DE4306603A1

DE4306603A1 - Akustisches Mikroskop

Info

Publication number: DE4306603A1
Application number: DE4306603A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Martin; Manfred Dr Weihnacht; Kurt Dr Franke
Original assignee: Institut fuer Festkoerper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Institut fuer Festkoerper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 1993-03-03
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1994-09-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Meßtechnik. Objekte, bei denen eine Anwendung möglich und zweckmäßig ist, sind Einrichtungen zur Charakterisierung von Festkörperoberflächen, wie akustische Tunnelmikroskope und Atomkraftmikros kope, insbesondere solche, die zur Messung der dielektrischen Eigenschaften von Festkörpern an deren Oberfläche dienen.

Es sind bereits akustische Mikroskope bekannt, die als Tunnelmikroskopanordnung oder Atomkraftmikroskopanordnung ausgeführt sein können. Bei beiden Arten ist eine Spitze aus elektrisch leitfähigem Material über der Oberfläche eines dielektri schen Festkörpers so angeordnet, daß zwischen Spitze und Oberfläche ein Spalt vorhanden ist, wobei die Spitze mit Hilfe von piezoelektrischen Aktuatoren in alle Richtungen bewegt werden kann.

Sofern es sich um eine Tunnelmikroskopanordnung handelt, wird die Spaltbreite über die Amplitude der Ausgangsspannung eines an der Rückseite des Festkörpers angeordneten Regelwandlers konstant gehalten. Die Ausgangsspannung entsteht dabei infolge des Empfangs einer akustischen Welle, deren Quelle die Schwingun gen der Spitze sind, welche durch eine am z-Aktuator anliegende Wechselspannung ausgelöst werden.

Sofern es sich um eine Atomkraftmikroskopanordnung handelt, wird die Spaltbreite über eine optische, kapazitive oder piezoresistive Regelung konstant gehalten.

In die Rückkopplungsschleife für die Regelung der Spaltbreite sind ein Bandfilter, abgestimmt auf die Frequenz der Wechselspannung am z-Aktuator, ein Effektivwertgleichrichter und eine elektronische Regelschaltung eingefügt, die die Aufgabe hat, den Abstand zwischen Spitze und Festkörperoberfläche konstant zu halten. (Takata, "Tunneling Acoustic Microscopy ", Ultrasonics Symposium 1992, Tucson/Arizona, USA, Vortrag B3)

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Mikroskope besteht darin, daß sie keine Messung der dielektrischen Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante, spontane Po larisation) von elektrisch nichtleitenden Festkörpern an deren Oberfläche erlauben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustische Mikroskope der dargestellten Gattung so auszubilden, daß mit ihrer Hilfe auch die dielektrischen Eigenschaften von elektrisch nichtleitenden Festkörpern an deren Oberfläche gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird mit dem in den Patentansprüchen angegebenen akustischen Mikroskop gelöst.

Das erfindungsgemäße Mikroskop ist dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Rückseite des Festkörpers mit einer elektrisch leitenden Schicht bedeckt und auf dieser und/oder am Festkörper eine aus mindestens einem Meßwandler beste hende Anordnung angebracht ist,
b) zwischen Spitze und elektrisch leitender Schicht zwei Wechselspannungsquellen mit zueinander unterschiedlicher Spannung U1; U2 und Frequenz f1; f2 angeschlos sen sind,
c) die Meßwandler-Anordnung Paßbänder für wenigstens eine der Frequenzen f1 oder f2 und für wenigstens eine der Frequenzen Differenzfrequenz / f1-F2 /, Sum menfrequenz f1+f2, Zweifaches von f1 und Zweifaches von f2 besitzt,
d) jeder Meßwandler an wenigstens einen Verstärker oder an eine Spannungsquelle angeschlossen ist.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Anordnung von Meßwandlern aus zwei Meßwandlern, die sich in der Frequenzlage ihrer Paßbänder unterscheiden. Eine der beiden Frequenzen f1 oder f2 liegt dabei im Paßband des jeweils anderen Meßwandlers.

Die Anordnung von Meßwandlern kann auch aus nur einem Meßwandler bestehen. In diesem Fall liegt eine der Frequenzen f1 oder f2 und die Summen- oder Differenz frequenz im Paßband des Meßwandlers.

Sofern die Meßwandler-Anordnung aus zwei Meßwandlern besteht, kann die Ampli tude der Wechselspannung U2 gleich null sein und die Frequenz f1 liegt im Paß band des ersten und das Zweifache von f1 im Paßband des jeweils anderen Meß wandlers.

Wenn alle Meßwandler akustische Volumenwellenresonatoren aus piezoelektri schem Material sind, ist es zweckmäßig, sie an der Rückseite des Festkörpers an zuordnen. Dabei können Regelwandler und Meßwandler quaderförmig und neben einander angeordnet, aber auch zylinder- oder hohlzylinderförmig sein und eine konzentrische Anordnung bilden, deren Mittelpunkt unter dem Mittelpunkt desjenigen Gebiets liegt, das mit der Spitze überstrichen werden kann. Hierbei ist es zweckmäßig, die Wandler mit Hilfe von leitfähigem Kleber so auf die Rückseite des Festkörpers zu kleben, daß eine Elektrode jedes Wandlers elektrischen Kontakt zur elektrisch leitenden Schicht hat. Die elektrisch leitende Schicht kann an Masse lie gen.

Weiterhin ist es zweckmäßig, alle Meßwandler als Wandler für akustische Oberflä chenwellen, entweder als Keilwandler aus piezoelektrischem Material oder als in terdigitale Wandler, wenn der Festkörper aus piezoelektrischem Material besteht, auszubilden.

Zweckmäßig ist es auch, einen der Meßwandler an der Oberfläche des Festkörpers anzuordnen und als Wandler für akustische Oberflächenwellen auszubilden, wobei die Wechselspannungen U1 und U2 null sind und an diesen Wandler eine Wech selspannungsquelle angeschlossen ist. Dabei kann der jeweils andere Meßwandler an der Oberfläche des Festkörpers angeordnet und ein Wandler für akustische Oberflächenwellen sein, oder er ist an der Rückseite des Festkörpers angeordnet und als Wandler für akustische Volumenwellen ausgeführt.

Schließlich kann die Dicke des Festkörpers und/oder die Breite des Spaltes so ge wählt sein, daß die Spannung zwischen der Spitze und der Oberfläche des Festkör pers wesentlich kleiner ist als die Spannung zwischen der Oberfläche des Festkör pers und der elektrisch leitenden Schicht.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zuge hörigen Zeichnung näher erläutert.

Über der Oberfläche 2 eines dielektrischen plattenförmigen Festkörpers 1, dessen Rückseite mit einer elektrisch leitenden Schicht 3 bedeckt ist, ist eine Spitze 4 aus elektrisch leitendem Material so angeordnet, daß sie mit der Oberfläche 2 einen Spalt 41 bildet. Die Spitze 4 kann mit Hilfe eines Aktuators 5 in x-y-Richtung parallel zur Oberfläche bewegt werden.

Mit einem weiteren Aktuator 6 kann die Spitze 4 senkrecht zur Oberfläche 2, also in z-Richtung bewegt werden (z-Aktuator).

Auf der elektrisch leitenden Schicht 3 sind ein Regelwandler 7 und zwei Meßwandler 8 und 9, die quaderförmig ausgebildet sind und aus piezoelektrischem Material be stehen, angeordnet.

Die Ausgangsspannung des Regelwandlers 7 wird in einer Regelschleife 73 über ein Bandfilter 71, einen Effektivwertgleichrichter 72 und eine elektronische Regelschal tung 74 an den Aktuator 6 geführt. Die Regelschaltung 74 hat die Aufgabe, die Breite des Spaltes 41 konstant zu halten. Außerdem ist eine Wechselspannungs quelle 10, die eine Spannung U0 mit der Frequenz f0 liefert, angeschlossen. Da durch wird die Spitze 4 zu Schwingungen angeregt, die über die Atomkräfte der Oberfläche 2 zur Anregung von akustischen Wellen im dielektrischen Festkörper 1 führen. Die Frequenz f0 liegt im Paßband des Regelwandlers 7.

An die Spitze 4 und die elektrisch leitende Schicht 3 ist eine Reihenschaltung von Wechselspannungsquellen 11 bzw. 12 angeschlossen, die die Spannungen U1 bzw. U2 mit den Frequenzen f1 bzw. f2 liefern. Über elektrostatische Kräfte wird die Spitze 4 zu Schwingungen unter anderem mit der Summenfrequenz f1+f2 und der Differenzfrequenz / f1-f2 / angeregt. Sind auf der Oberfläche 2 auch ohne die Wech selspannungsquellen 11 und 12 Ladungen vorhanden, schwingt die Spitze 4 auch auf den Frequenzen f1 und f2.

Die Frequenz f1 liegt im Paßband des Meßwandlers 8, während die Differenzfre quenz im Paßband des Meßwandlers 9 liegt.

Die elektrischen Ausgänge der Meßwandler 8 bzw. 9 sind an Lock-in-Verstärker 81 bzw. 91 angeschlossen, an deren Ausgängen 82 bzw. 92 die Meßsignale anliegen, die Aussagen über die Dielektrizitätskonstante und die spontane Polarisation an der Oberfläche 2 des dielektrischen Festkörpers 1 enthalten.

Claims

1. Akustisches Mikroskop, bei dem über der Oberfläche eines dielektrischen Festkörpers eine Spitze aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet ist, welche mit Hilfe von piezoelektrischen Aktuatoren in alle Richtungen bewegt werden kann, wobei der zwischen Spitze und Festkörperoberfläche vorhandene Spalt im Falle einer Tunnelmikroskop-Anordnung mittels eines an der Rückseite des Festkörpers angeordneten piezoelektrischen Regelwandlers und im Falle eines Atomkraftmikroskops mittels einer optischen, kapazitiven oder piezoresistiven Regelung konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Rückseite des Festkörpers (1) mit einer elektrisch leitenden Schicht (3) bedeckt und auf dieser und/oder am Festkörper eine aus mindestens einem Meßwandler (8; 9) bestehende Anordnung angebracht ist,
b) zwischen Spitze (4) und elektrisch leitender Schicht (3) zwei Wechselspannungsquellen (11; 12) mit zueinander unterschiedlicher Spannung U1; U2 und Frequenz f1; f2 angeschlossen sind,
c) die Meßwandler-Anordnung Paßbänder für wenigstens eine der Frequenzen f1 oder f2 und für wenigstens eine der Frequenzen Differenzfrequenz / f1--f2 / Summenfrequenz f1+f2, Zweifaches von f1 und Zweifaches von f2 besitzt,
d) jeder Meßwandler (8; 9) an wenigstens einen Verstärker (81; 91) oder an eine Spannungsquelle angeschlossen ist.

2. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwandler-Anordnung aus zwei Meßwandlern (8; 9) besteht, die sich in der Frequenzlage ihrer Paßbänder unterscheiden.

3. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwandler-Anordnung aus nur einem Meßwandler besteht.

4. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Frequenzen f1 oder f2 im Paßband eines der beiden Meßwandler (8; 9) und die Differenzfrequenz im Paßband des jeweils anderen Meßwandlers liegt.

5. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl eine der Frequenzen f1 oder f2 als auch die Differenzfrequenz im Paßband des Meßwandlers liegt.

6. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl eine der Frequenzen f1 oder f2 als auch die Summenfrequenz im Paßband des Meßwandlers liegt.

7. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Wechselspannung U2 gleich null ist und die Frequenz f1 im Paßband eines der beiden Meßwandler (8; 9) und das Zweifache der Frequenz f1 im Paßband des jeweils anderen Meßwandlers liegt.

8. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßwandler (8; 9) akustische Volumenwellenresonatoren sind, die aus piezoelektrischem Material bestehen und an der Rückseite des Festkörpers (1) angeordnet sind.

9. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwandler (8; 9) und der Regelwandler (7) quaderförmig sind und nebeneinander an der Rückseite des Festkörpers (1) angeordnet sind.

10. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Wandler des aus dem Regelwandler und den Meßwandlern bestehenden Wandlersystems (7; 8; 9) zylinderförmig und die jeweils anderen Wandler des Wandlersystems hohlzylinderförmig sind, wobei alle Wandler konzentrisch so angeordnet sind, daß der Mittelpunkt des Wandlersystems unter dem Mittelpunkt desjenigen Gebietes der Oberfläche des Festkörpers (1) liegt, das mit der Spitze überstrichen werden kann.

11. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Regelwandler (7) als auch die Meßwandler (8; 9) mit Hilfe eines leitfähigen Klebers auf die Rückseite des Festkörpers (1) geklebt sind, wobei eine Elektrode jedes Wandlers elektrischen Kontakt zur elektrisch leitenden Schicht (3) hat.

12. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht (3) an Masse liegt.

13. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Meßwandler (8; 9) Wandler für akustische Oberflächenwellen sind.

14. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (8; 9) für akustische Oberflächenwellen Keilwandler aus piezoelektri schem Material sind.

15. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (1) aus piezoelektrischem Material besteht und die Wandler für akustische Oberflächenwellen interdigitale Wandler sind.

16. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Meßwandler (8; 9) ein Wandler für akustische Oberflächenwellen ist und dieser an der Oberfläche des Festkörpers angeordnet ist, wobei an diesen Wandler eine Wechselspannungsquelle angeschlossen ist und die Amplituden der Wechselspannungen U1 und U2 gleich null sind.

17. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils zweite Meßwandler ein Wandler für akustische Oberflächenwellen ist, der an der Oberfläche des Festkörpers angeordnet ist.

18. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils zweite Meßwandler ein Wandler für akustische Volumenwellen ist, der an der Rückseite des Festkörpers angeordnet ist.

19. Akustisches Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Festkörpers (1) und/oder die Breite des Spaltes (41) so gewählt sind, daß die Spannung zwischen der Spitze (4) und der Oberfläche des Festkörpers (1) wesentlich kleiner ist als die Spannung zwischen der Oberfläche des Festkörpers (1) und der elektrisch leitenden Schicht (3).