DE3937722C2 - Abtast-Tunnelstrommikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abtast-Tunnelstrommikroskop mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 aufgeführten Merkmalen.

Ein übliches Abtast-Tunnelstrommikroskop dieser Art, wie es beispiels­ weise in der Zeitschrift J. Appl. Phys. 61(2), 16. Jan. 1987, S. R1-R23 und in der Zeitschrift HYOMEN KAGAKU (Wissenschaft der Oberflächen), Band 8, Nr. 1 (1987), S. 2 bis 13 beschrieben ist, ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Es enthält eine Vakuumkammer 1, einen Objektträger 3, auf dem sich ein zu untersuchendes Objekt 4 befindet, eine Sonde 5, die mit ihrem spitzen Ende dem Objekt 4 gegenüberliegt, ein piezoelektrisches Element 6 und ein Abtastsystem 8. Mit der Bezugsziffer 2 ist die in der Kammer 1 befindliche Luft vor der Evakuierung bezeichnet, und die Bezugsziffer 7 stellt den Tunnelstrom dar.

Ein solches Mikroskop arbeitet folgendermaßen: Das Objekt 4 wird auf dem Objektträger 3 positioniert, der gegen Schwin­ gungen isoliert ist. Die Sonde 5, beispielsweise eine Wolfram- Sonde, ist in einem Abstand von etwa 1 nm von der Oberfläche des Objektes 4 angeordnet. Die Luft 2 wird aus der Vakuum­ kammer 1 mit Hilfe eines nicht dargestellten Evakuierungs­ systems in Richtung des Pfeiles A abgesaugt, so daß ein ultra­ hohes Vakuum in der Größenordnung von 1,33 · 10^-6 Pa in der Kam­ mer 1 erreicht werden kann. An die Sonde 5 wird eine negative Spannung angelegt, und das Objekt 4 liegt an Masse, so daß durch den Spalt zwischen der Sonde 5 und der Probe 4 ein Tunnelstrom 7 fließt. Dieser Tunnelstrom wird ge­ messen, und die Sonde 5 wird mit Hilfe des piezoelektrischen Elementes 6 senkrecht zur Oberfläche des Objektes derart bewegt, daß der Tunnelstrom 7 konstant gehalten wird. Die Länge des piezoelektrischen Elements 6 vergrößert sich pro­ portional zur angelegten Spannung (beispielsweise 1 mm pro Volt), und dementsprechend bewegt sich die Sonde 5 in verti­ kaler Richtung um eine zur Spannung proportionale Strecke. Die Größe der Vertikalbewegung der Sonde 5 läßt sich über die an das piezoelektrische Element 6 angelegte Spannung bestim­ men. Gleichzeitig wird die Sonde 5 mit Hilfe des Abtastsystems zur Abtastung der Oberfläche des Objektes 4 parallel zu die­ ser Oberfläche bewegt. Aus den so gemessenen Bewegungsgrößen der Sonde 5 in Richtung senkrecht und parallel zur Ober­ fläche des Objektes 4 läßt sich die Atomstruktur der Ober­ fläche bestimmen.

Weil der Abstand von etwa 1 nm zwischen der Sonde 5 und dem Objekt 4 sehr klein ist, neigt die Sonde 5 bei einem solchen Abtast-Tunnelstrommikroskop dazu, das Objekt 4 zu berühren, so daß die sehr feine Spitze der Sonde 5 beschädigt werden kann. Daher mußte bei solchen Mikroskopen die Sonde bisher bei jeder Beschädigung ersetzt werden. Bei diesem Austausch muß das ultrahohe Vakuum von etwa 10^-6 Pa in der Vakuumkammer 1 belüftet werden, und nach dem Ersetzen der Sonde 5 muß die Kammer 1 wieder erneut auf das erforderliche hohe Vakuum evakuiert werden. Dies ist eine zeitraubende Arbeit.

Aus der DE-OS 23 49 352 ist bereits ein Abtastelektronenstrahlmikroskop mit einer innerhalb einer Vakuumkammer angeordneten Feldemissionskathode aus einem ungefähr 10 bis 30 µm dicken Draht bekannt, der am freien Ende durch ein in der Wand der Vakuumkammer vorgesehenes Fenster in diese eintretendes Laserstrahlbündel erhitzt und laufend vorgeschoben wird, um am Drahtende eine Spitze mit einem Krümmungsradius zwischen ungefähr 0,2 und 2 µm aufrechtzuerhalten.

Aus einer Arbeit von Hansma et al., in der obengenannten Zeitschrift J. Appl. Phys., ist es bekannt, eine Sondenspitze eines Tunnelstrommikroskops dadurch nachzuschärfen, daß man die Spitze um mehr als 100 nm von der Probe entfernt und eine ausreichend hohe Spannung (Größenordnung einige 100 Volt) anlegt, um einen Feldemissionsstrom von einigen Mikroampere zu erzeugen, der die Spitze in der gewünschten Weise nachschärft.

Die beiden als letztes genannten Verfahren eignen sich zwar zum Nacharbeiten einer im wesentlichen intakten Sondenspitze, nicht jedoch zur Reparatur einer Sonde, deren Spitze z. B. durch Aufstoßen auf die Probe abgebrochen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Abtast-Tunnelstrommikroskop der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Vakuumkammer bei Beschädigung der Sonde nicht belüftet zu werden braucht.

Diese Aufgabe wird durch ein Abtast-Tunnelstrommikroskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Mikroskops sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 7.

Bei dem vorliegenden Abtast-Tunnelstrommikroskop braucht die Sonde selbst bei gröberer Beschädigung nicht ersetzt zu werden und das Ultrahochvakuum in der Vakuumkammer braucht nicht aufgehoben zu werden, da die Sonde durch die sich in der Vakuumkammer befindende Bearbeitungsvorrichtung repariert werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

In der beiliegenden Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines üblichen Abtast- Tunnelstrommikroskops, auf die bereits Bezug genommen wurde;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abtast-Tunnelstrommikroskops,

Fig. 3 eine beschädigte Sonde und

Fig. 4 eine mit Hilfe eines Laserstrahls reparierte Sonde.

Es sei nun die Erfindung anhand eines in Fig. 2 veranschau­ lichten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die in den Fig. 2 bis 4 mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeich­ neten Teile oder Funktionen entsprechen auch denen in Fig. 1. Zusätzlich zu den mit 1 bis 8 bezeichneten Teilen des in Fig. 1 dargestellten üblichen Mikroskops enthält das Abtast- Tunnelstrommikroskop nach Fig. 2 einen Laserstrahlgenerator 9 mit einem Ausgangsabschnitt 10, von dem ein Laserstrahl 12 ausgesendet wird, und ein optisches System 11 für den Laser­ strahl 12 zur Erzeugung eines fokussierten Laserstrahls 13. Es kann ein Laserstrahl irgendeiner Wellenlänge benutzt wer­ den, dessen Leistung vorzugsweise von einigen tausend Kilo­ watt bis zu mehreren Megawatt beträgt.

Der Laserstrahlgenerator 9 und das optische System 11 bilden eine Sondenbearbeitungsvorrichtung für die Reparatur der Sonde 5. Beispielsweise hat die Sonde 5 eine Länge von etwa 1 cm und einen Durchmesser an ihrem einen Ende von etwa 0,1 mm und an ihrem Spitzenende von einigen Zehnteln nm bis zu einigen Nanometern.

Es sei nun die Betriebsweise erläutert, wobei folgende Situa­ tion angenommen sei: Die Anordnung von Atomen an der Oberfläche des Objektes 4 solle in gleicher Weise untersucht werden wie bei dem bekannten Mikroskop, dabei berühre die Sonde 5 jedoch die Oberfläche des Objektes 4, so daß ihre Spitze abgebrochen wird, wie dies Fig. 3 veranschaulicht. Bei dem Abtast-Tunnelstrommikroskop gemäß Fig. 2 befinden sich der Ausgangsabschnitt 10 des Laserstrahlgenerators 9 und das optische System 11 innerhalb der Vakuumkammer 1, und der vom Ausgangsabschnitt 11 emittierte Laserstrahl 12 wird zum Laserstrahl 13 komprimiert, der auf das spitze Ende der Sonde 5 in der Kammer fokussiert ist.

Gemäß Fig. 4 repariert der auf das spitze Ende der durch die unterbrochene Linie angedeuteten beschädigten Sonde 5 gerichtete fokussierte Laserstrahl 13 die Sonde in die ausgezogen gezeichnete Sonde 5′. Mit dieser reparierten Sonde 5′ kann die Untersuchung der Atomstruktur der Oberfläche des Objektes 4 wieder aufgenommen werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung sieht man, daß bei dem beschriebenen Abtast-Tunnelstrommikroskop keine Notwendigkeit mehr besteht zum Ersetzen der Sonde nach jeder Beschädigung und damit zum Belüften des Ultrahochvakuums von ca. 10^-6 Pa in der Vakuumkammer vor einem Sondenersatz, so daß man erhebliche Zeit einsparen kann.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Repara­ tur der Sonde mit einem Laserstrahl, jedoch kann man statt­ dessen auch einen Elektronenstrahl oder einen Ionenstrahl be­ nutzen. Alternativ kann die beschädigte Sonde auch mit Hilfe eines Ätzgases wie etwa Cl₂ oder CCl₄ neu geformt werden.

Während weiterhin bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Vorrichtung zum Reparieren der Sonde, beispielsweise der Laserausgangsabschnitt und das optische System sich in der Vakuumkammer befinden, kann diese Vorrichtung auch außer­ halb der Vakuumkammer montiert sein, wobei die Sonde dann beispielsweise durch ein Sichtfenster in der Vakuumkammer repariert werden kann.

Da das beschriebene Abtast-Tunnelstrommikroskop mit einer Bearbeitungsvorrichtung zur Reparatur der Sonde ohne deren Entfernung aus der evakuierten Kammer versehen ist, braucht die Sonde nicht ersetzt zu werden, selbst wenn sie beschädigt ist, und es ist daher nicht notwendig, das Ultrahochvakuum in der Vakuumkammer aufzuheben, um die Sonde zu ersetzen. Das beschriebene Abtast-Tunnelstrommikroskop, läßt sich daher sehr leicht bedienen.

Claims (7)

1. Abtast-Tunnelstrommikroskop mit einer Vakuumkammer (1), innerhalb derer ein Objekt (4) plaziert werden kann, und mit einer innerhalb der Vakuumkammer derart angeordneten Sonde (5), daß die Sondenspitze dem Objekt gegenüberliegt und ein Tunnelstrom durch einen Spalt zwischen der Sondenspitze und dem Objekt fließt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bearbeitungsvorrichtung (9 bis 13) zur Reparatur der Sonde (5) innerhalb der Vakuumkammer (1) vorgesehen ist.

2. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsvorrichtung einen Laserstrahlgenerator (9) zum Emittieren eines Laserstrahls (12) und ein optisches System (11) zur Fokussierung des Laserstrahls auf die Sonde (5) aufweist.

3. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsabschnitt (10) des Laserstrahlgenerators (9) und das optische System (11) innerhalb der Vakuumkammer (1) angeordnet sind.

4. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahlgenerator (9) und das optische System (11) außerhalb der Vakuumkammer (1) angeordnet sind und der Laserstrahl (12) durch ein in einer Wand der Vakuumkammer (1) ausgebildetes Fenster auf die Sonde (5) projiziert wird

5. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsvorrichtung einen Elektronenstrahl zur Reparatur der Sonde benutzt.

6. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsvorrichtung einen Ionenstrahl zur Reparatur der Sonde benutzt.

7. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsvorrichtung ein Ätzgas zur Reparatur der Sonde benutzt.