf, der auf der beweglichen Plattform 2 befestigt ist. Eine dreidimensionale Betäti gungsvorrichtung 22, die fein in die x-, x- und z-Richtungen beweglich ist, ist auf dem Montagetisch 21 befestigt. Eine Sondenhalterung 23 dehnt sich an dem Mittenabschnitt dieser Betätigungsvorrichtung aus. Die Sonde 24 ist an dem proximalen Ende dieser Halterung abnehmbar befestigt. Das distale Ende der Sonde 24 dehnt sich durch das Durchgangsloch 11a aus, das in der Mitte der Sammellinse 11 ausgebildet ist, und dehnt sich zu der Probe 12 aus. Der Außendurchmesser der Sonde 24 wird derart bestimmt, dass die Sonde 24 in der Axialrichtung (der z-Richtung) in dem Durchgangsloch 11a beweglich ist. Ein Teilungsabschnitt 23a ist auf der vorderen Endfläche der Sondenhalterung 23 ausgebildet, wie es in 3 gezeigt ist. Die Sonde 24 wird durch Einführen des proximalen Abschnitts der Sonde 24 in den Teilungsabschnitt 23a unter Druck abnehmbar gehalten. Die Probe 12 wird auf dem Sondentisch 31 gehalten, der an dem distalen Ende einer Grobbewegungseinheit 30 ausgebildet ist, um der Sammellinse 11 gegenüberzuliegen. Die Grobbewegungseinheit 30 weist z. B ein Differenzialmikrometer auf, das durch einen Block 1a auf dem Sockel 1 befestigt ist, und kann eine Grobbewegung des Sondentischs 31 in der x-Richtung durchführen.
Die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 22 wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben.
Es auf die 4 und 5 verwiesen. Das Bezugszeichen 40 bezeichnet ein Gestell, von dem eine Oberfläche auf den Betätigungsvorrichtungs-Montagetisch 21 montiert ist, der auf dem Sockel 1 befestigt ist, und weist eine elektrisch isolierende Platte auf. Vier gemeinsame Elektroden 41, die an vier Ecken eines Quadrats angeordnet sind, sind auf der anderen Oberfläche des Gestells 40 befestigt und Elektroden 42 und 44 sind zwischen den gemeinsamen Elektroden 41 durch piezoelektrische Elemente 44 verbunden. Eine Mittenelektrode 45 ist in der Mitte des Tischs 40 derart angeordnet, dass die Mittenelektrode 45 mit den x- und y-Elektroden 42 und 43 durch andere piezoelektrische Elemente 44 verbunden ist. Ein piezoelektrisches Element 46, das in der z-Richtung ausdehnbar ist, ist auf der Mittenelektrode 45 befestigt. Die Sondenhalterung 23 ist an der Fläche des distalen Endes des piezoelektrischen Elements 46 durch eine isolierende Platte 47 befestigt. Diese Elektroden und die piezoelektrischen Elemente weisen jeweils kubische Teile auf. Jede Elektrode ist geringfügig größer als jedes piezoelektri sche Element, wie es in den 4 und 5 gezeigt ist. Die Polarität der rechten piezoelektrischen Elemente ist entgegengesetzt zu der der linken piezoelektrischen Elemente 44 bezüglich der Mittenelektrode 45. Zum Beispiel ziehen sich die rechten piezoelektrischen Elemente 44 bezüglich der Mittenelektrode 45 zusammen, wenn eine vorbestimmte Spannung an die Elektroden angelegt wird, während sich die linken piezoelektrischen Elemente 44 bezüglich der Mittenelektrode 45 ausdehnen. Wenn die Mittenelektrode 45 an Masse gelegt und eine Spannung von Vx > 0 an die x-Elektroden 42 angelegt wird, wird die Mittenelektrode 45 nach rechts bewegt. Jedoch wird, wenn eine Spannung von Vx < 0 an die x-Elektroden 42 angelegt wird, die Mittenelektrode 45 nach links bewegt. Als Ergebnis kann, wenn eine Wechselspannung an die x-Elektroden angelegt wird, die Sonde, die auf der Mittenelektrode 45 montiert ist, in der x-Richtung vibriert werden. Auf eine ähnlich Weise kann, wenn die Vy-Wechselspannung an die y-Elektroden angelegt wird, die Sonde in der y-Richtung vibriert werden. In diesem Fall muss, um die Sonde gleichzeitig in den x- und y-Richtungen zu vibrieren, eine Wechselspannung von Vx + Vy an die Elektroden angelegt werden, die an den vier Ecken angeordnet sind. Unter Verwendung der vorhergehenden Wechselspannungen wird die Sonde in der xy-Richtung bewegt, um die Beobachtungsoberfläche der Probe 12 abzutasten. Ein Servobetrieb zum Konstanthalten eines Tunnelstroms wird derart durchgeführt, dass ein Servosignal an einer Steuereinheit in ausdehnbare piezoelektrische Elemente 46 in der z-Richtung eingegeben wird, um den Abstand zwischen der Sonde und der Beobachtungsoberfläche der Probe konstant zu halten.
In dem STM-System 20, das den vorhergehenden Aufbau aufweist, wird die bewegliche Stufe in der z-Richtung grob bewegt, um zu bewirken, dass die Sonde 24 näher als die Fokussierungsposition des optischen Systems 3 zu der Probe 12 kommt. Die Grobbewegungseinheit 30 wird fein gesteuert, bis ein Tunnelstrom erfasst werden kann, d. h. bis die Sonde 24 und die Probe 12 einen Tunnelbereich erreichen. In diesem Zustand wird die Sonde 22 in der x-y-Richtung (Oberflächenrichtung) und der z-Richtung (Axialrichtung) fein bewegt, während der Tunnelstrom konstant gehalten wird, um dadurch die Beobachtungsoberfläche der Probe 12 abzutasten.
Ein anderes Rastertunnelmikroskop wird unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben.
Ein Mechanismus zum Halten einer Probe 12 und eines Grobbewegungs-Ansteuermechanismus für ein optische STM-Feld-Beobachtungssystem 3 und eine Sonde 24 sind die gleichen wie diejenigen der vorhergehenden Struktur und eine Beschreibung von diesen wird weggelassen.
Das optische System 3 weist eine Lichtquelle 50 und eine Fokussierungslinse 51 zum Fokussieren von Licht von der Lichtquelle 50 auf. Ein Spaltprisma 52 zum Spalten des einfallenden Lichts in einen gesendeten Strahl und einen um 90° reflektierten Strahl ist vor der Fokussierungslinse 51 angeordnet. Ein konvexer Spiegel 53 zum Verstreuen und Reflektieren des einfallenden Strahls und ein konkaver Spiegel 54 zum Reflektieren eines Strahls, der von dem konvexen Spiegel reflektiert wird, um zum Fokussieren von, ihm auf der Beobachtungsoberfläche der Probe 12 sind auf der Seite des gesendeten Strahls des Prismas 53 angeordnet. Der konvexe Spiegel 51 ist an dem Mittenabschnitt der hinteren Oberfläche einer transparenten Trägerplatte 55 befestigt. Es ist anzumerken, dass der Strahl, der von dem konkaven Spiegel 54 reflektiert wird, durch einen Umfangsabschnitt der Trägerplatte 55 gesendet wird und auf die Probe 12 einfällt. Die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 22 ist auf der vorderen Oberfläche der Trägerplatte 55 befestigt. Die Sonde 24 wird durch eine isolierende Platte 47 und eine Sondenhalterung 23 an dem distalen Ende dieser Betätigungsvorrichtung gehalten. Eine Fokussierungslinse 56 ist auf der Reflexionsseite des Spaltprismas 52 angeordnet. Ein Beobachter kann eine mikroskopische Abbildung von einer Beobachtungsoberfläche der Probe 12 durch einen Strahl beobachten, der durch den konkaven Spiegel 54, den konvexen Spiegel 53 und das Prisma 52 von der Probe 12 reflektiert wird.
Die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 22, die in dieser Vorrichtung verwendet wird, kann ebenso die gleiche Struktur wie in der vorhergehenden Struktur aufweisen. Jedoch wird eine Betätigungsvorrichtung, die eine andere Struktur als die der vorhergehenden Vorrichtung aufweist, in dieser Vorrichtung verwendet und wird unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Diese Betätigungsvorrichtung 22 weist drei piezoelektrische Elemente 60, 61, 62 auf. Eine Spannungsanlegerichtung des ersten piezoelektrischen Elements 60 ist die gleiche wie seine Polarisationsrichtung. Das erste piezoelektrische Element 60 dehnt sich durch Elektroden 63 und 64, die an beiden Enden von ihm angeordnet sind, in Richtungen von Pfeilen (z-Richtung) aus oder zieht sich zusammen. Wenn eine Spannung an die zweiten und dritten piezoelektrischen Elemente 61 und 62 in einer Richtung angelegt wird, die senkrecht zu ihrer Polarisationsrichtung ist, wirkt eine Schwerkraft auf die Elemente 61 und 62 und wird eine Gleitkraft in der Polarisationsrichtung erzeugt. Auf diese Weise sind die zweiten und dritten piezoelektrischen Elemente 61 und 62 derart angeordnet, dass ihre Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander sind. Die Elektroden 65 und 66 sind zwischen dem zweiten piezoelektrischen Element 61 und dem dritten piezoelektrischen Element 62 und der isolierenden Platte 47 ausgebildet. Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 64 und 65 angelegt wird, kann sich das zweite piezoelektrische Element 61 in der y-Richtung ausdehnen oder zusammenziehen. Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden 65 und 66 angelegt wird, kann sich das dritte piezoelektrische Element 62 in der x- Richtung ausdehnen oder zusammenziehen.
Das gleiche Abtasten wie in der ersten beschriebenen Struktur wird in dieser Vorrichtung durchgeführt, um eine STM-Beobachtung der Probe 12 zuzulassen. Gleichzeitig kann das STM-Feld mit einem optischen Mikroskop beobachtet werden. Es ist anzumerken, dass, wenn das optische System zum Beobachten eines optischen Felds durch ein reflektierendes Objektivlinsensystem wie in dieser Struktur gebildet wird, eine W.D. verglichen mit einem Aufbau erhöht wird, die durch ein brechendes Objektivlinsensystem erzielt wird. Ein Kontakt zwischen der Sonde und der Probe und daher ein Beschädigung an der Sonde kann verhindert werden und gleichzeitig kann ein optisches Feld beobachtet werden. Dieses optische System weist darin Vorteile auf, dass es keine chromatische Aberration gibt und der Brennpunkt keine Wellenlängenabhängigkeit aufweist. Deshalb kann das Fokussteuern von unsichtbarem Licht erleichtert werden.
Ein Aufbau, der durch Hinzufügen einer Funktion eines optischen Messens einer Geometrie der Beobachtungsoberfläche der Probe zu dem opti schen System dieser Vorrichtung erzielt wird, wird unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.
Es wird auf 8 verwiesen. Das Bezugszeichen 70 bezeichnet eine andere transparente Trägerplatte, die derart befestigt ist, dass ihre vordere Oberfläche der transparenten Trägerplatte 55 gegenüberliegt. Ein erstes Spaltprisma 71 ist auf der hinteren Oberfläche der Trägerplatte 70 befestigt. Eine Lichtquelle 73 ist über ein Fokussierungslinse 72 an einer Seitenposition von dem Prisma 71 angeordnet. Licht, das von der Lichtquelle 73 abgegeben wird, wird durch die Fokussierungslinse 72 gebündelt und fällt auf das erste Spaltprisma 71 ein. Das Licht wird dann um 90° reflektiert und fällt durch den konvexen Spiegel 53 und den konkaven Spiegel 54 auf die Probe 12 ein. Ein Strahl, der von der Probe 12 reflektiert wird, fällt auf das erste Spaltprisma 71 ein. Ein zweites Spaltprisma 74 ist auf der Übertragungsseite des Spaltprismas 71 angeordnet und ein Okular 75 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Prismas 74 angeordnet. Der reflektierte Strahl, der auf das erste Spaltprisma 71 einfällt, wird von dem zweiten Spaltprisma teilweise reflektiert und wird zu dem Okular 75 geleitet. Als Ergebnis kann der Beobachter mikroskopisch die Beobachtungsoberfläche der Probe 12 durch das Okular 75 auf die gleiche Weise wie bei der zweiten beschriebenen Struktur beobachten.
Die geometrische Messeinheit, die auf der Übertragungsseite der zweiten Spaltlinse 74 angeordnet ist, wird nachstehend beschrieben. Diese Einheit beinhaltet ein drittes Spaltprisma 77, das über eine λ/4-Platte 76 auf der Übertragungsseite des zweiten Spaltprismas 74 angeordnet ist. Eine Laserdiode 79 ist über eine Fokussierungslinse 78 an einer Seitenposition von dem dritten Spaltprisma 77 angeordnet. Ein viertes Spaltprisma 80, das einen polarisierten Strahlspalter bildet, ist an einer Seitenposition von dem dritten Spaltprisma 77 angeordnet. Eine erste Fotodiode 82 ist durch ein erstes Grenzwinkelprisma 81 auf der gegenüberliegenden Seite des vierten Spaltprisma 80 angeordnet. Eine zweite Fotodiode 84 ist durch ein zweites Grenzwinkelprisma 83 auf der Übertragungsseite des vierten Spaltprisma 80 angeordnet.
Eine Funktionsweise der geometrischen Messeinheit, die den vorher gehenden Aufbau aufweist, wird nachstehend beschrieben.
Ein Strahl, der von der Laserdiode 79 abgegeben wird, wird durch die Fokussierungslinse 78 parallel gerichtet. Der parallel gerichtete Strahl fällt auf das dritte Spaltprisma 77 ein und wird von diesem Prisma um 90° reflektiert. Der reflektierte Strahl geht durch die λ/4-Platte 76 und fällt durch das zweite Spaltprisma 74, das erste Spaltprisma 71, den konvexen Spiegel 53 und den konkaven Spiegel 54 auf die Probe 12 ein, um dadurch einen sehr kleinen Punkt auf der Beobachtungsoberfläche auszubilden. Ein Strahl, der von der Beobachtungsoberfläche reflektiert wird, geht durch einen optischen Pfad, der dem einfallenden Strahl gegenüberliegt, wird von der λ/4-Platte 76 reflektiert und geht dann durch das dritte Spaltprisma 77. Der Strahl wird von dem dritten Spaltprisma p-polarisiert und fällt dann auf das vierte Spaltprisma 80 ein und wird in zwei Strahlen gespalten. Ein Strahl fällt durch das erste Grenzwinkelprisma 81 auf die erste Fotodiode 82 ein und der andere Strahl fällt durch das zweite Grenzwinkelprisma 83 auf die zweite Fotodiode 84 ein. Bei dieser Vorrichtung weisen die Strahlen, die auf das erste bzw. zweite Grenzwinkelprisma 81 und 83 einfallen, aufgrund von Vorsprüngen auf der Beobachtungsoberfläche der Probe 12 unterschiedliche Einfallswinkel auf und Strahlen, die an Winkeln einfallen, die den Grenzwinkel überschreiten, entstehen außerhalb der Prismen 81 und 83. Erfassungslichthöhen der Fotodioden 82 und 84 werden geändert, um dadurch optisch eine Vorsprungsinformation der Beobachtungsoberfläche der Probe 12 zu erzielen.
Die Funktionsweise der optischen geometrischen Messvorrichtung wird kurz unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
Wenn eine Beobachtungsoberfläche (Messoberfläche) a der Probe an dem Brennpunkt einer Objektivlinse b (die den konvexen und konkaven Spiegeln entspricht) angeordnet ist, wird ein reflektierter Strahl, der durch die Objektivlinse b gegangen ist, parallel gerichtet und fällt der parallel gerichtete Strahl auf ein Grenzwinkelprisma ein. Zu diesem Zeitpunkt wird ein optisches System derart eingestellt, dass ein Winkel, der durch einen einfallenden Strahl und eine reflektierende Oberfläche des Prismas c ausgebildet wird, derart eingestellt wird, einen Grenzwinkel aufweisen. Jedoch wird, wenn die Beobachtungsoberfläche und der Streifen a an einer Position auf der Seite der Objektivlinse a (einer Position, die durch eine gestrichelte Linie A gezeigt ist) angeordnet ist, ein Strahl, der von der Beobachtungsoberfläche a reflektiert wird, von der Objektivlinse b abgelenkt. Andererseits wird, wenn die Beobachtungsoberfläche a an einer Position fern von dem Brennpunkt (einer Position, die durch die gestrichelte Linie C dargestellt) angeordnet ist, ein konvergierender Strahl erzielt. In diesen Fällen fällt lediglich der mittlere Strahl auf das Grenzwinkelprisma c. Strahlen, die zu einer Seite von der Mitte abweichen, weisen Einfallswinkel auf, die kleiner als der Grenzwinkel sind, und einige Strahlen werden abgelenkt und treten außerhalb des Prismas c auf. In diesem Fall werden die verbleibenden Strahlen reflektiert. Strahlen, die auf der anderen Seite angeordnet sind, weisen Einfallswinkel auf, die größer als der Grenzwinkel sind, und werden vollständig reflektiert. Durch die vorhergehenden Funktionsweisen ist eine Höhe von Licht, das auf die rechte Fotodiode der Zweispaltfotodioden d einfällt, zu dem auf der linken Fotodiode unterschiedlich. Als ein Ergebnis tritt ein Differenzialsignal an einem Ausgangsanschluss f über einen Operationsverstärker e auf, dessen Eingangsanschlüsse mit jeweiligen der Fotodioden verbunden sind. Deshalb wird der Brennpunkt der Objektivlinse b optisch erfasst, um eine Vorsprungsinformation der Beobachtungsoberfläche zu erzielen. Ein vorbestimmter Bereich der Beobachtungsoberfläche in der xy-Richtung wird abgetastet und eine dreidimensionale Abbildung der Beobachtungsoberfläche kann erzielt werden.
Bei der Struktur, die in den 8 und 9 gezeigt ist, ist eine Messung einer sehr kleinen Verschiebung der Oberfläche der Probe, das heißt ein Grenzwinkelverfahren, als ein Beispiel eines optischen Verschiebungsmessungssystems zuvor beschrieben worden. Jedoch ist das optische Verschiebungsmessungssystem nicht auf das Grenzwinkelverfahren beschränkt, sondern kann ein bekanntes optisches System, das ein Fokuserfassungssystem verwendet, verwendet werden (siehe die US-A-4 726 685 und die US-A-4 732 485). Zum Beispiel kann ein optisches System verwendet werden, das den Astigmatismus verwendet.
Ein Rastertunnelmikroskop, das in 10 gezeigt ist, wird durch hinzufügen einer Überwachungseinheit 100, die aus einem konkaven Spiegel besteht, zu einem Aufbau in 2 erzielt, um die relative Bewegung zwischen der Sonde 24 und der Probe 12 zu erleichtern. Der konkave Spiegel ist auf dem Sockel 1 befestigt, um an einer Mittenposition zwischen der dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 22 und der Grobbewegungseinheit 30 angeordnet zu sein. Die konkave Oberfläche ist aufwärts gerichtet, so dass die Sonde 24 und die Probe 12 innerhalb des Brennpunkts des konkaven Spiegels angeordnet sind. Eine vergrößerte aufgerichtete virtuelle Abbildung wird durch den konkaven Spiegel beobachtet, um dadurch einen Abstand zwischen der Sonde 24 und der Probe 12 zu erfassen.
In der Vorrichtung von jeder Struktur, die zuvor beschrieben worden ist, kann bei einer Beobachtung mit dem optischen Mikroskop eine Polarisation einer Beobachtungsverstärkung durch ein Okular durchgeführt werden. Jedoch kann dies durch Verwenden eines revolverartigen Objektivlinsenaufbaus erzielt werden.
Wenn das optische System zum Beobachten eines Felds des optischen Systems durch ein Reflexionsobjektivlinsensysxtem wie bei der Struktur, die in den 6 und 8 gezeigt ist, gebildet wird, kann ein Abstand zwischen dem festen konkaven Spiegel 54 und dem konvexen Spiegel 53, der zusammen mit der Sonde 24 bewegt wird, nach einem Kontakt zwischen der Sonde 24 und der Probe 12 von dem genauen Abstand abweichen und kann die optische Mikroskopabbildung verschlechtert werden. In diesem Fall können der konvexe Spiegel 53 und der konkave Spiegel 54 integral ausgebildet werden und ihr Beispiel wird nachstehend beschrieben.
11 zeigt eine Ausgestaltung von lediglich dem Linsensystem in der Vorrichtung, die in 6 gezeigt ist, gemäß dem vorhergehenden Konzept. Es wird auf 11 verwiesen. Das Bezugszeichen 55 bezeichnet eine transparente Quarzplatte, deren vordere und hintere Oberflächen vorbestimmte Krümmungen aufweisen. Ein Abscheidungsfilm, der ein hohes Reflexionsvermögen aufweist, ist auf der hinteren Oberfläche ausgenommen der Mittenposition ausgebildet, um dadurch einen konkaven Spiegel 54 zu bilden. Eine kreisförmige Vertiefung ist an der Mittenposition der vorderen Oberfläche der Quarzplatte 55 ausgebildet. Ein transparenter Quarzträger 57, dessen konvexer Spiegel 53 auf seiner hinteren Oberfläche auf die gleiche Weise wie der konkave Spiegel 54 ausgebildet ist, wird in diese Vertiefung eingeführt und befestigt. Die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 22 zum Ansteuern der Sonde 24 ist auf der vorderen Oberfläche dieses Trägers befestigt. Als Ergebnis wird der Abstand, da der konvexe Spiegel 53 und der konkave Spiegel 54 integral mit der Quarzplatte 55 ausgebildet sind, auch dann nicht zwischen diesen geändert, wenn die Sonde 24 in Kontakt mit der Probe 12 gebracht wird. Bei diesem Aufbau wird der Krümmungsradius des konvexen Spiegels 53 derart eingestellt, dass er kleiner als der des konkaven Spiegels 54 ist, und wird die Krümmung des Abschnitts der vorderen Oberfläche der Quarzplatte 55, welche den Träger 57 nicht aufweist, derart eingestellt, dass er gleich dem des konvexen Spiegels 53 ist.
Bei der vorhergehenden Ausgestaltung kann eine Lichtabschirmplatte zum Abschirmen eines Illuminationslichts zwischen die Fokussierungslinse 51 und das Spaltprisma 52 während einer STM-Beobachtung eingeführt werden. Die Betätigungsvorrichtung 52 kann durch eine eindimensionale Betätigungsvorrichtung zum Ansteuern der Sonde 24 in lediglich der z-Richtung gebildet sein und der Probentisch 31 kann durch eine zweidimensionale Betätigungsvorrichtung gebildet sein, die in den x- und y-Richtungen beweglich ist.
In jeder Struktur, die zuvor beschrieben worden ist, ist es, da das optische System zum Beobachten eines STM-Felds und das STM-Beobachtungssystem integral kombiniert sind, nicht angemessen, das Verfahren der vorliegenden Erfindung an einem optischen Universalmikroskop ohne Ausgestaltungen anzuwenden. Aus diesem Grund wird eine Struktur eines Rastertunnelmikroskops, welches ein Universalmikroskop weitestgehend ohne irgendwelche Ausgestaltungen verwenden kann, nachstehend beschrieben.
In 12, das ein Rastertunnelmikroskop einer dritten Struktur zeigt, bezeichnet das Bezugszeichen 110 ein kreisförmiges Trägerteil zum Halten einer zylindrischen dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 22 auf einer Objektivlinse a1 eines Universalmikroskops. Das Trägerteil 110 ist von der Außenumfangsoberfläche der Objektivlinse a1 abnehmbar und ist zu der Objektivlinse a1 koaxial. Das Trägerteil 110 und die Objektivlinse a1 sind durch zum Beispiel einen schraubbaren Eingriff oder durch Verschrauben verbunden. Das obere Ende der dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 22 ist auf dem Trägerteil 110 befestigt oder abnehmbar montiert. Eine transparente Platte, z. B. eine Sondenhalterung 23, die aus einem Deckglas besteht, ist koaxial auf das untere Ende der Betätigungsvorrichtung 22 montiert. Ein Durchgangsloch ist in der Mitte der Halterung 23 ausgebildet. Ein proximales Ende der Sonde 24 ist in dieses Durchgangsloch eingeführt und die Sonde 24 ist in der Halterung 23 durch z. B. einen Klebstoff befestigt. Die Sonde 24 ist koaxial mit einer hohen Genauigkeit mit der Halterung 23 verbunden. Weiterhin stimmen die Achsen der Sonde 24 und der Halterung 23 mit der optischen Achse der Objektivlinse a1 überein. Wie es zuvor beschrieben worden ist, bilden das Trägerteil 110, die Betätigungsvorrichtung 22, die Sondenhalterung 23 und die Sonde 24 eine Tunnelrastereinheit 120. In dem Rastertunnelmikroskop, das den vorhergehenden Aufbau aufweist, wird der STM-Abtastbereich der Beobachtungsoberfläche der Probe 12 durch die transparente Halterung 23 mikroskopisch beobachtet, während die Tunnelrastereinheit 21 derart auf die Objektivlinse a1 montiert ist, dass die Achse der Sonde 24 mit der optischen Achse der Objektivlinse a1 übereinstimmt. Auf die gleiche Weise wie bei der vorhergehenden Struktur wird die Sonde 24 von der Betätigungsvorrichtung 22 dreidimensional bewegt, um den STM-Bereich zu beobachten. Auf diese Weise kann bei der Vorrichtung dieser Struktur die STM-Abbildung beobachtet und gemessen werden, während sie die bei der Vorrichtung der vorhergehenden Strukturen die herkömmliche Abbildung überlappt.
In der vierten Struktur, die in 13 gezeigt ist, ist eine dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 22 nicht auf eine Objektivlinse a1 montiert, sondern wird von einem rahmenähnlichen Trägerteil 130 gehalten, welche darin einen Probentisch 31 hält. Das Trägerteil 130 weist an dem Mittenabschnitt der oberen Wand eine kreisförmige Öffnung auf. Eine ringartige Betätigungsvorrichtung 22 ist auf der Umfangsoberfläche der Öffnung derart befestigt, dass die Betätigungsvorrichtung 22 koaxial zu der Objektivlinse a1 ist. Eine Sondenhalterung 23, die aus einer transparenten Glasplatte besteht, ist montiert, um das Loch der Innenumfangsoberfläche der Betätigungsvorrichtung 22 zu verkapseln. Eine Sonde 24 ist an der Mitte der Halterung 23 derart montiert, dass die Sonde 24 sich entlang der optischen Achse der Objektivlinse a1 zu einer Probe 12 ausdehnt. In der fünften Struktur, die in 14 gezeigt ist, wird ein Trägerteil 130 von einer Trägerwelle 131 gehalten, die sich parallel zu der optischen Achse einer Objektivlinse a1 ausdehnt und um die Trägerwelle 131 auf einer horizontalen Ebene schwenkbar ist. Als Ergebnis kann eine Tunnelrastereinheit 120, die aus einer dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 22, die an einem freien Ende des Trägerteils 130 angeordnet ist, einer transparenten Probenhalterung (nicht gezeigt) und einer Sonde 24 besteht, aus einem Pfad zwischen der Objektivlinse a1 und der Sonde 12 zurückgezogen werden. Bei diesem Aufbau wird bewirkt, dass die optische Linse a1 während einer Beobachtung der herkömmlichen Abbildung der Probe 12 nahe kommt. In der Struktur, die in 14 gezeigt ist, wird eine transparente Sondenhalterung verwendet. Jedoch kann irgendein anderes Teil als die transparente Halterung innerhalb des Bereichs verwendet werden, welcher das optische Feld nicht stört, wenn die Position der Sonde bestimmt werden kann. Zum Beispiel kann eine Struktur verwendet werden, bei welcher eine Sonde von einem Draht gehalten wird.
In der sechsten Struktur, die in 15 gezeigt ist, bezeichnet das Bezugszeichen 140 eine Objektivlinseneinheit, die abnehmbar auf einen Revolver a2 eines bekannten optischen Mikroskops, z. B eines metallurgischen Mikroskops, montiert ist. Die Einheit 140 weist einen zylindrischen Außenrahmen 141, der einen Vorsprung auf seiner Außenoberfläche aufweist, und ein unteres offenes Ende auf. Der Vorsprung weist ein Außengewinde auf, welches mit einem Innengewinde einer Objektivlinse des Revolvers a2 schraubbar in Eingriff steht. Ein Schraubenloch ist an der Mitte der Innenoberfläche der oberen Wand des Außenrahmens 141 ausgebildet. Das obere Ende der Objektivlinse a1 steht schraubbar mit diesem Schraubenloch in Eingriff. Ein zylindrischer Innenrahmen 142 ist zwischen der Außenumfangsoberfläche der Objektivlinse a1 und der Innenumfangsoberfläche des Außenrahmens 141 ausgebildet. Der Innenrahmen 142 weist ein Paar von Trägerabschnitten 142, die um einen vorbestimmten Abstand vertikal voneinander beabstandet sind, und eine zylindrische Sondenbewegungs-Grob/Feinbewegungseinheit 142b auf, die zwischen dem Paar von Trägerabschnitten 142a gehalten wird und aus einem sich vertikal ausdehnenden piezoelektrischen Element besteht. Die Trägerabschnitte 142a können selektiv durch ein Paar von oberen Innenrahmenbefestigungs-Grob/Feinbewegungseinheiten 141a und ein Paar von unteren Innenrah menbefestigungs-Grob/Feinbewegungseinheiten 141b befestigt werden. Das Paar von Grob/Feinbewegungseinheiten 141a (141b) ist um einen Winkelabstand von 180° voneinander beabstandet und ist durch piezoelektrische Elemente gebildet, die sich in die Richtung des Innenrahmens 142 ausdehnen können. Das obere Ende einer zylindrischen dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 22, die koaxial zu der Objektivlinse a1 ist, ist auf dem oberen Trägerabschnitt 142a zwischen dem Innenrahmen 142 und der Objektivlinse a1 befestigt. Diese Betätigungsvorrichtung 22 bewegt alternativ die oberen und unteren Innenrahmenbefestigungs-
Grob/Feinbewegungseinheiten 142b, um sich in die z-Richtung auszudehnen/zusammenzuziehen, d. h. ein sogenanntes Raupensystem. Ein Rand eines kreisförmigen Metallrahmens 143, der an seiner Mitte eine kreisförmige Öffnung aufweist, ist an dem unteren Ende der Betätigungsvorrichtung 22 befestigt. In diesem Fall ist zum Beispiel eine schraubbare Eingriffseinrichtung bevorzugt, so dass der Metallrahmen 143 von der Betätigungsvorrichtung 22 entfernt werden kann. Eine Sondenhalterung 23, die aus einem Deckglas besteht, ist auf den Metallrahmen 143 montiert, um die kreisförmige Öffnung zu verkapseln. Gleichzeitig ist eine Sonde 24 entlang der optischen Achse der Objektivlinse a1 an der Mitte dieser Halterung zu einer Probe 12 montiert. Die Probe 12 ist ein Feld auf einem Probentisch 31, das aus einem Gestell besteht, das in die x- und y-Richtungen beweglich ist.
Eine Funktionsweise des Rastertunnelmikroskops, das in 15 gezeigt ist, wird nachstehend beschrieben.
Die Objektivlinseneinheit 140 ist in den Revolver a2 des optischen Mikroskops montiert, um eine mikroskopische Beobachtung einer Probenoberfläche durchzuführen. Zu diesem Zeitpunkt wird eine optische Mikroskopabbildung (herkömmliche Abbildung) durch ein grobes Bewegen des Probentischs fokussiert. Da ein Schattenabschnitt der Sonde 24, der auf der herkömmlichen Abbildung angeordnet ist, einem STM-Abtastbereich entspricht, kann der STM-Abtastbereich mit dem optischen Mikroskop bestätigt werden. Andererseits wird, um die STM-Oberflächenabbildung zu beobachten, die Sonde 24, nachdem die Objektivlinseneinheit 140 in die Fokusposition des optischen Mikroskops eingestellt worden ist, durch die Grob/Feinbewegungseinheit 141a der Einheit 140 fein eingestellt, um einen Tunnelstrom zu erfassen. Danach wird die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 22 auf die gleiche Weise wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bewegt, um die Probe 12 mit der Sonde 24 abzutasten.
Der Probentisch 31 zum Bewegen der Probe kann durch eine Kombination einer x-Richtungs-Betätigungsvorrichtung und einer y-Richtungs-Betätigungsvorrichtung gebildet sein oder kann durch Anordnen der gleichen Betätigungsvorrichtung wie der zylindrischen dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 22 unter der Probe gebildet sein.
Die zylindrische dreidimensionale Betätigungsvorrichtung, die bei der vorhergehenden Struktur verwendet wird, wird unter Bezugnahme auf die 16A, 16B und 16C beschrieben.
Das Bezugszeichen 150 bezeichnet ein zylindrisches Gehäuse, das aus einem piezoelektrischen Material besteht und zwei offene Enden aufweist. Vier Elektroden, d. h. eine X-Elektrode 151a, eine -Y-Elektrode 151b, eine -X-Elektrode 151c und eine Y-Elektrode 151b, sind um den Umfang in dem unteren Abschnitt der Außenumfangsoberfläche des Gehäuses 150 mit vorbestimmten Winkelabständen angeordnet. Von diesen Elektroden sind die X-Elektrode (Y-Elektrode) und die -X-Elektrode (-Y-Elektrode) um einen Winkelabstand von 180° voneinander beabstandet. Eine Z-Elektrode 152 ist an dem oberen Abschnitt der Außenumfangsoberfläche des Gehäuses 150 derart ausgebildet, dass sie sich durch den gesamten Umfang ausdehnt. Eine hintere Elektrode 153, die als eine Masseelektrode dient, ist auf der Innenumfangsoberfläche des Gehäuses 150 derart ausgebildet, dass sie den Elektroden 151a, 151b, 151c, 151d und 152 gegenüberliegt. Spannungen, die Polaritäten aufweisen, die in 16D gezeigt sind, werden an die jeweiligen Elektroden der dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 22 angelegt, die den vorhergehenden Aufbau aufweist, um selektiv die Sonde 24 in den x-, y- und z-Richtungen abzutasten, um eine STM-Beobachtung durchzuführen.
In der siebten Struktur, die in 17 gezeigt ist, wird eine z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22z, die sich lediglich in der z-Richtung ausdehnen kann, anstelle der dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 22 verwendet.
Die Betätigungsvorrichtung 22z weist ein scheibenartiges bimorphes piezoelektrisches Element auf, das an seiner Mitte eine kreisförmige Öffnung aufweist und auf dem Rand eines unteren Trägerabschnitts 142a eines Innenrahmens 142 befestigt ist. Auf die gleiche Weise wie bei der Struktur, die in 15 gezeigt ist, ist eine Halterung 23, die aus einem Deckglas besteht, in dem Mittelloch der Betätigungsvorrichtung 22z derart befestigt, dass die optische Achse einer Objektivlinse a1 mit der Achse einer Sonde 24 übereinstimmt. Eine x-Richtungs-Betätigungsvorichtung 22x und eine y-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22y zum Bewegen des Trägertischs 31 in den x- bzw. x-Richtungen sind in einem rahmenähnlichen Trägerteil 110 angeordnet, welches den Trägertisch 31 unterbringt, dessen obere Oberfläche eine Probe 12 hält. Die x- und y-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22x und 22y sind durch piezoelektrische Elemente gebildet, die zwischen dem Trägertisch 31 und dem Trägerteil 130 angeordnet sind. Die Probe wird in der Oberflächenrichtung (x-y-Richtung) durch die x- und y-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22x und 22y bewegt und die Sonde 24 wird von der z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22z in der z-Richtung bewegt, um dadurch eine STM-Beobachtung durchzuführen. In dieser Struktur sind anders als bei der Struktur in 15 lediglich eine obere Innenrahmenbefestigungs-Grob/Feinbewegungseinheit 141a und lediglich eine untere Innenrahmenbefestigungs-Grob/Feinbewegungseinheit 141b angeordnet, aber ihre Funktionsweisen sind die gleichen wie diejenigen der Struktur in 15.
In der achten Struktur, die in 18 gezeigt ist, ist kein STM-Abtastmechanismus auf der Seite der Objektivlinse a1 vorgesehen, sondern auf dem Probenträgermechanismus zum Halten einer Probe 12. Bei dieser Struktur ist eine xy-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22xy, die eine Mittenöffnung aufweist, an der Mitte der oberen Oberfläche eines rahmenähnlichen Trägerteils 130 montiert. Eine Sondenhalterung 23, die aus einem Deckglas besteht, ist derart in die Betätigungsvorrichtung 22xy montiert, dass sich eine Sonde 24 zu der Seite der Probe ausdehnt. Eine z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung zum Halten der Probe 12 auf ihrer oberen Oberfläche und ein Probentisch 31 zum Halten der Betätigungsvorrichtung 22z sind unter der Sondenhalterung 23 angeordnet. Die z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22z bewegt die Probe 12 derart, dass ein Abstand zwischen der Probe 12 und der Sonde 24 in einen vorbestimmten Bereich fällt. Die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung kann anstelle der z-Richtungs-Betätigung 22z verwendet werden.
Die neunte Struktur wird unter Bezugnahme auf die 19A bis 19D beschrieben.
Es wird auf die 19A und 19B verwiesen. Das Bezugszeichen 160 bezeichnet ein Gestell. Ein stangenartig piezoelektrisches Element 63, das ebenso als ein Probentisch und Trägerausleger 161 zum Halten einer Grobbewegungseinheit 30 zum groben Bewegen eines piezoelektrischen Elements 31 in den x- und y-Richtungen dient, dehnt sich von der vorderen Oberfläche des Gestells 160 aus. Eine Bewegungseinheit 165 zum Bewegen des Trägerauslegers 161 in der z-Richtung bezüglich des Gestells 160 ist ebenso auf dem Gestell 160 angeordnet. Die oberen und unteren Enden einer Drehwelle 161, die sich in der vertikalen Richtung ausdehnen, werden an einem Eckabschnitt der vorderen Oberfläche des Gestells 160 drehbar gehalten. Eine Tunnelrastereinheit 120 ist auf der Drehwelle 162 angeordnet, um zusammen mit dieser drehbar zu sein. Die Tunnelrastereinheit 120 weist einen Träger 163 auf, der sich von der Drehwelle ausdehnt. Eine dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 22 ist auf dem Träger 163 befestigt. Die Betätigungsvorrichtung 22 weist eine dreibeinige Betätigungsvorrichtung auf, die aus drei stabartigen piezoelektrischen Elementen besteht, die zueinander senkrecht sind und an ihren proximalen Enden miteinander verbunden sind. Eine Sonde 24 dehnt sich von den proximalen Abschnitten der piezoelektrischen Elemente nach unten aus. Eine Verriegelungseinrichtung 164 ist in dem Träger 163 angeordnet, um die Tunnelrastereinheit 120 an dem Gestell 160 zu verriegeln, wenn die Tunnelrastereinheit 120 von einer STM-Nicht-Messungsposition, die in 19A gezeigt ist, zu einer STM-Messungsposition geschwenkt wird, die in 19B gezeigt ist. Die Verriegelungseinrichtung 164 weist eine Verriegelungsschraube auf, die schraubbar mit dem Träger 163 in Eingriff steht. Das distale Ende der Verriegelungsschraube ist gegen die Seitenoberfläche des Gestells 160 gedrängt, um dadurch ein Verriegeln zu erzielen. Die Grobbewegungseinheit 30 weist einen x-Tisch zum Halten des Probentisches 31, einen y-Tisch und Betätigungsgriffe 30a und 30b für den x- bzw. y-Tisch auf.
19C zeigt einen Zustand, in dem das Gestell 160 in ein bekanntes metallurgisches Mikroskop eingebaut ist. In diesem Fall wird die optische Achse einer Objektivlinse a1 des Mikroskops derart eingestellt, dass sie zu der Achse der Sonde 24 ausgerichtet ist, and sowohl die optische Beobachtung als auch die STM-Beobachtung werden durchgeführt.
Zuerst wird die Tunnelrastereinheit 120 an eine Position gesetzt, die von der Probe 12 versetzt ist (19A) und die Betätigungsgriffe 30a und 30b werden gedreht, um eine STM-Beobachtungsposition innerhalb der horizontalen Ebene zu bestimmen, während die Probe 12 weiterhin mit dem metallurgischen Mikroskop beobachtet wird. Wenn ein Betätigungsgriff 165 gedreht wird, um eine Höhe und daher eine Fokussierungsposition (die Fokussierungsposition ist eine wesentliche Abtastposition der Sonde 24) zu bestimmen. Eine Markierung (z. B. +) wird an der gleichen Position wie die der Sonde 24 ausgebildet. Diese Position wird bestimmt, wenn die Tunnelrastereinheit 120 in den Abtastzustand versetzt wird. Weiterhin kann, da ein STM-Abtastbereich ebenso bestätigt werden kann, der Bediener genau ein Einstellen der Probenposition, die abzutasten ist, und ein Material in dem Abtastbereich überprüfen, während er durch das metallurgische Mikroskop beobachtet.
Nachdem die Abtastposition bestimmt worden ist, wird die Tunnelrastereinheit 120 auf dem Gestell 160 befestigt und wird eine STM-Abbildung gemessen.
19D zeigt ein Blockschaltbild eines Aufbaus des STM-Messsystems.
Das Bezugszeichen 85 bezeichnet eine Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung beinhaltet eine Eingabeschnittstelle 91 und eine Ausgabeschnittstelle. Die Steuervorrichtung 85 ist mit einer CRT-Graphikanzeige, einem Bildspeicher, einem Plotter oder Drucker als eine Aufzeichnungseinheit und dergleichen verbunden. Eine Messbereichs-Auswahltaste und eine Eingabeeinheit, wie zum Beispiel eine Maus, die als eine Steuerbox dient, sind mit den Eingangsanschlüssen der Steuervorrichtung 85 verbunden. Eine X-, Y-, Z-Positions-Steuervorrichtung 86, eine xy-Richtungs-Probenpositions-Grob bewegungseinheit 87 und eine Auto-Zugriffseinheit 88 sind mit den Ausgangsanschlüssen der Steuervorrichtung 85 verbunden.
In der Tunnelrastereinheit, die integral mit dem optischen Mikroskop ausgebildet ist, wird ein Steuerstrom, der aus der Sonde 24 erzielt wird, durch einen Vorverstärker 89 und einen Verstärker 90 verstärkt und das verstärkte Signal wird der Eingabeschnittstelle 91 der Steuervorrichtung 85 zugeführt.
Eine Beobachtungsabbildung, die von einem optischen Mikroskop (einem optischen Mikroskop, das durch Einschließen der Tunneleinheit in einem Objektivlinsenabschnitt erzielt wird) erzielt, das integral und optisch mit der STM-Tunneleinheit verbunden ist, wird von einer Videokamera 93 aufgenommen und das Bildaufnahmesignal wird einem Videobildschirm 96 zugeführt. Das Abbildungsaufnahmesignal wird ebenso über die Eingabeschnittstelle 91 der Steuervorrichtung 85 zugeführt.
Ein Verfahren eines Betreibens der Vorrichtung dieser Struktur und ihr Betrieb, der sich auf den Betrieb der vorhergehenden Steuervorrichtung konzentriert, werden nachstehend beschrieben.
Nachdem die Vorrichtung mit Energie versorgt worden ist, werden die folgenden Betriebe durchgeführt.
I. Die Probe 12 wird auf dem Probentisch befestigt und eine Tunnelvorspannungs-Anlegeelektrode wird an diese angebracht.
II. Um eine Position eines STM-Abbildungs-Beobachtungsabschnitts zu bestimmen, wird die Probe mit einem optischen Mikroskop 94 beobachtet. Zu diesem Zeitpunkt wird das optische Mikroskop durch einen automatischen Fokussierungsmechanismus fokussiert. Ein Verfahren eines Fokussierens des Mikroskops besteht darin, ein Messerschneidenverfahren zu verwenden. Eine Änderung der optischen Abbildung, die durch ein aus dem Fokus sein verursacht wird, wird von der Videokamera 93 aufgenommen, die auf den Okularabschnitt montiert ist, und wird in die Steuervorrichtung 85 eingegeben. Ein Signal zum Steuern eines automatischen Fokussierungs mechanismus wird von der Steuervorrichtung 85 in die automatische Fokussierungseinheit eingegeben, um eine relative Position zwischen der Probe und dem Objektivlinsenabschnitt zu steuern, um dadurch die Abbildung des optischen Mikroskops zu fokussieren.
Die relative Position zwischen der Objektivlinse und der Probe wird unter Verwendung des automatischen Fokussierungsabschnitts auf die Position im Fokus eingestellt, um den Abstand zwischen der Probe und der STM-Sonde, die an das distale Ende der Objektivlinse montiert ist, derart einzustellen, dass sie so nahe wie ein vorbestimmter Wert (ungefähr 50 um) ist.
Wenn der optische Fokussierungsvorgang beendet ist, wird ein Positionieren des STM-Beobachtungsabschnitts durchgeführt.
Ein Probenoberflächenabschnitt, der einer STM-Beobachtung unterzogen wird, wird zu der Markierung ausgerichtet (die STM-Sonde ist an dieser Position vorhanden), die sich in der Mitte der Abbildung des optischen Mikroskops befindet. Zu dieser Zeit werden Schalter der Steuervorrichtung betätigt, um die Probenposition einzustellen. Zu diesem Zeitpunkt werden die X-, Y-Richtungs-Positionierungssignale aus der Probenpositionierungs-Grobbewegungseinheit 87 ausgegeben, um eine xy-Position der Probe und Winkel der θ-(xy-Ebene)-, Φ-(Ebene)-, T-(yz-Ebene)-Richtungen zu bestimmen.
III. Nachdem die STM-Beobachtungsposition bestimmt worden ist, wie es zuvor beschrieben worden ist, wird durch die Auto-Zugriffseinheit 88 bewirkt, dass die STM-Sonde einer Position nahe kommt, an der ein Tunnelstrom beobachtet werden kann.
Wenn eine relative Position zwischen der STM-Sonde und der Probe einer Position nahe kommt, die nach einem optischen Fokussieren einen vorbestimmten Wert aufweist, wird eine Vorspannung an die Probe angelegt und wird ein Tunnelstrom, der zwischen der Probe und der Sonde fließt, von dem Vorverstärker und dem Verstärker verstärkt. Das verstärkte Signal wird in die Steuervorrichtung eingegeben. Ein Auto-Zugriffseinheits-Steuersignal wird von der Steuervorrichtung in die Auto-Zugriffseinheit eingegeben, um den Abstand zwischen der Probe und der Sonde derart einzustellen, dass dieser einen vorbestimmten Wert aufweist.
Auch dann, wenn ein Tunnelstrom übermäßig erhöht wird, kann die Sonde unter Verwendung des Auto-Zugriffmechanismus von der Probe getrennt werden. Deshalb gibt es keine Gefahr eines Bringens der Sonde in Kontakt mit der Probe.
Unter Verwendung dieses zweistufigen Auto-Zugriffmechanismus, welcher einen optischen Auto-Zugriff durchführt und den Tunnelstrom erfasst, kann eine Dauer, die zum Bewirken erforderlich ist, dass die Sonde der Probe nahe kommt, verkürzt werden.
IV. Die Probenneigung wird parallel zu der Oberfläche der Objektivlinse durch z. B. ein Goniometer auf der Abtastpositions-Grobbewegungseinheit eingestellt (die Sonde wird derart eingestellt, dass sie zu der Probenoberfläche senkrecht ist).
Die Neigungseinstellung der Probe wird durch die folgenden zwei Schritte durchgeführt.
a. Ein Steuersignal wird von der Steuervorrichtung der Probenpositionierungs-Grobbewegungseinheit 87 derart zugeführt, dass eine Abbildung des optischen Mikroskops, das von der Videokamera aufgenommen wird, durch das gesamte Feld fokussiert ist. Die Probenneigung wird daher korrigiert.
b. Ein Tunnelstromsignal, das nach einem Abtasten eines dreidimensionalen Kenners 95 in einem weiten Bereich (ungefähr 10 μm) erzielt wird, wird verstärkt. Das verstärkte Signal wird in eine Wellenform-Überwachungseinrichtung 92 eingegeben. Unter Verwendung von zwei Verfahren, d. h., eines optischen Verfahrens, in dem ein Steuersignal von der Steuervorrichtung 95 in die Abtastpositionierungs-Grobbewegungseinheit derart eingegeben wird, dass ein Ausgang aus der Wellenform-Überwachungseinrichtung 92 konstant eingestellt wird (d. h. die x- und y-Achsen-Abtastsignale und identische Frequenzkomponenten werden auf null eingestellt), um da durch die Probenneigung zu korrigieren, und eines Tunnelstrom-Erfassungsverfahrens, kann die Probenneigung korrigiert werden. Deshalb kann verglichen mit einem Verfahren eines Erfassens lediglich des Tunnelstroms die Probenneigung innerhalb einer kurzen Zeitdauer korrigiert werden.
V. Der dreidimensionale Scanner 95 wird in den x- und y-Richtungen abgetastet und die STM-Abbildung wird gemessen, während eine z-Richtungsposition derart gesteuert wird, dass ein Tunnelstrom konstant gehalten wird.
Um eine STM-Abbildung in einem breiten Bereich (im Wesentlichen dem gleichen Bereich wie dem der Abbildung des optischen Mikroskops) zu erzielen, werden STM-Abbildungen unter Verwendung der Probenpositionierungs-Grobbewegungseinheit 87 verbunden (STM-Abbildungen in schmalen Bereichen werden aufeinanderfolgend gemessen, während die Abtastposition auf der Probenoberfläche aufeinanderfolgend geändert wird, und werden in Übereinstimmung mit Software verbunden).
Eine Vorrichtung, die zu der Vorrichtung der Struktur ähnlich ist, die in 6 gezeigt ist, wird unter Bezugnahme auf 20 beschrieben.
Die gleichen Bezugszeichen wie in 6 bezeichnen im Wesentlichen die gleichen Teile, die die gleichen Funktionen in dem ersten Ausführungsbeispiel in 20 aufweisen, und eine detaillierte Beschreibung von diesen wird weggelassen.
In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist eine Beobachtungseinrichtung zum Beobachten eines sehr kleinen Abstands zwischen einer Messoberfläche einer Probe 12 und einem distalen Ende einer Sonde 24 wie folgt angeordnet.
Es wird auf 20 verwiesen. Das Bezugszeichen 200 bezeichnet eine Messeinheit, die durch Einschließen eines Probenträgermechanismus und einer Objektivlinseneinheit 120 in einen Einheitsrahmen 201 erzielt wird. Ein Ende einer optischen Faser (einer kalten Faser) 202 zum Leiten von Licht zu der Probe 12 ist auf einer Seite des Einheitsrahmens 201 angeordnet. Eine Hilfsobjektivlinse 203 ist auf der anderen Seite des Einheitsrahmens 201 angeordnet, um Licht, das von der Probe 12 reflektiert wird, durch die optische Faser 202 zu empfangen. Ein Ende der optischen Faser und die Hilfsobjektivlinse 203 können auf der vertikalen Ebene in einem Bereich (a) von ungefähr 20° von der Beobachtungsoberfläche der Probe 12 bezüglich der Mitte der Oberfläche der Probe 12 geneigt sein. Das andere Ende 202a der optischen Faser 202 dehnt sich in der Nähe einer Lichtquelle 50 von einem optischen Mikroskop aus. Als Ergebnis wird Licht aus der Lichtquelle 50 über ein Beleuchtungssystem des optischen Mikroskops zu der Probe 12 und gleichzeitig über die optische Faser 202 zu der Probe 12 geleitet. Ein Hilfsokular 205 ist auf der rückseitigen optischen Achse der Hilfsobjektivlinse 203 über einen drehbaren reflektierenden Spiegel 204 angeordnet. Reflektiertes Licht aus der Hilfsobjektivlinse 203 wird durch den reflektierenden Spiegel 204 empfangen, um dadurch visuell einen Abstand zwischen der Beobachtungsoberfläche der Probe 12 und dem distalen Ende der Sonde 24 durch das Hilfsokular 205 zu überprüfen. Als Ergebnis kann, während die Messung durchgeführt wird, die Sonde 24 der Probe 12 nahe kommen, um dadurch eine Beschädigung an der Probe 12 und der Sonde 24 nach einem Kontakt zwischen diesen zu verhindern.
Es wird auf 20 verwiesen. Das Bezugszeichen 206 bezeichnet einen eine Vibration verhindernden Tisch auf welchem die Messeinheit 200 angeordnet ist.
Ein Aufbau der Messeinheit 200 wird unter Bezugnahme auf die 21A bis 21D beschrieben.
Der Einheitsrahmen 201 weist einen oberen Rahmen 201a, einen unteren Rahmen 201b und ein Paar von gegenüberliegenden Seitenrahmen 201c auf. Eine kreisförmige Öffnung 201d wird an der Mitte des oberen Rahmens 201a ausgebildet, um Licht von der Lichtquelle 50 in dem Einheitsrahmen 201 und Licht von dem Einheitsrahmen 201 zu dem Okular 51 zu übertragen. Ein scheibenartiger Objektivrevolver 211 ist durch eine Drehwelle 211a drehbar auf die Innenoberfläche des oberen Rahmens 201a montiert. Zwei Objektivlinsen a1, die unterschiedliche Vergrößerungen aufweisen, und eine Objektivlinseneinheit 140 sind in dem Objektivrevolver 211 in gleichen Abständen angeordnet. Diese Abstände werden derart bestimmt, dass dann, wenn die Objektivlinsen a1 und die Einheit 140 selektiv zu der Öffnung 201d bewegt werden, die Achse der bewegten Linse oder Einheit zu der Achse der Öffnung 201d ausgerichtet ist. Eine Grobbewegungsschraube 213, von der sich ein Ende innerhalb des Einheitsrahmens 201 ausdehnt, steht extern schraubbar mit der Mitte des unteren Rahmens 201b des Einheitsrahmens 201 in Eingriff. Ein Grobbewegungstisch 215 wird an dem ausgedehnten Ende der Grobbewegungsschraube derart gehalten, dass der Grobbewegungstisch 215 durch eine Grobbewegungskugel 214 durch zwei Paare von Führungsschienen 215a, die an Kanten von beiden Enden angeordnet sind, nach einem Drehen der Grobbewegungsschraube 213 geführt und vertikal bewegt (z-Richtung) wird. Ein xy-Richtungs-Tisch 216, der eine extern abgetasteten x-Richtungs-Einstellungsgriff 216 und einen extern abgetasteten y-Richtungs-Einstellungsgriff 216b aufweist (21D) wird auf der oberen Oberfläche des Grobbewegungstisches 215 angeordnet, um in der Oberflächenrichtung (x- und y-Richtung) bezüglich dem Grobbewegungstisch beweglich zu sein. Der Grobbewegungstisch 215 und der xy-Richtungs-Tisch 216 stehen durch einen Vorsprung und eine Vertiefung mit einem Spiel in Eingriff, das in der Oberflächenrichtung ausgebildet ist. Eine Feder 216c zum Vorspannen des xy-Richtungs-Tischs 216 bezüglich dem Grobbewegungstisch 215 in einer Richtung wird zwischen dem in Eingriff stehenden Seitenoberflächen des Grobbewegungstisches 215 und des xy-Richtungs-Tisches 216 angeordnet. Eine rechteckige Vertiefung 216d, die zwei offene Enden aufweist, ist auf der oberen Oberfläche des Mittenabschnitts des xy-Richtungs-Tischs in seiner breiten Richtung ausgebildet. Eine mittlere Feinbewegungsplatte 217 ist in die rechteckige Vertiefung 216d eingeführt. Eine erste Betätigungsvorrichtung 218, die sich in die z-Richtung ausdehnen kann, ist an einem Ende des XY-Tischs 216 in der Längsrichtung befestigt. Ein erster Feinbewegungsstift 219, der mit einer Vertiefung in Eingriff steht, die auf einer unteren Oberfläche einem Längsende der mittleren Feinbewegungsplatte 217 ausgebildet ist, grenzt gegen das obere Ende der Betätigungsvorrichtung 218 an. Ein erster feststehender Stift 220 ist zwischen den xy-Richtungs-Tisch 216 und das andere Ende der mittleren Feinbewegungsplatte 217 eingeführt. Nach einem Ausdehnen/Zusammenziehen der ersten Betätigungsvorrichtung 218 wird die mittlere Feinbewegungsplatte 217 um den ersten feststehenden Stift 220 auf der vertikalen Ebene bezüg lich dem xy-Richtungs-Tisch 216 geschwenkt. Eine hohe Feinbewegungsplatte 221 ist auf der mittleren Feinbewegungsplatte 217 angeordnet. Eine zweite Betätigungsvorrichtung 222, die sich in der z-Richtung ausdehnen kann, dehnt sich von dem anderen Längsende der mittleren Feinbewegungsplatte 217 aus. Ein zweiter Feinbewegungsstift 223, der mit einer Vertiefung in Eingriff steht, die auf der unteren Oberfläche des anderen Längsendes der hohen Feinbewegungsplatte 221 ausgebildet ist, grenzt gegen das obere Ende der Betätigungsvorrichtung 222 an. Ein zweiter feststehender Stift 224, der von der Innenwand der rechteckigen Vertiefung 216d gehalten wird, ist zwischen ein Ende der hohen Feinbewegungsplatte 221 und einem Abschnitt in der Nähe einer Seite der Mitte der mittleren Feinbewegungsplatte 217 eingeführt. Nach einem Ausdehnen/Zusammenziehen der zweiten Betätigungsvorrichtung 222 wird die hohe Einstellungsplatte 221 um den zweiten feststehenden Stift 224 auf der vertikalen Ebene bezüglich der mittleren Feinbewegungsplatte 217 geschwenkt. Eine xy-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22xy wird auf der oberen Oberfläche in der Nähe eines Endes der hohen Feinbewegungsplatte 221 gehalten. Die Probe 12 wird auf der Betätigungsvorrichtung 22xy angeordnet. Die xy-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22xy bewegt die Probe 12 in den x- und y-Richtungen und arbeitet mit einer z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22z (später beschrieben) zusammen, um eine STM-Beobachtung durchzuführen. In diesem ersten Ausführungsbeispiel wird der Abstand zwischen der Probe 12 und dem zweiten Feinbewegungsstift 223 derart eingestellt, dass er zehnmal dem Abstand zwischen dem zweiten feststehenden Stift 224 und der Probe 12 ist. Das heißt, ein Hebelverhältnis der hohen Feinbewegungsplatte 221 wird auf 10 : 1 eingestellt. Der Abstand zwischen der ersten Feinbewegungsplatte 219 und dem ersten feststehenden Stift wird auf zweimal dem Abstand zwischen der Probe 12 und dem zweiten Feinbewegungsstift 223 eingestellt. Aus diesem Grund kommt die Oberfläche der Probe 12, wenn die zweite Betätigungsvorrichtung 222 um 1μm nach oben bewegt wird, der Probe um 1 μm × 1/10 = 0,1 μm nahe. Wenn lediglich die erste Betätigungsvorrichtung 218 um 1 μm nach oben gelegt wird, ohne die zweite Betätigungsvorrichtung 222 zu betätigen, kommt die Oberfläche der Probe 12 der Probe 24 um 1 μm × 1/20 × 1/10 = 0,0005 μm nahe. Das heißt, die zweite Betätigungsvorrichtung 222 kann eine mittlere Feinbewegung an der Probe 12 vorsehen und die erste Betätigungsvorrichtung 218 kann eine sehr feine Bewegung an dieser vorsehen. Federsitze 230 und 231 sind an beiden Enden des Paars von Seitenrahmen 201c des Einheitsrahmens 201 befestigt. Eine Druckfeder 232 zum stetigen Vorspannen eines Endes der mittleren Feinbewegungsplatte 217 ist zwischen einem Federsitz 230 und der oberen Oberfläche von einem Ende der mittleren Feinbewegungsplatte 217 eingeführt. Gleichzeitig ist eine Druckfeder 233 zum stetige Vorspannen des anderen Endes der hohen Feinbewegungsplatte 217 zwischen dem anderen Federsitz 231 und dem oberen Ende des anderen Endes der hohen Feinbewegungsplatte 221 eingeführt. Die jeweiligen Komponententeile der Messeinheit 200 sind fest in dem Einheitsrahmen 201 befestigt, was eine hohe Erdbebenfestigkeit vorsieht. Die Teile, wie zum Beispiel der Einheitsrahmen 201, bestehen aus Bernstein, das einen kleinen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, und werden kompakt hergestellt, was daher im Wesentlichen die thermischen Einflüsse minimiert.
Die Objektivlinseneinheit 140 wird unter Bezugnahme auf 22 beschrieben.
Es wird auf 22 verwiesen. Das Bezugszeichen 300 bezeichnet ein zylindrisches oberes Gehäuse, das einen abgezogenen gerändelten Abschnitt 300a auf seiner Umfangsoberfläche aufweist. Ein Schraubengewinde ist auf dem unteren Umfangsabschnitt des oberen Gehäuses 300 ausgebildet. Dieses Schraubengewinde weist einen gerändelten Abschnitt 301a auf seiner Außenumfangsoberfläche auf. Ein Innengewinde, das auf der Innenumfangsoberfläche des oberen Abschnitts eines zylindrischen unteren Gehäuses 301 ausgebildet ist, das ein oberes offenes Ende aufweist, steht schraubbar mit dem vorhergehenden Schraubgewinde in Eingriff. Die oberen und unteren Gehäuse 300 und 301 sind durch einen schraubbaren Eingriff abnehmbar miteinander gekoppelt. Ein Innengewinde ist auf der Innenumfangsoberfläche des oberen Gehäuses 300 ausgebildet. Ein oberer Trägerzylinder 302 und ein unterer Trägerzylinder 303, die um einen vorbestimmten Abstand von diesem vertikal beabstandet sind, stehen mit diesem Innengewinde durch Außengewinde, die auf den Außenumfangsoberflächen der Zylinder 302 und 303 ausgebildet sind, schraubbar in Eingriff. Eine Einstellschraube 304 steht schraubbar mit dem Innengewinde, das auf den sich zylindrisch ausdehnenden Abschnitt des oberen Ende des oberen Gehäuses ausgebildet ist, durch ein Außengewinde in Eingriff, das auf der Außenumfangsoberfläche der Einstellschraube 304 ausgebildet ist. Die Einstellschraube 304 weist obere und untere offene Enden und nach Innen gehende und nach Außen gehende Flansche an seinem oberen Ende auf. Die Einstellschraube 304 ist zylindrisch und ein Innengewinde ist auf ihrer Innenumfangsoberfläche ausgebildet. Ein Außengewinde, das auf dem oberen Außenumfangsabschnitt eines zylindrischen Lichtleiterteils 305 ausgebildet ist, das obere und untere Enden aufweist, steht schraubbar mit dem Innengewinde der Einstellschraube 304 in Eingriff. Eine erste Linse 306 ist zwischen dem nach Innen gehenden Flansch der Einstellschraube 304 und dem oberen Ende des Lichtleiterteils 305 befestigt und angebracht. Eine zweite Linse 307, die ein Durchgangsloch an ihrem Mittenabschnitt aufweist, ist zwischen der unteren Oberfläche des oberen Trägerzylinders 302 und der Innenumfangsoberfläche des unteren Trägerzylinders 303 befestigt und angebracht. Der obere Abschnitt einer Linsenmontagewalze 308 ist in den unteren Abschnitt des unteren Trägerzylinders 303 eingeführt und durch einen Befestigungsring 309 befestigt. Eine dritte Linse 310 ist in einen unteren Endabschnitt eines kleinen Durchmessers der Linsenmontagewalze 308 montiert. Ein konkaver Spiegel 54 ist auf der unteren Oberfläche der zweiten Linse ausgebildet und ein konvexer Spiegel 53 ist an dem Mittenabschnitt der oberen Oberfläche der dritten Linse ausgebildet. Eine Öffnung ist an dem Mittenabschnitt des unteren Endes des unteren Gehäuses 301 ausgebildet. Ein transparentes Teil, wie zum Beispiel eine Trägerplatte 311, die z. B. aus Quarzglas besteht, ist in dieser Öffnung befestigt. Die z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 220z ist an dem Mittenabschnitt der Trägerplatte 311 montiert, um sich nach unten auszudehnen. Eine Sonde 24 ist an dem distalen Ende der Betätigungsvorrichtung 22z montiert, um sich nach unten auszudehnen. Die ersten bis dritten Linsen 306, 307 und 310, der konkave Spiegel 54, der konvexe Spiegel 53, die Sonde 24 und die z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22z sind koaxial angeordnet. Eine Messeinheit 200, die mit der Einheit 140 montiert ist, ist in das optische Mikroskop montiert, das in 20 gezeigt ist, und Beobachtungen der herkömmlichen Abbildung und die STM-Abbildung sind die gleichen wie diejenigen der vorhergehenden Strukturen und eine detaillierte Beschreibung von ihnen wird weggelassen.
Eine Sonden/Probenabstandsmesseinheit, die aus der optischen Faser 202 und er Hilfsobjektivlinse 203 besteht, wird unter Bezugnahme auf 23 beschrieben.
Es wird auf 23 verwiesen. Das Bezugszeichen 401 bezeichnet eine Leiterplatte, die in dem Einheitsrahmen 201 (21A) entlang der vertikalen Ebene befestigt ist. Erste und zweite gekrümmte Führungsvertiefungen 401a und 401b dehnen sich symmetrisch entlang der Umgangsoberfläche der Führungsplatte 401 aus. Ein Ende von jedem von ersten und zweiten Lenkauslegern 402a und 402b ist vor der Führungsplatte 401 angeordnet. Ein Abschnitt des einen Endes der optischen Faser 202 ist an dem anderen Ende des ersten Auslegers 402a befestigt, um sich zusammen und parallel mit dem Ausleger 402a zu schwenken. Eine Hilfsobjektivlinse 203 ist an das andere Ende des zweiten Auslegers 402b montiert, um zusammen und parallel zu dem Ausleger 402b schwenkbar zu sein. Die Hilfsobjektivlinse 203 ist durch einen Zahnstangen/Kegelradmechanismus mit dem Ausleger 402 entlang der optischen Achse gekoppelt. Zahnräder 403a und 403b sind jeweils mit Abschnitten des einen Endes der ersten und zweiten Ausleger 402a und 402b befestigt. Ein drittes Zahnrad 403c steht mit dem zweiten Zahnrad 403 in Eingriff. Die ersten bis dritten Zahnräder 403a, 403b und 403c werden von dem Einheitsrahmen 201 (21A) drehbar gehalten. Die ersten und zweiten Ausleger 402a und 402b werden um ihre Achsen innerhalb der vertikalen Ebene nach einer Schwenkbewegung der Zahnräder 403a und 403b geschwenkt. Eine erste Rolle 404a ist koaxial auf dem dritten Zahnrad 403c befestigt, um zusammen mit dem dritten Zahnrad 403c schwenkbar zu sein. Ein zweite Rolle 404b ist auf einen reflektierenden Spiegel 204 montiert, der auf der lichtabgebenden Seite der Hilfsobjektivlinse 203 angeordnet ist, um zusammen mit dem reflektierenden Spiegel 204 gedreht zu werden. Ein Endlosband 405 ist zwischen der ersten Rolle 404a und der zweiten Rolle 404 geschwungen. Eingriffstifte 406a und 406b, deren distale Enden in den Führungsrillen 401a und 401b angeordnet sind, dehnen sich von den ersten und zweiten Auslegern 402a und 402b aus und werden entlang diesen Führungsrillen geführt.
In der Abstandsmesseinheit, die den vorhergehenden Aufbau aufweist, wird, wenn die Hilfsobjektivlinse 203 geschwenkt wird, die optische Faser 202 um den gleichen Wert wie dem der Hilfsobjektivlinse 203 durch die Zahnräder 403a und 403b und die Ausleger 402a und 402b geschwenkt. Als Ergebnis wird Licht, das von der Probe nach einem Einfallen des Lichts von der optischen Faser 202 reflektiert wird, immer und wirkungsvoll zu der Hilfsobjektivlinse 203 geleitet. Nach einer Schwenkbewegung der Hilfsobjektivlinse 203 wird der reflektierende Spiegel 204 ebenso durch die Zahnräder 403b, 403c, die Rollen 404a und 404b und das Endlosband 405 geschwenkt. Als Ergebnis wird Licht, das aus der Hilfsobjektivlinse 203 austritt, durch den reflektierenden Spiegel 204 an jeder Schwenkposition der Hilfsobjektivlinsen 203 zu dem Hilfsokular 205 (20) geleitet. Deshalb wird die Hilfsobjektivlinse geschwenkt, um zu einer Position zu kommen, an der ein Abstand zwischen der Sonde und der Probe einfach gemessen werden kann, um dadurch Messungen durchzuführen.
Die 24A bis 24C zeigen eine Ausgestaltung der Messeinheit, die in 21A gezeigt ist, und der Abstandsmesseinheit, die in 23 gezeigt ist. Bei dieser Ausgestaltung wird die Einheit 140 von einem Trägerausleger 501 gehalten, der auf einem Mikroskop (nicht gezeigt) befestigt ist. Die Betätigungseinrichtung und die Sonde 24 sind anders als bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel nicht auf die Einheit 140 montiert. Das Bezugszeichen 502 bezeichnet ein feststehendes Teil. Ein Ende einer Schwenkplatte 504 ist durch eine Schwenkwelle 503 innerhalb der horizontalen Ebene zwischen einer Position, an der die Schwenkplatte 504 unter der Einheit 140 angeordnet ist, und einer Position, an der die Schwenkplatte 504 von der Position versetzt ist, an der die Schwenkplatte 504 unter der Einheit 540 angeordnet ist, an dem feststehenden Teil 502 befestigt. Ein Durchgangsloch ist an dem Mittenabschnitt der Schwenkplatte 504 ausgebildet. Eine Sondenhalterung 23, die aus z. B. einem Deckglas besteht, ist ausgebildet, um das Durchgangsloch zu bedecken. Die Sonde 24 ist in der Sondenhalterung 23 befestigt, um sich nach unten, d. h. sich zu der Richtung der Sonde 12, durch die z-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22z auszudehnen. Die Probe wird von der xy-Richtungs-Betätigungsvorrichtung 22xy gehalten, um sich unter die Sonde 24 auszudehnen. Das Bezugszeichen 505 bezeichnet einen Klickmechanismus zum Halten der Schwenkplatte 504 an der dargestellten STM-Beobachtungsposition. In dieser Ausgestaltung werden die ersten und zweiten Zahnräder 403a und 403b zum synchronen Schwenken der optischen Faser 202 und der Hilfsobjektivlinse 203 und das dritte Zahn rad 403c zum Schwenken des reflektierenden Spiegels 204 auf dem Trägerausleger 501 schwenkbar gehalten.
In der vorliegenden Erfindung kann ein optisches Mikroskop ausgenommen eines metallurgischen Mikroskops, das in den vorhergehenden Strukturen beispielhaft verwendet wird, als ein Mikroskop zum Beobachten des STM-Abtastbereichs verwendet werden. Zum Beispiel können ein Polarisationsmikroskop, ein Nomarski-Differenzial-Interferenzmikroskop, ein Fluoreszenzmikroskop, ein Infrarotmikroskop, ein Stereomikroskop, eine geometrische Messeinheit, ein mikroskopisches photometrisches System und dergleichen verwendet werden.
In einem Rastertunnelmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Sonde des STM-Systems (Tunnelrastereinheit) und das optische Teil des optischen Mikroskops bezüglich der Beobachtungsoberfläche der Probe umgeschaltet und beide der Abbildungen können beobachtet werden und können einfach miteinander verglichen werden, was daher einen praktischen Vorteil bietet.

Claims

Rastertunnelmikroskop, das aufweist: eine Probenhalteeinrichtung (221, 22xy) zum Halten einer Probe (12); eine Sonde (24); eine Betätigungseinrichtung (22xy, 22z) zum Bewegen der Probe and der Sonde relativ zueinander; und eine optisches Probenbeobachtungssystem (a1) zum Beobachten der Probe, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin aufweist: eine Schalteinrichtung (211) zum Durchführen eines Schattens zwischen dem optischen System (a1) und der Sonde (24) und eine Halteeinrichtung (140) zum derartigen Halten der Sonde, daß entweder das optische System (a1) oder die Sonde (24) der Oberfläche der Probe (12) gegenüberliegend angeordnet ist.
Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (24) von der Schalteinrichtung (211) derart abnehmbar gehalten wird, daß die Achse der Sonde (24) zu einer optischen Achse des optischen Systems (a1) ausgerichtet ist, wenn sich die Sonde (24) in einer Position befindet, die der Oberfläche der Probe (12) gegenüberliegt.
Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (24) über die Halteeinrichtung (140) und die Betätigungseinrichtung (22xy, 22z) derart mit einem anderen optischen Beobachtungssystem (140) verbunden ist, daß ein Beobachten mit der Sonde (24) und ein optisches Beobachten gleichzeitig durchgeführt werden können.
Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (a1) von der Schalteinrichtung (211) derart abnehmbar gehalten wird, daß eine optische Achse des optischen Systems (a1) zu der Achse der Sonde (24) ausgerichtet ist, wenn sich das optische System in einer Position befindet, die der Oberfläche der Probe (12) gegenüberliegt.
Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (a1) die Sonde (24), die Halteeinrichtung (140) und die Betätigungseinrichtung (22xy, 22z) derart beinhaltet, daß ein Beobachten mit der Sonde und ein optisches Beobachten gleichzeitig durchgeführt werden können.
Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (a1) eine Mehrzahl von optischen Objektiveinheiten beinhaltet und derart abnehmbar von der Schalteinrichtung (211) gehalten wird, daß eine optische Achse von jeder optischen Einheit zu der Achse der Sonde (24) ausgerichtet ist, wenn sich das optische System (a1) in einer Position befindet, die der Oberfläche der Probe (12) gegenüberliegt.
Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Einheiten ein Polarisationsmikroskop, ein Normanski-Differential-Interferenzmikroskop, ein Fluoreszenzmikroskop und ein 3D-Mikroskop sind.
Verfahren zum Messen einer Oberfläche einer Probe (12) unter Verwendung eines Rastertunnelmikroskops, eines optischen Probenbeobachtungssystems (a1) und einer Sonde (24), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: optisches Beobachten der Oberfläche der Probe (12) unter Verwendung des optischen Systems (a1); und Messen der Oberfläche der Probe (12) unter Verwendung der Sonde (24), gekennzeichnet durch den folgenden Schritt: derartiges Schalten zwischen dem optischen System (a1) und der Sonde (24), daß entweder das optische System (a1) oder die Sonde (24) der Obefläche der Probe (12) gegenüberliegend angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des optischen Beobachtens ein Verfahren zum Bestimmen eines Beobachtungsbereichs oder -punkts in der Oberfläche der Probe (12) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Sonde (24) während des Meßschritts in einem Sichtfeld des optischen Systems (a1) befindet.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschritt ein Verfahren eines Anordnens des Beobachtungsbereichs oder -punkts und der Sonde (24) und ein Verfahren zum Messen eines Tunnelstroms aufweist, der zwischen dem Beobachtungsbereich oder -punkt und der Sonde (24) fließt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Anordnungsverfahren ein Unterverfahren zum Anordnen der Sonde über dem Beobachtungsbereich oder -punkt beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Anordnungsverfahren ein Unterverfahren zum Einstellen eines Abstands zwischen dem Beobachtungsbereich oder -punkt und der Sonde (24) vor dem Tunnelstrom-Meßverfahren beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterverfahren zum Einstellen des Abstands einen Schritt zum Bewirken beinhaltet, daß die Sonde (24) dem Beobachtungsbereich oder -punkt derart nahe kommt, daß der Tunnelstrom fließen kann.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterverfahren zum Einstellen eines Abstands einen Schritt zu Bewirken, daß die Sonde (24) dem Beobachtungsbereich oder -punkt derart nahe kommt, daß die Sonde (24) und der Beobachtungsbereich oder -punkt zueinander in eine relative Beziehung gebracht werden, und einen Schritt zum Bewirken beinhaltet, daß die Sonde (24) dem Beobachtungsbereich oder -punkt derart nahe kommt, daß der Tunnelstrom einen konstanten Wert erreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum Messen eines Tunnelstroms ein Unterverfahren zum derartigen Abtasten der Probe (12) und der Sonde (24), daß diese relativ zueinander sind, und ein Unterverfahren zum Ausbilden eines Bilds in Übereinstimmung mit dem gemessenen Tunnelstrom beinhaltet.
Verfahren um Messen einer Oberfläche einer Probe (12) unter Verwendung eines Rastertunnelmikroskops, das ein optisches Probenbeobachtungssystem (a1) und eine Sonde (24) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: optisches Beobachten der Oberfläche der Probe (12) durch das optische System (a1), während die Probe (12) und das optische System (a1) relativ bewegt werden, um einen Beobachtungsbereich in der Oberfläche der Probe (12) zu suchen; und Beobachten des Zustands des Bereichs, der von dem optischen System (a1) gesucht wird, durch die Sonde (24), während die Probe (12) und die Sonde (24) relativ bewegt werden, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt: derartiges Schalten zwischen dem optischen System (a1) und der Sonde (24), daß entweder das optische System (a1) oder die Sonde (24) der Oberfläche der Probe (12) gegenüberliegend angeordnet ist.