DE4405292C1

DE4405292C1 - Raster scanning microscope adjusting device

Info

Publication number: DE4405292C1
Application number: DE4405292A
Authority: DE
Inventors: Hans Sachsenhausen
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1994-02-19
Filing date: 1994-02-19
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2014-02-20

Abstract

The adjustment device for a sensor (8) scans the guiding of a screen probe (5) of a microscope. The sensor (8) is connected to a movement device (14, 15, 16) to adjust the sensor (8) in the X, Y and Z directions. The movement device (14, 15, 16) has a joint (14, 15) to adjust the sensor (8) in the X and Y directions. The joint (14, 15) has at least two joint plates (14, 15) which can move in the X and Y directions by means of parallel leaf springs (18a, 18b, 23a). The plates (14, 15) are connected one behind the other. One of the plates (15) is connected to a drive (16) for the sensor (8) in the Z direction.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Justiereinrichtung für einen Sensor zur Abtastung der Auslenkung einer Ra stersonde eines Rastersondenmikroskops, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.The invention relates to an adjusting device for a sensor for sensing the deflection of an Ra stersonde of a scanning probe microscope, as in the The preamble of claim 1 is specified.

Rastersondenmikroskope dienen zur Untersuchung der Mi krostruktur von Feststoffoberflächen bis hin zu deren atomaren Auflösung. Als Rastersondenmikroskope sind Ra stertunnel- und Rasterkraftmikroskope bekannt, wobei bei Rastertunnelmikroskopen der Tunneleffekt zur Auflö sung genutzt wird, während bei Rasterkraftmikroskopen Oberflächenkräfte abgetastet werden. Üblicherweise wird dabei zur Abtastung ein einseitig eingespannter Rastersonden-Hebelarm mit Tastspitze verwendet, der un ter Einwirkung von Oberflächenkräften zwischen Fest stoffoberfläche und Tastspitze ausgelenkt wird. Als Oberflächenkräfte sind z. B. v.d. Waals′sche Kräfte oder elektrostatische oder magnetische Kräfte wirksam, deren Differenzen beim Abtasten der Oberfläche Aufschluß über die gegebene Oberflächenstruktur geben.Scanning probe microscopes are used to examine the Mi Crostructure from solid surfaces to their atomic resolution. As scanning probe microscopes, Ra Stertunnel- and atomic force microscopes known with scanning tunneling microscopes, the tunnel effect to resolve solution is used while in atomic force microscopes Surface forces are scanned. Usually a one-sided clamped for scanning Scanning probe lever arm with probe tip used, the un ter action of surface forces between fest surface and probe tip is deflected. When Surface forces are e.g. B. v.d. Waals forces or electrostatic or magnetic forces effective whose Differences when scanning the surface give the given surface structure.

Zur Abtastung der Auslenkung der Rastersonde sind das Elektronentunneln, die Laserstrahlablenkung, die opti sche Interferometrie oder auch Kapazitätsmessungen be kannt, zu letzterem vgl. europäische Patentschrift 0 407 835. Bei all diesen Meßverfahren wird die Bewe gung der Rastersonden indirekt gemessen. Die hierzu eingesetzten Sensoren ermitteln die Auslenkung ohne die Rastersonden selbst zu berühren, um die durch die wirk samen Oberflächenkräfte verursachte Sondenauslenkung nicht zu verfälschen. Die Sensoren sind deshalb jeweils in einem bestimmten Abstand zu den Rastersonden ange ordnet und entsprechend zu justieren.These are for scanning the deflection of the scanning probe Electron tunneling, laser beam deflection, opti cal interferometry or capacity measurements knows, on the latter cf. European patent specification 0 407 835. With all these measuring methods, the movement measurement of the raster probes measured indirectly. The for this sensors used determine the deflection without the To touch the scanning probes themselves, through the effective seed surface forces caused probe deflection not to falsify. The sensors are therefore each at a certain distance from the scanning probes arranges and adjust accordingly.

Zur Feinjustierung im nm-Bereich ist es bekannt, Piezo elemente zu verwenden. Auch zur Makrojustierung im µm- Bereich werden Piezoelemente eingesetzt, so beispiels weise unter Benutzung eines Probenhalters mit schrau benförmiger Auflagenebene oder einer piezoelektrisch bewegbaren Probenstütze, siehe DE-PS 38 44 659 und 38 44 821.Piezo is known for fine adjustment in the nm range elements to use. Also for macro adjustment in µm Piezo elements are used in this area, for example wise using a specimen holder with screw ben-shaped support level or a piezoelectric movable sample support, see DE-PS 38 44 659 and 38 44 821.

Aus J. Vac. Sci. Technol. B, Bd. 9, 1991, Nr. 2, S. 666-669 sowie Jap. Journal of Appl. Phys., Bd. 28, 1989, Nr. 11, S. 2402-2404 ist es bekannt, die Probe bei der Rastersondenmikroskopie gegenüber der Raster sonde durch eine Bewegungseinrichtung zu bewegen, die für die X-, Y- und Z-Richtung jeweils aus einem ein stückigen, parallele Federn aufweisenden Mechanismus besteht, bei dem ein sich in der jeweiligen Richtung bewegender Tisch durch zwei parallele Federn abgestützt ist.From J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 9, 1991, No. 2, Pp. 666-669 and Jap. Journal of Appl. Phys., Vol. 28, 1989, No. 11, pp. 2402-2404 it is known to sample in scanning probe microscopy compared to the grid probe by moving a device that for the X, Y and Z directions each from one lumpy mechanism with parallel springs consists of one in the respective direction moving table supported by two parallel springs is.

Auch ist eine Bewegungseinrichtung für eine Rastersonde eines Rastersondenmikroskops bekannt, bei der der Sen sor in X-, Y- und Z-Richtung durch piezoelektrisch an getriebene Schrittmotoren eingestellt wird, siehe Rev. Sci. Instrum., Bd. 64, 1993, Nr. 10, S. 2888-2891.There is also a movement device for a scanning probe known a scanning probe microscope, in which the Sen sensor in the X, Y and Z directions by piezoelectric driven stepper motors is set, see Rev. Sci. Instrum., Vol. 64, 1993, No. 10, pp. 2888-2891.

Aufgabe der Erfindung ist es, für einen Sensor zur Ab tastung der Bewegung einer Rastersonde eine Justierein richtung zu schaffen, die es, ohne Schmiermittel behaf tete Bewegungselemente zu verwenden erlaubt, den Sensor reproduzierbar in seine für die Messung vorgegebene örtliche Lage zur Rastersonde zu führen.The object of the invention is for a sensor from groping the movement of a scanning probe an adjustment to create a direction that can keep it without lubricant tete movement elements allowed to use the sensor reproducible in its given for the measurement local location to lead to the grid probe.

Diese Aufgabe wird bei einer Justiereinrichtung der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmal gelöst. Danach ist für die Makrobe wegung im µm-Bereich der Sensor an einer Bewegungsein richtung angebracht, die für die Einstellung des Sen sors in X- und Y-Richtung ein Gelenk aufweist, das aus zumindest zwei mittels parallel zueinander angeordneten Blattfedern in X- oder Y-Richtung auslenkbaren Gelenk tischen besteht, die hintereinandergeschaltet sind, wo bei sich z. B. der Gelenktisch für die Y-Richtung auf dem Gelenktisch für die x-Richtung abstützt, oder umge kehrt, und bei der einer der beiden Gelenktische mit einem Vortrieb für den Sensor in Z-Richtung verbunden ist.This task is carried out with an adjustment device type mentioned by the in claim 1 specified feature solved. After that is for the macro rehearsal movement in the µm range of the sensor on a movement direction appropriate for the setting of Sen sors in the X and Y directions has a joint that consists of at least two arranged parallel to each other Leaf springs can be deflected in the X or Y direction there are tables that are connected in series where at z. B. the articulation table for the Y direction supports the articulation table for the x direction, or vice versa returns, and at one of the two articulated tables a propulsion for the sensor in the Z direction is.

Die Gelenktische lassen sich aufgrund ihrer Abstützung auf parallel angeordneten Blattfedern nur in einer Be wegungsrichtung auslenken, wobei sich die Gelenktische bei gleich lang bemessenen Blattfedern an jedem Gelenk tisch, wie in Patentanspruch 2 angegeben, jeweils plan parallel zu einer Basisplatte des ersten der hinter einandergeschalteten Gelenktische verschieben lassen. Ist die Basisplatte am Gehäuse des Rastersonden mikroskops befestigt, ist es zweckmäßig, daß der Ge lenktisch, der dem an der Basisplatte abgestützten Ge lenktisch nachgeschaltet ist, den Vortrieb für die Be wegung des Sensors in Z-Richtung trägt, Patentan spruch 3.The articulated tables can be because of their support on leaf springs arranged in parallel only in one loading Deflect direction of movement, whereby the articulated tables with leaf springs of the same length on each joint table, as specified in claim 2, each plan parallel to a base plate of the first of the rear have interconnected articulated tables moved. Is the base plate on the housing of the grid probes attached microscope, it is appropriate that the Ge steering table, the Ge supported on the base plate steering table is downstream, the propulsion for the loading movement of the sensor in the Z direction, Patentan saying 3.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach Patent ansprüchen 4 und 5 ist es vorgesehen, zur Verschiebung der Gelenktische Keilgetriebe einzusetzen und die Keilgetriebe mittels Schrittmotoren anzutreiben, die für Hochvakuum und tiefe Temperaturen geeignet sind, um den Meßraum, in dem sich das Untersuchungsmaterial und die Rastersonde mit Sensor befinden, von störenden Me dien freizuhalten, insbesondere bei Untersuchungen im Hochvakuum von sich ggf. entwickelnden Gasen.In a further embodiment of the invention according to a patent claims 4 and 5 it is intended to shift to use the articulated table and the To drive the wedge gears by means of stepper motors are suitable for high vacuum and low temperatures the measuring room in which the test material and the scanning probe with sensor are located, from interfering me to keep them free, especially for examinations in the High vacuum of gases that may develop.

Werden Feststoffoberflächen bei tiefen Temperaturen un tersucht, insbesondere Materialien im supraleitenden Zustand, werden die Blattfedern bevorzugt aus Cu-Be-Legierungen ausgebildet, Patentanspruch 6.If solid surfaces become un investigated, especially materials in the superconducting Condition, the leaf springs are preferably made of Cu-Be alloys trained, claim 6.

Zur Feinjustierung des Sensors im nm-Bereich ist der Sensor gemäß Patentanspruch 7 stirnseitig auf einem Piezorohr befestigt, das mit der Bewegungseinrichtung, die zur Verstellung des Sensors im µm-Bereich dient, verspannt ist. Die Verspannung des Piezorohrs wird mit tels eines Vorspanndrahtes erreicht, der eine Stirn platte, die den Sensor trägt, gegen eine an der Bewe gungseinrichtung vorgesehene Halterung für das Piezo rohr verspannt, wobei die Spannkraft einstellbar ist, Patentanspruch 8. Die Spannkraft wird derart gewählt, daß die Feinjustierung des Sensors mittels des Piezo rohrs nicht gestört ist.For fine adjustment of the sensor in the nm range is the Sensor according to claim 7 on one end Piezo tube attached to the movement device, which is used to adjust the sensor in the µm range, is tense. The tension of the piezo tube is with means of a tension wire that reaches a forehead plate that carries the sensor against one on the movement Provided device holder for the piezo tube clamped, the clamping force is adjustable, Claim 8. The clamping force is chosen such that the fine adjustment of the sensor by means of the piezo rohrs is not disturbed.

Diese Befestigung des Sensors durch Verspannen auf einem Piezorohr, das der Feinjustierung dient, ist un abhängig von der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausbildung der Bewegungseinrichtung einsetzbar. Das Verspannen des auf der Stirnplatte angebrachten Sensors ersetzt das bisher bekannte Kleben und vermeidet das damit verbundene Freisetzen von Klebemitteldämpfen im Hochvakuum bzw. das Verspröden der Klebeverbindungen bei tiefen Temperaturen. Auch lassen sich durch diese Ausbildung benötigte Sensoren oder schadhafte Piezo rohre sehr einfach auswechseln.This attachment of the sensor by clamping on a piezo tube that is used for fine adjustment is un depending on the above-described invention Training of the movement device can be used. The Bracing the sensor attached to the face plate replaces the previously known gluing and avoids this associated release of adhesive vapors in the High vacuum or the brittleness of the adhesive bonds at low temperatures. You can also use this Training required sensors or defective piezo replace pipes very easily.

Nachfolgend wird die Erfindung und ihre weitere Ausge staltung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläu tert, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:The invention and its further features are as follows staltung with reference to an embodiment tert, which is shown schematically in the drawing. The drawing shows in detail:

Fig. 1 Längsschnitt durch ein Rastersonden mikroskop für Messungen unter Hochvakuum und bei tiefen Temperaturen; FIG. 1 is a longitudinal section through a scanning probe microscope for measurements under high vacuum and at low temperatures;

Fig. 2 Halterung des Sensors zur Bestimmung der Auslenkung der Rastersonde auf einem Piezorohr nach Fig. 1. Fig. 2 mount the sensor for determining the deflection of the scanning probe to a piezo tube of FIG. 1.

In Fig. 1 ist schematisch ein Rastersondenmikroskop in einem Gehäuse 1 dargestellt, das zur Untersuchung von Feststoffoberflächen unter Hochvakuum und bei tiefen Temperaturen geeignet ist. Hierzu weist das Gehäuse einen Meßraum 2 auf, der evakuierbar und mittels seines Kühlmittels, beispielsweise Flüssiggas, das das Ge häuse 1 umgibt, auf Tieftemperatur gebracht werden kann. Die Anschlüsse für Vakuumpumpen oder Kühlmittel sind in der Zeichnung nicht wiedergegeben.In Fig. 1, a scanning probe microscope is schematically shown in a housing 1 , which is suitable for examining solid surfaces under high vacuum and at low temperatures. For this purpose, the housing has a measuring chamber 2 , which can be evacuated and brought to low temperature by means of its coolant, for example liquid gas, which surrounds the housing 1 . The connections for vacuum pumps or coolants are not shown in the drawing.

Im Ausführungsbeispiel befindet sich im mittleren Be reich des Meßraums 2 ein Probentisch 3 für eine zu un tersuchende Probe 4. Die Probenoberfläche wird mittels einer Rastersonde 5 abgetastet, die durch entsprechende Steuerung eines Verstellelementes 6 bewegbar ist. Die Raster sonde 5 weist einen einseitig eingespannten Raster sonden-Hebelarm 7 auf, der unter Einwirkung von Oberflächenkräften zwischen Probenoberfläche und Tast spitze am Rastersonden-Hebelarm 7 ausgelenkt wird. Die Tastspitze des Rastersenden-Hebelarms 7 ist nur einige µm lang, sie ist in der Zeichnung nicht erkennbar.In the exemplary embodiment there is a sample table 3 for a sample 4 to be examined in the middle of the measuring space 2 . The sample surface is scanned by means of a scanning probe 5 , which can be moved by corresponding control of an adjusting element 6 . The scanning probe 5 comprises a cantilevered grid on probe arm 7, the tip under the influence of surface forces between the sample surface and the tactile scanning probe arm is deflected. 7 The probe tip of the raster transmission lever arm 7 is only a few µm long, it cannot be seen in the drawing.

Die Auslenkung des Rastersonden-Hebelarms 7 während der Rasterbewegung der Probe 4 wird im Ausführungs beispiel mit einem optischen Interferometer gemessen, dessen Sensor 8 zur Führung eines Laserstrahls aus einer Glasfiber besteht. Der Sensor 8 endet in geringem Abstand oberhalb des Rastersonden-Hebelarms 7.The deflection of the scanning probe lever arm 7 during the scanning movement of the sample 4 is measured in the execution example with an optical interferometer, the sensor 8 for guiding a laser beam consists of a glass fiber. The sensor 8 ends at a short distance above the scanning probe lever arm 7 .

Der Sensor 8 wird von einer Spannhülse 9 gehalten, die an einer Stirnplatte 10 befestigt ist, die auf einem Piezorohr 11 aufliegt und mittels eines innerhalb des Piezorohrs verlaufenden Vorspanndrahtes 12 an einer Halterung 13 für das Piezorohr 11 verspannt wird. Die Halterung 13 gehört zur Bewegungseinrichtung, die eine Bewegung des Sensors 8 im µm-Bereich ermöglicht und zur Grobjustierung des vorgegebenen Abstandes des Sensors oberhalb der Rastersonde 5 dient.The sensor 8 is held by a clamping sleeve 9 , which is fastened to an end plate 10 , which rests on a piezo tube 11 and is clamped to a holder 13 for the piezo tube 11 by means of a pre-tensioning wire 12 running inside the piezo tube. The holder 13 is part of the movement device, which enables a movement of the sensor 8 in the μm range and serves for rough adjustment of the predetermined distance of the sensor above the scanning probe 5 .

Die vorgenannte Bewegungseinrichtung besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Gelenk mit zwei Gelenkti schen 14, 15, mit denen sich Bewegungen in der Ebene ausführen lassen. Im Ausführungsbeispiel bewegt sich der Gelenktisch 14 in X-Richtung (siehe Fig. 1, Bewegungspfeile für den Gelenktisch 14) und der Gelenktisch 15 in Y-Richtung. Für eine Bewegung des Sensors 8 in Z-Richtung weist die Bewegungseinrichtung einen am Gelenktisch 15 angebrachten Vortrieb 16 auf.The aforementioned movement device consists in the embodiment of a joint with two articulated rule's 14 , 15 , with which movements can be carried out in the plane. In the exemplary embodiment, the articulated table 14 moves in the X direction (see FIG. 1, movement arrows for the articulated table 14 ) and the articulated table 15 in the Y direction. For movement of the sensor 8 in the Z direction, the movement device has a drive 16 attached to the articulated table 15 .

Der Gelenktisch 14 wird auf einer Basisplatte 17, die ortsfest und im Ausführungsbeispiel waagerecht am Ge häuse 1 befestigt ist, mittels zweier Blattfe dern 18a, 18b abgestützt, die in Fig. 1 im Querschnitt dargestellt sind. Der Gelenktisch 14 weist eine Füh rung 19 mit Gleitelement 20 auf, das in Berührungskon takt mit einem keilförmigen Zapfen 21 eines Keilgetrie bes 22 steht und bei Rotation des Keilgetriebes und Be wegung des Zapfens 21 in Z-Richtung den Gelenktisch 14 gegen die Federkraft der Blattfedern 18a, 18b in X- Richtung verschiebt. Die Blattfedern 18a, 18b sind am Gelenktisch 14 und der Basisplatte 17 befestigt und als Blattfederpaar planparallel ausgerichtet. Beide Blatt federn 18a, 18b weisen in Z-Richtung die gleiche Länge auf, so daß die Verschiebung des Gelenktisches 14 mit tels des Keilgetriebes über den Zapfen 21 planparallel zur Basisplatte 17 erfolgt.The articulated table 14 is supported on a base plate 17 , which is fixed and horizontally in the exemplary embodiment horizontally on the housing 1 , by means of two Blattfe 18 a, 18 b, which are shown in Fig. 1 in cross section. The articulated table 14 has a guide 19 with a sliding element 20 which is in contact with a wedge-shaped pin 21 in a contact contact 22 and upon rotation of the wedge gear and loading movement of the pin 21 in the Z direction the articulated table 14 against the spring force of the leaf springs 18 a, 18 b in the X direction. The leaf springs 18 a, 18 b are attached to the articulated table 14 and the base plate 17 and aligned plane-parallel as a pair of leaf springs. Both leaf springs 18 a, 18 b have the same length in the Z direction, so that the displacement of the articulated table 14 is carried out plane-parallel to the base plate 17 by means of the wedge gear via the pin 21 .

Auf dem Gelenktisch 14 stützt sich der Gelenktisch 15 ebenfalls über zwei Blattfedern 23 ab, von denen in Fi gur 1 nur eine der Blattfedern, die Blattfeder 23a, dargestellt ist. Die Blattfedern 23 sind an den Gelenk tischen 14 und 15 in gleicher Weise wie die Blattfe dern 18a, 18b befestigt, sind aber zu den vorgenannten Blattfedern im rechten Winkel ausgerichtet. In Fig. 1 ist die Blattfeder 23a daher in Aufsicht wiedergegeben. Die Blattfedern 23 weisen zur Verbesserung ihrer ela stischen Beweglichkeit jeweils eine zentrale Ausneh mung 24 auf.On the articulation table 14 , the articulation table 15 is also supported by two leaf springs 23 , of which only one of the leaf springs, the leaf spring 23 a, is shown in FIG. 1 . The leaf springs 23 are attached to the hinge tables 14 and 15 in the same manner as the Blattfe countries 18 a, 18 b, but are aligned with the aforementioned leaf springs at right angles. In Fig. 1, the leaf spring 23 a is therefore shown in supervision. The leaf springs 23 each have a central recess 24 to improve their elastic mobility.

Die Stellung der Blattfedern 23 senkrecht zu den Blatt federn 18a, 18b führt zu einer Verschiebbarkeit des Ge lenktisches 15 in senkrechter Richtung zum Gelenk tisch 14, im Ausführungsbeispiel also in Y-Richtung. Die Blattfedern 23 sind, wie die Blattfedern 18a, 18b, als Blattfederpaar planparallel zwischen Gelenktisch 14 und Gelenktisch 15 ausgerichtet und weisen in Z-Rich tung gleichfalls beide die gleiche Länge auf. Der Gelenktisch 15 bewegt sich somit planparallel zum Gelenktisch 14 und damit auch planparallel zur Basis platte 17.The position of the leaf springs 23 perpendicular to the leaf springs 18 a, 18 b leads to a displaceability of the Ge steering table 15 in the vertical direction to the joint table 14 , so in the embodiment in the Y direction. The leaf springs 23 , like the leaf springs 18 a, 18 b, are aligned as a pair of leaf springs plane-parallel between the articulation table 14 and articulation table 15 and also have the same length in the Z direction. The articulation table 15 thus moves plane-parallel to the articulation table 14 and thus also plane-parallel to the base plate 17th

Zur Verschiebung des Gelenktisches 15 ist analog zum Gelenktisch 14 ein Keilgetriebe 25 vorgesehen. Das Keilgetriebe 25 ist am Gelenktisch 14 befestigt und be wegt sich somit bei einer Verschiebung des Gelenkti sches 14 zugleich mit diesem. Der Gelenktisch 15 weist wie der Gelenktisch 14 eine Führung mit Gleitelement auf, das in Berührungskontakt mit einem keilförmigen Zapfen des Keilgetriebes 25 steht. Rotiert und bewegt sich der Zapfen des Keilgetriebes 25 in Z-Richtung, wird der Gelenktisch 15 in Y-Richtung verschoben. In Fig. 1 ist nur ein Teil des Keilgetriebes 25 sichtbar.To move the articulated table 15 , a wedge gear 25 is provided analogously to the articulated table 14 . The wedge gear 25 is attached to the articulated table 14 and thus moves with a displacement of the articulated joint 14 simultaneously with this. The articulation table 15 , like the articulation table 14, has a guide with a sliding element which is in contact with a wedge-shaped pin of the wedge gear 25 . If the pin of the wedge gear 25 rotates and moves in the Z direction, the articulated table 15 is displaced in the Y direction. In Fig. 1 only part of the wedge gear 25 is visible.

Zum Antrieb der Keilgetriebe 22 und 25 dienen Schritt motoren 26 und 27, die derart ausgebildet sind, daß der Meß raum 2 insbesondere nicht durch Ausgasen von Schmier mitteln verschmutzen kann.To drive the wedge gears 22 and 25 step motors 26 and 27 are used , which are designed such that the measuring space 2 in particular can not contaminate by degassing lubricants.

Zur Bewegung des Sensors 8 in Z-Richtung ist die Bewe gungseinrichtung, wie bereits angegeben, mit dem Vor trieb 16 ausgerüstet. Der Vortrieb 16 ist am Gelenk tisch 15 befestigt und bewegt sich somit bei einer Be wegung des Gelenktisches 15 zusammen mit diesem in Y- Richtung und in X-Richtung, wenn der Gelenktisch 14 verstellt wird. Für den Antrieb des Vortriebs 16 ist wieder ein gekapselter Schrittmotor 28 vorgesehen.To move the sensor 8 in the Z direction, the movement device is, as already stated, equipped with the drive 16 before. The driving table 16 is fixed on the joint 15 and thus moves at a loading movement of the pivot table 15 together with the latter in the Y direction and in the X-direction when the joint table is adjusted fourteenth An encapsulated stepper motor 28 is again provided for driving the propulsion 16 .

Mit dem Vortrieb 16 ist die Halterung 13 für das Piezo rohr 11 verbunden. Die Halterung ist somit in X-, Y- und Z-Richtung verstellbar.With the jacking 16 , the bracket 13 for the piezo tube 11 is connected. The bracket is thus adjustable in the X, Y and Z directions.

Mit der Bewegungseinrichtung (bestehend aus Gelenkti schen 14, 15 und Vortrieb 16) erfolgt das Justieren des Sensors 8 im µm-Bereich, mit dem Piezorohr 11 läßt sich der Sensor im nm-Bereich führen. Eine detaillierte Dar stellung der Befestigung des Sensors am Piezorohr 11 zeigt Fig. 2:With the movement device (consisting of articulated legs 14 , 15 and propulsion 16 ) the sensor 8 is adjusted in the µm range, with the piezo tube 11 the sensor can be guided in the nm range. A detailed representation of the attachment of the sensor to the piezo tube 11 is shown in FIG. 2:

Die mit der Bewegungseinrichtung verbundene Halte rung 13 weist eine Ausnehmung 29 auf, in die sich das Piezorohr 11 mit einer seiner Stirnseiten einsetzen läßt. Das Piezorohr ist mit einer Innenelektrode 30 und vier Außenelektroden 31 versehen, die zur Bewegung des Piezorohres in X-, Y- und Z-Richtung elektrisch gesteu ert werden, vgl. hierzu z. B. DE-PS 36 10 540. Von den vier Außenelektroden 31 sind in Fig. 2 nur die diago nal zueinander angeordneten Außenelektroden 31a und 31b wiedergegeben.The holding device 13 connected to the movement device has a recess 29 into which the piezo tube 11 can be inserted with one of its end faces. The piezo tube is provided with an inner electrode 30 and four outer electrodes 31 , which are electrically controlled in order to move the piezo tube in the X, Y and Z directions, cf. this z. B. DE-PS 36 10 540. Of the four outer electrodes 31 are shown in Fig. 2 only the diagonally arranged to each other outer electrodes 31 a and 31 b.

Auf der Stirnseite des Piezorohres 11, die der in der Ausnehmung 29 eingesetzten Stirnseite entgegengesetzt liegt, sitzt die Stirnplatte 10 auf, mit der die Spann hülse 9 für den Sensor 8 mittels eines Befestigungs elements 32 fest verbunden ist. Der aus einer Glasfiber bestehende Sensor 8 wird in einem Schutzrohr 33 geführt, das an der Halterung 13 eingesetzt ist.On the end face of the piezo tube 11 , which is opposite to the end face used in the recess 29 , the end plate 10 is seated, with which the clamping sleeve 9 for the sensor 8 is fixedly connected by means of a fastening element 32 . The sensor 8 consisting of a glass fiber is guided in a protective tube 33 which is inserted on the holder 13 .

Zur Befestigung der Stirnplatte 10 auf dem Piezorohr 11 dient - wie bereits angegeben - ein Vorspanndraht 12. Der Vorspanndraht weist an seinem einen Ende an der Stirnplatte 10 einen Anker 34 auf und ist mit diesem so in einen an der Stirnplatte 10 verklemmbaren Kugelhal ter 35 eingeführt, daß beim Anziehen des Vorspann drahts 12 die Stirnplatte 10 und das Piezorohr 11 mit der Halterung 13 verspannt werden. An der Halterung 13 ist hierzu eine Spannschraube 36 mit Mutter 37 vorgese hen, von der das andere Ende des Vorspanndrahts 12 mit Anker 38 aufgenommen wird.Used to attach the face plate 10 on the piezo tube 11 - as already mentioned - a biasing wire 12th The bias wire has at one end on the end plate 10 an anchor 34 and is inserted with this in a clampable on the end plate 10 Kugelhal ter 35 that when tightening the bias wire 12, the end plate 10 and the piezo tube 11 with the bracket 13th be tense. For this purpose, a clamping screw 36 with a nut 37 is provided on the holder 13 , from which the other end of the prestressing wire 12 is received with an anchor 38 .

Die Spannkraft des Vorspanndrahts 12 beim Verspannen von Stirnplatte 10, Piezorohr 11 und Halterung 13 wird so bemessen, daß die gewünschte piezoelektrische Bewe gung des Piezorohrs 11 in X-, Y- und Z-Richtung im nm- Bereich nicht gestört ist.The tension of the bias wire 12 when tightening the end plate 10 , piezo tube 11 and bracket 13 is dimensioned so that the desired piezoelectric movement of the piezo tube 11 in the X, Y and Z directions in the nm range is not disturbed.

Im Ausführungsbeispiel wurde zur Ausbildung der Stirn platte 10 Keramik verwendet. Die Spannhülse 9 und das Befestigungselement 32 bestehen aus Titan oder einer Titan legierung. Als Vorspanndraht 12 dient ein Silberdraht, der Kugelhalter 35 ist aus einer Cu-Be-Legierung gefer tigt.In the embodiment, plate 10 ceramic was used to form the end face. The clamping sleeve 9 and the fastening element 32 consist of titanium or a titanium alloy. A silver wire serves as the bias wire 12 , the ball holder 35 is made of a Cu-Be alloy.

Das Rastersondenmikroskop ist im Ausführungsbeispiel mit einer piezoelektrischen Verstellmöglichkeit auch für den Probentisch 3 ausgerüstet. Wie in Fig. 1 dar gestellt, ruht der Probentisch 3 auf einem Piezorohr 39, das in gleicher Weise mit Elektroden ausgerüstet ist wie das Piezorohr 11. Der Probentisch 3 läßt sich somit im nm-Bereich in X-, Y- und Z-Richtung bewegen und führt die Rasterbewegung für die Probe 4 während der Untersuchung ihrer Oberfläche aus. Probentisch 2 und Piezorohr 39 sind mittels eines Vorspanndrahtes 40 gegen eine Tragplatte 41 verspannt, die über einen Vortrieb 42 in Z-Richtung bewegbar ist. Für diese Bewegung im µm-Bereich ist der Vortrieb 42 in gleicher Weise wie der Vortrieb 16 wieder von einem Schrittmotor 43 antreibbar. Die Probe 4 und der Sensor 8 sind somit im nm-Bereich in X-, Y- und Z-Richtung verstellbar, im µm-Bereich ist die Probe 4 im Gegensatz zum Sensor jedoch nur in Z-Richtung beweglich.In the exemplary embodiment, the scanning probe microscope is also equipped with a piezoelectric adjustment facility for the sample table 3 . As shown in FIG. 1, the sample table 3 rests on a piezo tube 39 which is equipped with electrodes in the same way as the piezo tube 11 . The sample table 3 can thus be moved in the nm range in the X, Y and Z directions and carries out the raster movement for the sample 4 during the examination of its surface. Sample stage 2 and piezo tube 39 are braced by means of a prestressing wire 40 against a support plate 41 , which can be moved in the Z direction via a propulsion 42 . For this movement in the μm range, the propulsion 42 can be driven again by a stepper motor 43 in the same way as the propulsion 16 . The sample 4 and the sensor 8 can thus be adjusted in the nm range in the X, Y and Z directions. In contrast to the sensor, the sample 4 can only be moved in the Z direction in the µm range.

Das erfindungsgemäße Rastersondenmikroskop hat sich bei der Untersuchung von Proben sowohl bei Atmosphärendruck als auch im Hochvakuum bewährt. Der Sensor 8 ließ sich stets mit hoher Reproduzierbarkeit justieren. Die exakte Einstellung des Sensors blieb auch bei Unter suchungen im Tieftemperaturbereich erhalten. Die bei solchen Untersuchungen auftretenden starken Tempera turdifferenzen im Meßraum zwischen dem Bereich in der Umgebung von Probe, Rastersonde und Sensor und den äußeren Bereich, in denen die Schrittmotoren 26, 27, 18 und 43 angeordnet sind, hatte keinen Einfluß auf die exakte Justierbarkeit. Von Vorteil ist insbesondere, daß sich der Sensor nach Abkühlung des Meßraums und Erreichen der tiefen Untersuchungstemperatur repro duzierbar nachjustieren läßt.The scanning probe microscope according to the invention has proven itself in the examination of samples both at atmospheric pressure and in a high vacuum. The sensor 8 could always be adjusted with high reproducibility. The exact setting of the sensor was retained even during tests in the low temperature range. The strong temperature differences occurring in such investigations in the measuring space between the area around the sample, scanning probe and sensor and the outer area in which the stepper motors 26 , 27 , 18 and 43 are arranged had no influence on the exact adjustability. It is particularly advantageous that the sensor can be readjusted in a reproducible manner after the measuring space has cooled and the low examination temperature has been reached.

BezugszeichenlisteReference list

Gehäuse 1
Meßraum 2
Probentisch 3
Probe 4
Rastersonde 5
piezoelektr. Verstellelement 6
Rastersonde-Hebelarm 7
Sensor 8
Spannhülse 9
Stirnplatte 10
Piezorohr 11
Vorspanndraht 12
Halterung 13
Gelenktisch 14, 15
Vortrieb 16
Basisplatte 17
Blattfedern 18a, 18b
Führung 19
Gleitelement 20
Zapfen 21
Keilgetriebe 22
Blattfeder 23, 23a
Ausnehmung 24
Keilgetriebe 25
Schrittmotor 26, 27, 28
Ausnehmung 29
Innenelektrode 30
Außenelektrode 31a, 31b
Befestigungselement 32
Schutzrohr 33
Anker 34
Kugelhalter 35
Spannschraube 36
Mutter 37
Anker 38
Piezorohr 39
Vorspanndraht 40
Tragplatte 41
Vortrieb 42
Schrittmotor 43 Housing 1
Measuring room 2
Sample table 3
Sample 4
Raster probe 5
piezoelectric Adjustment element 6
Scanning probe lever arm 7
Sensor 8
Adapter sleeve 9
Face plate 10
Piezo tube 11
Preload wire 12
Bracket 13
Articulated table 14 , 15
Jacking 16
Base plate 17
Leaf springs 18 a, 18 b
Tour 19
Sliding element 20
Pin 21
Wedge gear 22
Leaf spring 23 , 23 a
Recess 24
Wedge gear 25
Stepper motor 26 , 27 , 28
Recess 29
Inner electrode 30
Outer electrode 31 a, 31 b
Fastening element 32
Protection tube 33
Anchor 34
Ball holder 35
Tension screw 36
Mother 37
Anchor 38
Piezo tube 39
Preload wire 40
Support plate 41
Jacking 42
Stepper motor 43

Claims

1. Adjustment device for a sensor ( 8 ) for scanning the deflection of a scanning probe ( 5 ) from a scanning probe microscope, in which the sensor on a movement device ( 14 , 15 , 16 ) for setting the sensor in X-, Y- and Z. -Rich device is attached, characterized in that the movement device ( 14 , 15 , 16 ) for adjusting the sensor ( 8 ) in the X and Y directions has a joint ( 14 , 15 ) which consists of at least two means parallel to each other arranged leaf springs ( 18 a, 18 b, 23 a) in the X and Y direction deflectable articulated tables ( 14 , 15 ), which are connected in series and in which one of the two articulated tables ( 15 ) with a drive ( 16 ) for the Sensor ( 8 ) in the Z direction is connected.

2. Adjusting device according to claim 1, characterized in that the leaf springs ( 18 a, 18 b, 23 a) for supporting an articulation table ( 14 , 15 ) are of equal length.

3. Adjusting device according to claim 1 or 2, characterized in that one of the articulated tables ( 14 ) on the housing ( 1 ) of the scanning probe microscope is attached and that this articulated table ( 14 ) downstream Ge steering table ( 15 ) carries the propulsion ( 16 ).

4. Adjusting device according to one of the preceding claims, characterized in that the articulated tables ( 14 , 15 ) by means of Keilgetrie ben ( 22 , 25 ) are displaceable.

5. Adjusting device according to claim 4, characterized in that stepper motors ( 26 , 27 ) are used for driving the wedge gears ( 22 , 25 ).

6. Adjusting device according to one of the preceding claims, characterized in that the leaf springs ( 18 a, 18 b, 23 ) consist of a Cu-Be alloy.

7. Adjusting device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 8 ) on a piezo tube ( 11 ) is BEFE Stigt, which is braced with the movement device ( 14 , 15 , 16 ).

8. Adjusting device according to claim 7, characterized in that the sensor ( 8 ) on an end face on the piezo tube ( 11 ) can be supported end plate ( 10 ) be fastened by means of a biasing wire ( 12 ), the clamping force of which is adjustable against one Bracket ( 13 ) for the piezo tube ( 11 ) is clamped to the movement device.