DE4233399C2 - Kraftmikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftmikroskop mit einer an einer federnden Lamelle befindlichen feinen Tastspitze.

Bei Kraftmikroskopen und sogenannten Atomic-Force- Mikroskopen (AFM) ist zur Antastung zwecks Ermittlung der Oberflächenstruktur eines Prüflings ein mit einer feinen Spitze versehener Hebel oder eine Lamelle vorgesehen, wobei diese Spitze über die Oberfläche des Prüflings geführt und in einen so nahen Kontakt mit der Oberfläche gebracht wird, daß durch atomare Kräfte bedingt, der Hebel aus seiner Urpsrungslage ausgelenkt wird. Diese Auslenkungen des Hebels können dann kapazitiv (EP 0 290 648), tunnelmikroskopisch (Physical Review Letters, Vol LVI, No. 9, March 1986, Seiten 930-933) oder interferometrisch (Appl. Phys. Lett. 55 (5), 1989, 31) bestimmt und daraus die Oberflächenbeschaffenheit ermittelt werden. Die fotoelektrische Messung ist auch in der EP 0 394 962 A2 in der Spalte 1 beschrieben.

Es ist weiterhin bekannt, Kraftmikroskope mit Lichtmikroskopen zu kombinieren. Dadurch ist eine visuelle Beobachtung der mit dem Kraftmikroskop quantitativ vermessenen Oberflächenbereiche möglich. Eine solche Kombination ist beispielsweise aus der EP-0 394 962 A2 bekannt. Bei diesem vorbekannten Gerät ist die die Tastspitze tragende Lamelle an einem ringförmigen Lamellenhalter angeordnet, der selbst in ein objektseitiges Innengewinde des Mikroskopobjektivs eingeschraubt ist. Für die optische Messung der Lamellenauslenkung ist innerhalb des Lichtmikroskops ein Meßsystem angeordnet, dessen Strahlengänge zwischen dem Objektiv und der Einspiegelung des konventionellen Auflichtstrahlenganges in den Mikroskopstrahlengang ein- bzw. ausgespiegelt werden.

Durch die Befestigung des Lamellenhalters am Objektiv wird erreicht, daß zwischen Objektiv und Lamelle nur ein sehr geringer Unterschied in der, thermischen Längenausdehnung besteht. Negative Einflüsse einer Temperaturdrift auf die Meßgenauigkeit sind daher sehr gering.

Für eine möglichst empfindliche photoelektrische Messung der Lamellenauslenkung ist die Verwendung sehr kurzbrennweitiger Objektive erforderlich. Bei kurzbrennweitigen Objektiven ist jedoch der Arbeitsabstand, d. h. der Abstand zwischen der Frontlinse des Objektivs und der Lamelle sehr gering und liegt im Bereich von einem bis wenigen Millimetern. Daher kann in der Objektivfassung auch nur ein entsprechend kurzes Innengewinde realisiert sein. Da außerdem der gesamte Lamellenhalter innerhalb des Arbeitsabstandes angeordnet ist, ist ein sehr filigraner und damit nur unter großem Aufwand herstellbarer Lamellenhalter erforderlich. Außderm können bei der Verschraubung leicht Beschädigungen dieses feinen Lamellenhalters auftreten.

In der DE 38 54 620 T2 und der DE 689 16 667 T2 sind weiterhin Kombinationen von Lichtmikroskopen mit Rastertunnelmikroskopen beschrieben, bei denen die Tunnelspitze über einen hülsenförmigen Halter außen an der Fassung des Mikroskoobjektivs wechselbar aufgenommen ist. Für die auswechselbare Aufnahme des hülsenförmigen Halters sind in der DE 38 54 620 T2 Schraubeingriff und Verbolzung genannt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kraftmikroskop mit photoelektrischer Detektion der Lamellenauslenkung und auswechselbarem Lamellenhalter zu schaffen, bei dem Beschädigungen des Lamellenhalters beim Wechsel weitgehend ausgeschlossen sind. Für eine hohe Meßgenauigkeit sollen dabei auch kurzbrennweitige Objektive verwendbar sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Kraftmikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Kraftmikroskop hat ein optisches Meßsystem zur Detektion der Lamellenauslenkung, wobei das Meßsystem ein Objektiv mit einer Fassung aufweist. Der die Lamelle tragende Lamellenhalter ist außen an der Objektivfassung lösbar angeklemmt. Der Lamellenhalter ist dabei als zylinderförmige Hülse ausgebildet, deren Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser der Objektivfassung. Die Hülse weist mehrere in das Innere der Hülse hinein ragende Vorsprünge und ein gefedertes Klemmelement auf, damit die Achse der Hülse koaxial zur optischen Achse des Objektivs fixierbar ist.

Durch die Klemmung an der Außenwand der Objektivfasung ist die Dimensionierung des Lamellenhalters unabhängig vom Arbeitsabstand des Objektivs. Lediglich die Lamelle mit der Tastspitze ist zwischen Objektiv und Probe angeordnet. Für den Lamellenhalter können daher problemlos Materialdicken von einigen Millimetern und für das Objekiv ein konventionelles Mikroskopobjektiv mit 40-facher oder höherer Vergrößerung verwendet sein.

Zum Wechseln des Lamellenhalters wird lediglich die Klemmung gelöst und der Lamellenhalter zum freien Ende des Objektivs geschoben und dort abgenommen.

Der Lamellenhalter ist vorteilhaft als eine mit einem breiten Längsschlitz versehene Hülse ausgebildet. Der Längsschlitz erstreckt sich in axialer Richtung von einer Endfläche zur anderen. An den beiden, den Längsschlitz begrenzenden Enden sind jeweils zwei in das Innere der Hülse hineinragende Vorsprünge vorgesehen, die zusammen mit einem, an der Hülse dem Längsschlitz diametral gegenüberliegenden, gefederten Klemmelement für eine definierte und sichere Auflage an der Fassung sorgen. Als Klemmelement ist ein radial zur Hülse bewegbarer Stift vorgesehen, der durch eine Feder gegen die Fassung gedrückt wird. Auch eine mit einem unter Federeinwirkung stehenden Teil versehene Schraube, die in ein entsprechendes Innengewinde des Lamellenhalters eingeschraubt ist, kann als Klemmelement eingesetzt werden.

Eine Feineinstellung oder -verschiebung der Lamelle kann vorgenommen werden, wenn zwischen der Endfläche des Lamellenhalters und der Lamelle mindestens ein vorzugsweise piezoelektrisches Stellelement vorgesehen ist. Eine Feinverstellung oder -verschiebung der Lamelle und damit der Spitze im Raume läßt sich mit drei piezoelektrischen Stellelementen realisieren, wobei für jede der drei karthesischen Koordinatenachsen ein solches Stellelement vorgesehen ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das optische Meßsystem im Inneren der Objektivfassung angeordnet. Dieses besitzt einen Antaststrahlengang und einen Detektorstrahlengang, wobei diese beiden Strahlengänge polarisationsoptisch voneinander getrennt sind und damit verhindert wird, daß an der Lamelle reflektiertes Licht in die als Lichtduelle dienende Laserdiode gelangt. Die fotoelektrische Anordnung ist als Astigmatismussensor ausgeführt. Daher ist in ihrem Detektorstrahlengang zwischen dem Polarisationsstrahlenteiler und einem Quadrantenfotodetektor ein Astigmatismus erzeugendes optisches Element, z. B. in Form einer Zylinderlinse vorgesehen. Derartige Astigmatismussensoren sind beispielsweise aus der DE-PS 25 01 124 bekannt.

Die Objektivfassung weist vorzugsweise ein in den Objektivrevolver eines Lichtmikroskopes einschraubbares Gewinde auf. Obwohl der aus Objektiv und optisches Meßsystem bestehende Sensorkopf etwas größer als übliche Mikroskopobjektive ist, wird dadurch erreicht, daß der Sensorkopf z. B. am Objektivrevolver der verschiedensten Mikroskope angesetzt und in eine gewünschte Position zur Probe gebracht werden kann. Mit Hilfe der im Gehäuse des Sensorkopfes vorgesehenen fotoelektrischen Anordnung wird nach dem Aufstecken des Lamellenhalters auf die Objektivfassung der Abtaststrahlengang durch Verschieben des Lamellenhalters in Richtung der optischen Achse des Mikroskopes auf die der Spitze abgewandten Fläche der Lamelle fokussiert. Der Fokussiervorgang ist beendet, wenn die vier Detektorelemente des Quadrantenfotodetektors jeweils mit gleicher Intensität bestrahlt werden. Werden die Signale jeweils zweier diagonal gegenüberliegender Detektorelemente aufaddiert und die beiden Summen voneinander subtrahiert, so liegt eine Fokussierung dann vor, wenn die Differenz der Summensignale Null ist. Durch eine Schaltung des Objektivrevolvers kann dann einfach zwischen lichtmikroskopischer Beobachtung und kraftmikroskopischer Messung umgeschaltet werden.

Ein solcher Sensorkopf stellt eine kompakte Einheit dar mit einem konstruktiv einfach aufgebauten Lamellenhalter. Weil der Lamellenhalter mit der Lamelle und der Spitze direkt an der Objektivfassung angebracht ist, tritt eine geringe thermische Drift des Fokus-Fehler-Signals auf, so daß Nachjustierungen des Lamellenhalters weitgehend entfallen können. Da die Meßempfindlichkeit von der Lamellenlänge unabhängig ist, ist es ein weiterer Vorzug des Sensorkopfes, daß auch "lange" Lamellen, bei denen die in der Kraftmikroskopie typischen Kräfte von 10 nN oder kleiner, nur geringe Winkelauslenkungen verursachen, verwendbar sind. Es muß nur deren Rückseite gut das Laserlicht reflektieren. Im Gegensatz dazu hängt die Meßempfindlichkeit von Winkelsensoren von der Lamellenlänge ab. Der Sensorkopf zeichnet sich u. a. auch dadurch aus, daß es ermöglicht wird, unter mirkoskopischer Beobachtung die gewünschte Probenstelle zu finden.

Wird der Probenhalter entfernt, so kann mit der fotoelektrischen Anordnung des Sensorkopfes auch die Probenoberfläche abgerastert werden wie mit einem optischen Taster. Daher ermöglicht dieses Ausführungsbeispiel einen schnellen Wechsel zwischen qualitativer lichtmikroskopischer Beobachtung, quantitativer optischer und quantitativer kraftmikroskopischer Topographiemessung

Bei den beiden letztgenannten Untersuchungsverfahren ist eine Relativverschiebung zwischen der Probe und der Tastspitze bzw. zwischen der Probe und dem Fokus des Sensorkopfes erforderlich. Daher ist die Probe auf einem in drei Raumrichtungen motorisch verschiebbaren Objekttisch positioniert. Da solche Objekttische kommerziell erhältlich sind, braucht jedoch auf deren konstruktive Einzelheiten an dieser Stelle nicht näher eingegangen zu werden.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Lamellenhalter direkt an der Objektivfassung eines konfokalen Rastermikroskops angeordnet. Der konfokale Mikroskopstrahlengang dient dann gleichzeitig zur Messung der Lamellenauslenkung. Es ist daher kein separates photoelektrisches Sensorsystem erforderlich. Auch hier erfolgt der Wechsel zwischen quantitativer konfokalmikroskopischer und kraftmikroskopischer Untersuchung einfach durch eine Schaltung des Objektivrevolvers. Dieses Ausführungsbeispiel hat darüberhinaus den Vorteil, daß die mechanische Justierung der Lamelle bzw. der Lamellenspitze senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops relativ unkritisch ist, da die horizontale Position des Laserstrahls auf der Lamelle durch einen an die Ablenkelemente des Rastermikroskops angelegten Offset einstellbar ist.

Die Rückseite der Lamelle sollte dabei leicht oberhalb oder leicht unterhalb der Fokusebene des Mikroskopobjektivs angeordnet sein. Dadurch ergibt sich sowohl eine größere Detektionsempfindlichkeit als auch ein von der Richtung der Lamellenauslenkung abhängiges Meßsignal.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem ein optisches Meßsystem enthaltenden Sensorkopf;

Fig. 2 eine Ansicht II-II von unten auf den Sensorkopf nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht III-III nach Fig. 2;

Fig. 4 einen Klemmechanismus mit Schraube im Schnitt;

Fig. 5a ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem am Objektiv eines Rastermikroskops angeordneten Lamellenhalter im Schnitt und

Fig. 5b ein Diagramm des Meßsignals als Funktion der Lamellenposition entlang der optischen Achse.

Der in Fig. 1 dargestellte Sensorkopf für Kraftmikroskope hat eine Objektivfassung (1), welche mit dem Objektivrevolver (2) eines Mikroskopes (3) verbunden ist und auf welcher außen ein auswechselbarer Lamellenhalter (4) aufgesteckt ist. An der der zu untersuchenden Probe (5) zugewandten Endfläche (6) des Lamellenhalters (4) ist eine mit einer feinen Spitze (7) versehene, federnde Lamelle (8) befestigt.

Im Innern der Fassung (1) befindet sich eine photoelektrische Anordnung, welche einen Antast- und einen Detektorstrahlengang umfaßt. Im Antaststrahlengang wird das von einer Laserlichtquelle (9), z. B. einer Laserdiode, ausgesandte polarisierte Licht über einen Polarisationsstrahlenteiler (10), durch eine λ/4-Platte (11) hindurch auf einen Reflektor (12) geleitet. Das vom Reflektor (12) reflektierte Licht durchläuft erneut die λ/4-Platte (11), den Polarisationsstrahlenteiler (10) und eine weitere λ/4-Platte (13) und wird durch in Objektiv (14) auf die der Spitze (7) abgewandte Fläche (15) der Lamelle (8) konzentriert. Im Detektorstrahlengang wird das an der Fläche (15) reflektierte Licht über die Abbildungsoptik (14), die λ/4-Platte (13) und den Polarisationsstrahlenteiler (10) auf einen aus vier Detektorelementen bestehenden Quadrantenfotodetektor (16) geführt, wobei zwischen dem Polarisationsstrahlenteiler (10) und dem Quadrantenfotodetektor (16) zur Erzeugung eines Astigmatismus eine Zylinderlinse (17) oder eine andere geeignete Zylinderoptik angeordnet ist. Damit wird erreicht, und das ist auch bereits bei einer Fokussiereinrichtung gemäß der DE-PS 25 01 124 C3 realisiert, daß bei richtiger Fokussierung des Detektorstrahlengangs auf die Fläche (15) der Lamelle (8) auf dem Quadrantenfotodetektor (16) alle vier Detektorelemente mit jeweils gleicher Intensität bestrahlt werden, d. h. der auf dem Quadrantenfotodetektor (16) abgebildete Lichtfleck befindet sich im Mittelpunkt des Detektors (16). Dieser Lichtfleck ist bei richtiger Fokussierung kreisförmig und nimmt eine minimale Fläche ein. Es wird also ein "Kreis kleinster Verwirrung" detektiert.

Bei dem Quadrantenfotodetektor (16) sind jeweils zwei zentralsymmetrisch gegenüberliegend angeordnete Detektorelemente mit je einem Addierglied verbunden, wobei ein Addierglied mit dem positiven Eingang und das andere Addierglied mit dem negativen Eingang eines nachgeschalteten Differenzverstärkers (nicht dargestellt) verbunden sind. Am Ausgang des Differenzverstärkers steht dann ein Fokussierungskontrollsignal an, welches bei richtiger Fokussierung gleich "Null" ist.

Wie aus den Fig. 1, 2 und 3 entnehmbar, ist der Lamellenhalter (4) als eine mit einem breiten Längsschlitz versehen Hülse ausgebildet. Die beiden den Längsschlitz begrenzenden Enden (18) und (19) des Lamellenhalters (4) besitzen jeweils zwei in das Innere der Hülse hineinragende Vorsprünge (20, 21) und (22, 23). Dem Längsschlitz diametral gegenüberliegend, befindet sich am Lamellenhalter (4) ein Klemmechanismus, der aus einer Feder (24) und einem, als Bolzen ausgebildeten Klemmelement (25) besteht, wobei das Klemmelement (25) so mit der Feder (24) in Wirkverbindung steht, daß es durch die kraft der gespannten Feder (24) gegen die Objektivfassung (1) gedrückt wird. Durch das Zusammenwirken der vier Vorsprünge (20, 21, 22, 23) des Lamellenhalters (4) mit dem gefederten Klemmelement (25) erreicht man eine definierte, sichere und verkantungsfreie Lage des auf dem Gehäuse (1) aufgeschobenen Lamellenhalters (4). Als Klemmelement kann auch wie in Fig. 4 dargestellt eine mit einem unter Federwirkung stehenden Teil (26) versehene Schraube (27) Anwendung finden. Durch Drehen der Schraube (27) kann die Schraube in Achsrichtung verschoben werden, wodurch die Klemmkraft einstellbar ist.

Die Justierung der Lamelle (8) am Lamellenhalter (4) erfolgt unter einem Mikroskop. Die Lamelle wird zunächst radial zur optischen Antastachse, also radial zur Hülsenachse positioniert und anschließend fixiert.

Wie weiterhin in Fig. 1 dargestellt, ist es vorteilhaft zwischen der Endfläche (6) des Lamellenhalters (4) und der die Spitze (7) tragenden Lamelle (8) mindestens ein vorzugsweise piezoelektrisches Stellelement (28) vorzusehen. Damit ist eine Feinverstellung der Lamelle (8) und damit der Spitze (7) in Richtung der optischen Antastachse möglich. Durch Anordnung von drei derartigen Stellelementen, die so ausgerichtet sind, daß jeder der drei karthesischen Koordinatenachsen ein Stellelement (28) zugeordnet ist, läßt sich eine feinfühlige Feinverstellung der Lamelle (8) und damit der Spitze (7) im Raum realisieren.

Zur Einstellung der Lamelle (8) in die Fokusebene des Objektivs (14) wird der mit der Lamelle (8) bestückte Lamellenhalter (4) von unten auf das Gehäuse (1) aufgeschoben, wobei das Klemmelement (25) von der Fassung (1) zurückgezogen wird. Der Lamellenhalter (4) wird dabei so lange in Richtung der optischen Achse (29) des Objektivs (14) verschoben, bis die Fokussierung erfolgt ist. Das Klemmelement (25) wird anschließend mit der Fassung (1) in Wirkverbindung gebracht, wodurch der Lamellenhalter (4) auf dem Gehäuse fixiert ist. Die Achse des Lamellenhalters (4) (die Hülsenachse) ist dann koaxial zur optischen Achse (29) des Objektivs (14) ausgerichtet. Durch Bewegung der Probe (5) in Richtung der Spitze (7) wird diese soweit der Probe (5) angenähert, daß durch atomare Kräfte bedingt, die Lamelle (8) aus ihrer Ursprungslage in Richtung der optischen Achse (29) ausgelenkt wird, wodurch am Quadrantenfotodetektor (16) ein elektrisches Signal erzeugt wird, welches ein Maß für diese Auslenkung darstellt und zur Ermittlung der Topographie der Probe (5) in an sich bekannter Weise weiter verarbeitet wird. Durch Verschiebung der Probe (5) in der zur optischen Achse (29) senkrechten Ebene (x-y-Ebene) oder durch eine analoge Verschiebung des Sensorkopfes (bei feststehender Probe) kann somit ein Flächenelement der Probe (5) abgetastet werden. Zur Reduzierung der Abnutzung der Tastspitze (7) ist es vorteilhaft jeweils vor der Probenverschiebung senkrecht zur optischen Achse (29) die Tastspitze (7) von der Probe zu entfernen und anschließend wieder der Probe anzunähern.

Der gesamte Sensorkopf ist so kompakt aufgebaut, daß sich, wenn dieser im Objektivrevolver (2) eines normalen Lichtmikroskopes (3) angeordnet ist, das Ende der Spitze (7) nahe der Einstellebene des Mikroskopes befindet, so daß schnell durch Schaltung des Objektivrevolvers (2) vom Atomic-Force-Mikroskop-Betrieb auf normale mikroskopische Beobachtung der zu untersuchenden Probenstelle umgeschaltet werden kann und umgekehrt.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5a ist der Lamellenhalter (4) am Objektiv (31) eines konfokalen Laserscanmikroskops angeordnet. Da der Lamellenhalter (4) mit der daran angeordneten Lamelle und Tastspitze bereits anhand der Fig. 2 und 3 näher beschrieben wurde, wird auf ihn an dieser Stelle nicht näher eingegangen.

Das konfokale Rastermikroskop (30) hat einen Laser (32), dessen hinter einer Strahlaufweitung (33) kollimierter Laserstrahl über zwei Strahlumlenkelemente (34, 35) zum Mikroskopobjektiv (31) geführt ist. Eine vor dem ersten Umlenkelement (34) angeordnete Linse (37) bildet zusammen mit der Tubuslinse (36) ein Relaislinsensystem, durch das die Ablenkelemente (34, 35) annähernd in die Hauptebene des Objektivs (31) abgebildet sind. Das Objektiv (31) fokussiert den Laserstrahl in Richtung auf die am Lamellenhalter (4) angeordnete Lamelle (8). Das an der objektivseitigen Fläche der Lamelle (8) reflektierte Licht wird vom Objektiv (31) wieder aufgesammelt und durchläuft den gesamten Strahlengang über die Ablenkelemente (34, 35) und die Linse (37) in entgegengesetzter Richtung. Die Trennung zwischen Beleuchtung- und Detektionstrahlengang erfolgt durch einen Strahlteiler (38). Ein hinter dem Strahlteiler (38) angeordnetes Objektiv (39) fokussiert das an der Lamelle (8) reflektierte Licht auf eine Lochblende (40), deren Öffnung mit dem Brennpunkt des Objektivs (39) zusammenfällt. Ein Fotomultiplier (41) detektiert das durch die Lochblende (40) transmittierte Licht. Das Ausgangssignal des Fotomultipliers (41) ist einer hier nicht dargestellten Signalverarbeitung zugeführt.

In der Fig. 5b ist die durch die Lochblende (40) transmittierte Lichtintensität (I) als Funktion der objektivseitigen Fläche der Lamelle (8) entlang der optischen Achse (42) aufgetragen. Diese transmittierte Lichtintensität hat ein Maximum (I₀), wenn die objektivseitige Fläche der Lamelle (8) in der Brennebene (z₀) des Objektivs (31) angeordnet ist. Bei einer Verschiebung der Lamelle in Richtung der optischen Achse (42) fällt die transmittierte Lichtintensität ab. Dadurch ergibt sich ein glockenkurvenförmiger Intensitätsverlauf, der an den Stellen (z₀ - Δz) und (z₀ + Δz) jeweils einen Wendepunkt aufweist. Die Lamelle (8) ist nun so zwischen dem Objektiv (31) und dem Objekt (43) angeordnet, daß die objektivseitige Lamellenfläche sich in der Ruhelage in einem dieser beiden Wendepunkte befindet. Bei einer Krafteinwirkung auf die Lamelle (8) und einer daraus resultierenden Lamellenauslenkung nimmt die durch die Lochblende (40) transmittierte Lichtintensität je nach Richtung der Auslenkung zu oder ab. Die Änderung der transmittierten Lichtintensität ist bei einer Auslenkung aus der Ruhelage maximal, so daß die Meßempfindlichkeit hier besonders groß ist.

Die horizontale Position des Laserstrahls auf der Lamelle (8) ist bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 5a mit Hilfe der Ablenkelemente (34, 35) einstellbar. Das erste Ablenkelement (34) bewirkt eine Strahlablenkung senkrecht zur Zeichenebene, während das zweite Ablenkelement (35) eine Strahlablenkung in der Zeichenebene bewirkt. Während beim Betrieb als konfokales Rastermikroskop die durch beide Ablenkelemente (34, 35) bewirkte Ablenkung zur Abrasterung des Objektes (43) zeitlich variiert, ist beim Betrieb als Kraftmikroskop deren Ablenkung zeitlich konstant so eingestellt, daß der Schwerpunkt des in Richtung auf die Lamelle (8) konvergierenden Laserstrahls mit der horizontalen Position der Tastspitze zusammenfällt.

Das Objekt (43) ist auf einem in in drei Raumrichtungen fein positionierbaren Objekttisch (44) angeordnet. Dadurch kann das Objekt (43) senkrecht zur optischen Achse (42) abgerastert und anhand des zu jeder x-, y-Koordinate gemessenen z-Wertes ein dreidimensionales Bild der Oberfläche des Objektes (43) erstellt werden.

Auf den in drei Raumrichtungen fein positionierbaren Objekttisch (44) kann prinzipiell verzichtet werden, wenn zwischen dem Lamellenhalter und der Lamelle (8) drei lineare und hysteresefreie Stellelemente angeordnet sind, so daß die Tastspitze selbst senkrecht zur optischen Achse (42) des Objektivs (31) definiert positionierbar ist. In diesem Fall wird die Tastspitze über das ruhende Objekt (43) geführt. Die Umlenkelemente (34, 35) des Rastermikroskops sind dann synchron zur Bewegung der Tastspitze so anzusteuern, daß der konvergente Laserstrahl immer auf dieselbe Stelle der objektivseitigen Lamellenfläche (8) fällt. Alternativ zur synchronen Bewegung des Laserstrahls ist es auch möglich, durch eine Kalibriermessung ohne Objekt die Topographie der Lamellenrückseite zu vermessen und bei nachfolgenden Messungen an Objekten rechnerisch zu berücksichtigen.

Claims (11)

1. Kraftmikroskop mit einer an einer federnden Lamelle (8) angeordneten feinen Spitze (7) zur Antastung einer Probe (5) und einem optischen Meßsystem (9, 16, 17; 32, 40, 41), das zur Detektion einer Auslenkung der Lamelle (8) dient, wobei das optische Meßsystem ein Objektiv (14; 31) mit einer Fassung (1) aufweist, wobei die Lamelle (8) an einem außen an die Objektivfassung (1) lösbar angeklemmten Lamellenhalter (4) angeordnet ist, wobei der Lamellenhalter (4) als zylinderförmige Hülse ausgebildet ist, deren Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser der Objektivfassung (1) und wobei die Hülse mehrere in das Innere der Hülse hinein ragende Vorsprünge (20, 21, 22, 23) und ein gefedertes Klemmelement (24, 25, 26) aufweist, damit die Achse der Hülse koaxial zur optischen Achse (29) des Objektivs fixierbar ist.

2. Kraftmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse einen breiten Längsschlitz (45) aufweist und die in das Innere der Hülse hineinragenden Vorsprünge (20, 21, 22, 23) an den Enden (18, 19) der Hülse, die den Längsschlitz (45) begrenzen, angeordnet sind,

3. Kraftmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Klemmelement (25; 26) der Mitte des Längsschlitzes (45) diametral gegenüberliegend angeordnet ist.

4. Kraftmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine das Klemmelement (25; 26) in das Innere der Hülse drückende Feder (24, 24a) vorgesehen ist.

5. Kraftmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lamellenhalter (4) ein Innengewinde aufweist und daß das Klemmelement (26) und die Feder (24a) im Inneren einer in das Innengewinde eingeschraubten Schraube (27) angeordnet sind.

6. Kraftmikroskop nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lamellenhalter (4) und der Lamelle (8) mindestens ein piezoelektrisches Stellelement (28) vorgesehen ist.

7. Kraftmikroskop nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der Objektivfassung (1) zusätzlich das optische Meßsystem (9, 10, 13, 16, 17) angeordnet ist.

8. Kraftmikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Meßsystem eine Lichtquelle (9), einen von der Lichtquelle (9) zum Objektiv (14) führenden Abtaststrahlengang und einen vom Objektiv zu einem Quadrantendetektor (16) führenden Detektionsstrahlengang umfaßt und daß vor dem Quadrantendetektor (16) ein Astigmatismus erzeugendes optisches Element (17) angeordnet ist.

9. Kraftmikroskop nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivfassung (1) ein in den Objektivrevolver (2) eines Lichtmikroskops (3) einschraubbares Gewinde aufweist.

10. Kraftmikroskop nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv ein an einem konfokalen Rastermikroskop (30) angeordnetes Mikroskopobjektiv (31) ist und daß das optische Meßsystem durch die Strahlengänge und das photoelektrische Detektionssystem (32, 39, 40, 41) des konfokalen Rastermikroskops selbst gebildet ist.

11. Kraftmikroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Rückseite der Lamelle (8) in der Grundposition, in der die Lamelle nicht ausgelenkt ist, geringfügig oberhalb oder unterhalb der Fokusebene (20) des Mikroskopobjektivs (31) angeordnet ist.