DE60003973T2

DE60003973T2 - Rasterabtastmikroskop

Info

Publication number: DE60003973T2
Application number: DE60003973T
Authority: DE
Inventors: Yoshihito Hachioji-shi Narita; Hideho Hachioji-shi Hisada; Tatsuya Hachioji-shi Miyajima; Osamu Hachioji-shi Saito; Shinichiro Hachioji-shi Watanabe; Shinya Hachioji-shi Saito; Koji Hachioji-shi Akutsu; Susumu Hachioji-shi Teruyama; Motoichi Kawasaki-shi Ohtsu
Original assignee: Jasco Corp; Kanagawa Academy of Science and Technology; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Jasco Corp; Kanagawa Academy of Science and Technology; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2020-05-23
Also published as: EP1055901A3; EP1055901A2; US20010017054A1; JP2000329678A; JP4044241B2; EP1055901B1; US6470738B2; DE60003973D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Sondenmikroskop; und insbesondere ein Sondenmikroskop, das fähig ist um äußerst zuverlässige Probeninformation zu erhalten.
Hintergrund der Erfindung
Um beispielsweise Unregelmäßigkeiten auf einer Oberfläche einer Probe exakt zu erfassen, wird ein Rastertunnelmikroskop (STM: Scanning Tunnelling Microscope) verwendet.
Entsprechend dem Messprinzip beim STM wird verursacht, dass sich eine Sonde aus Metall einer elektrisch leitenden Probe auf einen Abstand von ungefähr 1 nm nähert, und eine sehr kleine Spannung wird dazwischen angelegt, wodurch ein Strom fließt. Dieser Strom ist als Tunnelstrom bekannt und ist auf Änderungen des dazwischen liegenden Abstandes empfindlich, sodass dieser höchstens im wesentlichen um eine Stelle geändert wird im Bezug auf eine Veränderung von 0,1 nm.
Wenn die Metallsonde an einen zum dreidimensionalen Antreiben fähigen Präszisionsaktuator angebracht ist und die Messprobenoberfläche gerastert wird um den Tunnelstrom konstant zu halten, wird deshalb der dazwischen liegende Abstand konstant gehalten und die Sonde wird die Unregelmäßigkeiten auf der Probenoberfläche auf atomarer Ebene nachzeichnen.
Nicht leitende Proben, welche mit einem STM nicht geprüft werden können, können durch ein Kraftmikroskop (AFM: Atomic Force Microscope) geprüft werden, das von dem STM abgeleitet ist.
Statt des in dem STM verwendeten Tunnelstromes erfasst das AFM die atomare Kraft (anziehende Kraft oder abstoßende Kraft), die zwischen der Messprobenoberfläche und der Sonde wirkt.
Hier wird eine aus Metall hergestellte, freitragende Sonde 10 wie die in den 1A und 1B gezeigte als Sonde für das AFM verwendet.
1A ist eine Vorderansicht davon, wobei 1B eine Aufsicht davon ist.
Wenn verursacht wird, dass sich die freitragende Sonde 10 der Messprobenoberfläche 12 nähert, während diese sehr schwach auf und ab geschwungen wird (in der Richtung von V_V) in 1A, dann wirkt eine atomare Kraft dazwischen, wodurch die Schwingungsamplitude der Sonde 10 geändert wird.
Folglich bestrahlt Sondenlicht L1 von einem Sonden-Abstrahlabschnitt 14 die Sonde 10 und die Veränderung der Intensität des transmittierten oder reflektierten Sondenlichts L2 von der Sonde 10 wird durch einen Fotodetektor 16 erfasst. Von dieser Veränderung der Intensität wird Information über die Änderung der Schwingungsamplitude der Sonde 10 erhalten.
Wenn der dazwischen liegende Abstand aus der Änderung der Schwingungsamplitude bestimmt wird und der Befestigungsträger der Messprobe angetrieben wird um die Messprobenoberfläche abzutasten, derart, dass die Änderung der Schwingungsamplitude konstant gehalten wird, während die Sondenposition festgehalten ist, wird der Abstand dazwischen konstant gehalten und die Sonde kann genau die Unregelmäßigkeiten auf der Messprobenoberfläche nachzeichnen.
Wenn die aus Metall hergestellte freitragende Sonde 10 in 1A auf und ab (in den Richtungen von V_V) geschwungen wird, können dann andererseits Merkmale der Probe an der Sondenposition und ähnliche nicht genau untersucht werden, während die Unregelmäßigkeiten an der Messprobenoberfläche genau erfasst werden können.
Deshalb wurden in den letzten Jahren zur spektralen Analyse und zum spektralen Messen fähige optische Nahfeldmikroskope entwickelt, die eine räumliche Auflösung besitzen, die kleiner als die Lichtwellenlänge ist, mit einer Erwartung für deren Anwendung.
Die optischen Nahfeldmikroskope schließen zwei Systeme ein, d.h. eine Sammelbetriebsart, bei welcher ein in der Messprobenoberfläche auftretendes optisches Nahfeld an einem nadelähnlichen Sondenspitzenabschnitt gestreut und gesammelt wird, um es zu erfassen, und eine Beleuchtungsbetriebsart, bei welcher die Messprobenoberfläche mit dem Nahfeldlicht beleuchtet wird, das von dem nadelähnlichen Sondenspitzenabschnitt kommt und bei welchem das von der Messprobenoberfläche gestreute oder freigesetzte Licht durch die Sonde oder ein optisches Licht-Sammel-System gesammelt und erfasst wird.
In jedem Fall wird ein optisches Nahfeld in einem Bereich in der Größenordnung von einigen zehn nm der Messprobenoberfläche erzeugt, wodurch der Abstand zwischen der Messprobenoberfläche und der Fasersonde innerhalb eines sehr geringen Abstandes gesteuert werden muss, der nicht größer als die Lichtwellenlänge ist.
Zum Steuern des Abstandes zwischen der Messprobenoberfläche und der Sonde wird im allgemeinen das Verfahren der Scherungskraft-Rückkopplung verwendet.
Wie in den 2A und 2B gezeigt, wird in dem Verfahren der Scherungskraft-Rückkopplung verursacht, dass eine nadelähnliche Sonde 18 sich der Messprobenoberfläche 12 nähert, während die Sonde einachsig (in den Richtungen von V_H) auf der Messprobenoberfläche 12 schwingt. Jeweilige Rastersondenmikroskope sind in US 5,641,896 , EP 0871166 und JP 11044693 offenbart.
2A zeigt eine Vorderansicht davon, während 2B eine Aufsicht davon zeigt.
Wenn der Abstand zwischen der Messprobenoberfläche 12 und der Sonde 18 innerhalb der Reichweite des optischen Nahfeldes fällt, wirkt eine Scherungskraft zwischen diesen, wodurch die Schwingungsamplitude der Sonde 18 geändert wird.
Somit bestrahlt Sondenlicht L1 von dem Sonden-Abstrahlabschnitt 14 die Sondenprobe 18 und die Veränderung der Intensität des von der Sonde 10 transmittierten oder reflektierten Sondenlichtes L2 wird durch den Fotodetektor 16 erfasst. Von dieser Veränderung der Intensität wird Information über die Veränderung der Schwingungsamplitude der Sonde 18 erhalten.
Wenn der Abstand dazwischen bestimmt wird aus der Veränderung der Schwingungsamplitude und der Befestigungsträger der Messprobe angetrieben ist um die Messprobenoberfläche abzutasten, sodass die Veränderung der Schwingungsamplitude der nadelähnlichen Probe 18 konstant gehalten wird, während die Sondenposition festgehalten wird, wird der Abstand dazwischen konstant gehalten und die nadelähnliche Sonde 18 kann genau die Unregelmäßigkeiten der Messprobenoberfläche auf atomarer Ebene nachzeichnen.
Wenn somit die nadelähnliche Sonde 18 verwendet wird zum Ausführen der Beleuchtungsbetriebsart oder der Sammelbetriebsart, können nicht nur Unregelmäßigkeiten der Messprobenoberfläche 12, sondern auch Merkmale der Probe an der Sondenposition und ähnliches untersucht werden.
Eine derartige nadelähnliche Sonde 18 wird jedoch auch einachsig an der Messprobenoberfläche geschwungen und die laterale Verschiebekomponente der atomaren Kraft, welche zwischen der Messprobenoberfläche und der Sonde wirkt, wird erfasst, wobei dessen Empfindlichkeit um eine oder mehrere Stellen gesenkt wird im Vergleich zu dem Fall, wo die vertikale Komponente der atomaren Kraft mit der freitragenden Sonde 10 gemessen wird.
Wenn eine Scherungskraft zum einachsigen Schwingen der Sonde auf der Messprobenoberfläche verwendet wird, kann dann eine Gefahr bestehen für einen Unterschied in dem erhaltenen Bild der Unregelmäßigkeiten der Messprobenoberfläche in Abhängigkeit von der Abtastrichtung der Messprobenoberfläche, auch an der gleichen Messprobenoberfläche.
Deshalb bietet die Zuverlässigkeit der Messergebnisse mit der nadelähnlichen Sonde 18 weiter einen Raum für Verbesserungen, aber Techniken um diesen zu erreichen sind nicht bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Mit Sicht auf den oben erwähnten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sondenmikroskop bereitzustellen, das fähig ist, Probeninformation mit einer höheren Zuverlässigkeit zu erreichen.
Zur Lösung der obigen Aufgabe ist das Sondenmikroskop gemäß der Erfindung ein Sondenmikroskop zum Verursachen, dass sich eine Messprobenoberfläche und ein Spitzenabschnitt einer Sonde an der Probenseite aneinander annähern, wobei eine Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite erfasst wird und Oberflächeninformation der Messprobe von der Wechselwirkung erhalten wird, wobei das Sondenmikroskop Schwingungsmittel und Erfassungsmittel aufweist.
Die Sonde ist hier eine flexible nadelähnliche Sonde.
Das Schwingungsmittel ist fähig, die Sonde zu rotieren, während dessen Spitzenabschnitt an der Probenseite gebogen wird um einen Kreis zu zeichnen mit einer Größe entsprechend einem Erhöhen und Erniedrigen der Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite.
Das Erfassungsmittel erfasst das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des durch den Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite gezeichneten Kreises aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite und ermittelt Information über den Abstand zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite aus dem Erhöhen und Erniedrigen der Größe des Kreises.
Hier umfasst der Kreis nicht nur wahre Kreise sondern auch Ellipsen oder Ähnliches.
Ein Sondenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung ist im unabhängigen Anspruch 1 festgelegt.
Vorzugsweise schwingt das Schwingungsmittel in der vorliegenden Erfindung die Sonde in einer Richtung, in welcher sich die Messprobenoberfläche und der Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite aneinander annähern oder voneinander wegbewegen.
Vorzugsweise umfasst das Schwingungsmittel in der vorliegenden Erfindung ein Antriebsteil, das aus der Gruppe bestehend aus einem piezoelektrischen Element und einem Motor ausgewählt ist, die fähig sind, die Sonde zu rotieren, während deren Spitzenab schnitt an der Probenseite gebogen wird, sodass wenigstens der Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite einen Kreis zeichnet mit einer Größe entsprechend einem Erhöhen und Erniedrigen der Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite.
Vorzugsweise umfasst das Erfassungsmittel an der vorliegenden Erfindung einen Sonden-Abstrahl-Abschnitt, einen Fotodetektor-Abschnitt und einen Signalverarbeitungs-Abschnitt.
Der Sonden-Abstrahl-Abschnitt ist hier fähig, die Sonde mit Sondenlicht zu bestrahlen.
Der Fotodetektor-Abschnitt erfasst von der Sonde reflektiertes oder transmittiertes Sondenlicht.
Der Signalverarbeitungs-Abschnitt ermittelt aus dem reflektierten oder transmittierten Sondenlicht, das der Fotodetektor-Abschnitt erhalten hat, Information über das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des durch den Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite gezeichneten Kreises.
Vorzugsweise ist das Erfassungsmittel in der vorliegenden Erfindung ein aus der Gruppe bestehend aus einem Schwingquarz und einem piezoelektrischen Element ausgewähltes Teil, die fähig sind zum Ermitteln von Information über das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des durch den Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite gezeichneten Kreises.
Vorzugsweise umfasst das Sondenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung ein piezoelektrisches Element der geteilten Art, das beispielsweise in vier oder mehr Teile geteilt ist mit einem Paar von Schwingungselektroden, die als Schwingungsmittel sich gegenüberliegend platziert sind und einem Paar von Erfassungselektroden als Erfassungsmittel, die sich gegenüberliegend platziert sind, welche abwechselnd über im wesentlichen die ge samte Peripherie an der gegenüberliegenden Seite der Sonde von dem Spitzenabschnitt an der Probenseite angeordnet sind; und Steuermittel zum Verursachen, dass das Paar von Schwingungselektroden die Sonde schwingt und gleichzeitig oder alternativ in einer zeitlichen Abfolge, dass das Paar von Erfassungselektroden das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des Kreises erfasst.
Vorzugsweise ist die Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite eine dynamische Wechselwirkung wie eine atomare Kraft.
Vorzugsweise umfasst das Sondenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung ferner Abtastmittel und Visualisierungsmittel.
Das Abtastmittel ist hier fähig zum Abtasten der Messprobenoberfläche, sodass der Abstand zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite dadurch ermittelt wird, dass das Erfassungsmittel konstant gehalten wird.
Das Visualisierungsmittel visualisiert Steuerinformation des Abtastmittels um Information über Unregelmäßigkeiten in der Messprobenoberfläche zu visualisieren.
Das Sondenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung ist somit derartig konfiguriert, dass die Sonde eine flexible, nadelähnliche Sonde wie beispielsweise eine Fasersonde ist; das Schwingungsmittel rotiert die Sonde, während dessen Spitzenabschnitt an der Probenseite gebogen wird um einen Kreis mit einer Größe entsprechend einem Erhöhen und Erniedrigen der Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite zu zeichnen; und das Erfassungsmittel erfasst das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des durch den Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spit zenabschnitt der Sonde an der Probenseite gezeichneten Kreises und ermittelt aus dem Erhöhen und Erniedrigen der Größe des Kreises Information über den Abstand zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite.
Im Ergebnis wird in der vorliegenden Erfindung das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des durch den Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite aufgrund der Wechselwirkung zwischen diesem und der Messprobenoberfläche gezeichneten Kreises erfasst um die Wechselwirkung der Längskomponente zu erfassen, wodurch die Empfindlichkeit der Erfassung erhöht wird im Vergleich zu Fällen, wo typische laterale Verschiebungskomponenten wie Scherungskräfte erfasst werden.
Da die flexible, nadelähnliche Sonde wie beispielsweise eine Fasersonde verwendet wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung das gleichzeitige Untersuchen von Merkmalen der Probe an der Sondenposition und ähnliches, was mit einer typischen, aus Metall hergestellten, freitragenden Sonde sehr schwierig war.
Da das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des durch den Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Sonde und der Messprobenoberfläche gezogenen Kreises erfasst wird und Information über den Abstand zwischen der Messprobenoberfläche und der Sonde von dem Erhöhen und Erniedrigen der Größe des Kreise ermittelt wird, bestehen keine Beschränkungen im Hinblick auf die Anordnung und Anzahl von Erfassungsmitteln und ähnlichem.
Als Konsequenz kann eine Freiheit bezüglich der Anordnung von einzelnen Bestandteilen des Erfassungsmittels erreicht werden, was herkömmlich sehr schwer zu erreichen war und eine Erfassung mit höherer Empfindlichkeit kann ausgeführt werden, wenn die Anzahl der Erfassungsmittel erhöht wird, da die sich ergebene Menge von Abstandsinformation wie die Intensität von reflek tiertem oder transmittiertem Sondenlicht hierdurch gesteigert wird.
Da das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des durch den Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Sonde und der Messprobenoberfläche gezogenen Kreises erfasst wird, kann das Sondenmikroskop gemäß der Erfindung unabhängig von der Abtastrichtung der Messprobenoberfläche isotrope Messungen durchführen, was sehr schwierig war in Fällen, wo typische laterale Verschiebungskomponenten wie eine Scherungskraft erfasst wurde oder wo eine vertikal schwingende freitragende Sonde einfach verwendet wurde.
Wenn in der vorliegenden Erfindung ein Antriebsteil aus der Gruppe, bestehend aus einem piezoelektrischen Element und einem Motor ausgewählt wird, die fähig sind, die Sonde zu rotieren, während deren Spitzenabschnitt an der Probenseite gebogen wird, sodass wenigstens der Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite Kreise zeichnet mit einer Größe entsprechend einem Erhöhen und Erniedrigen der Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite, kann die Sonde in einer einfachen Konfiguration vorteilhaft geschwungen werden.
Wenn die vorliegende Erfindung ein piezoelektrisches Element der geteilten Art, das beispielsweise in vier oder mehrere Teile geteilt ist, umfasst mit einem Paar von sich gegenüberliegenden Schwingungselektroden als das Schwingungsmittel und einem Paar von sich gegenüberliegenden Erfassungselektroden als Erfassungsmittel, die abwechselnd über im wesentlichen die gesamte Peripherie an der gegenüberliegenden Seite der Sonde von dem Spitzenabschnitt an der Probenseite angeordnet sind, und Steuermittel zum Verursachen, dass das Paar von Schwingungselektroden die Sonde schwingt und gleichzeitig oder alternativ in einer Zeitabfolge, dass das Paar von Erfassungselektroden das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des Kreises erfasst, kann dann mehr Raum eingespart werden im Vergleich zu dem Fall, wo das Schwingungsmittel und das Erfassungsmittel unabhängig voneinander bereitgestellt sind. Als Konsequenz kann die Vorrichtung kleiner hergestellt werden.
Da das Abtastmittel die Messprobe so abtastet, dass der Abstand zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite dadurch ermittelt wird, dass das Erfassungsmittel konstant gehalten wird, und das Visualisierungsmittel Steuerinformation des Abtastmittels visualisiert, sodass Information über Unregelmäßigkeiten in der Messprobenoberfläche visualisiert wird, dann kann Information über Unregelmäßigkeiten in der Messprobenoberfläche in der vorliegenden Erfindung genau erfasst werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A und 1B sind Ansichten des Messprinzips bei einem herkömmlichen Kraftmikroskop unter Verwendung einer freitragenden Sonde, die eine Vorderansicht beziehungsweise eine Aufsicht sind;
2A und 2B sind Ansichten des Messprinzips an einem herkömmlichen Sondenmikroskop unter Verwendung einer nadelähnlichen Sonde, die eine Vorderansicht beziehungsweise eine Aufsicht sind;
3 ist eine Ansicht einer schematischen Darstellung eines Kraftmikroskops gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
4 ist eine als Aufsicht dargestellte Ansicht des Messprinzips, wie es für das in 3 gezeigte Mikroskop charakteristisch ist; 5A bis 5C sind als Seitenansichten dargestellte Bilder des Messprinzips, wie es für das in 3 gezeigte Mikroskop charakteristisch ist;
6 ist eine als Aufsicht dargestellte Ansicht des Messprinzips, wie es für das in 3 gezeigte Mikroskop charakteristisch ist;
7 ist eine Ansicht einer Schwingungseinrichtung einer Sonde und einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Kreisgröße, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt sind;
8 eine Ansicht der Schwingungseinrichtung der Sonde und der Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Kreisgröße, die in dem Mikroskop einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt sind;
9 ist eine Ansicht einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Kreisgröße, welche in dem Mikroskop in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist;
10 ist eine Ansicht einer Einstelleinrichtung der Schwingungsfrequenz der Sonde, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
11 ist eine Ansicht eines Problems bei einem herkömmlichen Probenträger;
12 ist eine Ansicht eines Problems bei einem her kömmlichen Probenträger; Fign.
13A und 13B sind Ansichten einer schematischen Konfiguration eines Probenträgers, der in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
14, ist eine Ansicht einer schematischen Konfiguration eines Probenträgers, welcher bei dem Mikroskop in einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
15A und 15B sind Ansichten einer schematischen Anordnung einer Proben-Wechseleinrichtung, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
16 ist eine Ansicht einer schematischen Anordnung einer Proben-Wechseleinrichtung, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
17A und 17B sind Ansichten einer schematischen Anordnung einer Sonden-Wechseleinrichtung, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
18 ist eine Ansicht einer Trägerantriebseinrichtung, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
19A und 19B sind Ansichten einer schematischen Anordnung einer Trägerantriebseinrichtung, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
20 ist eine Ansicht einer Trägerantriebseinrichtung, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
21 ist eine Ansicht einer Trägerantriebseinrichtung, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
22 ist eine Ansicht einer Trägerantriebseinrichtung, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
23 ist eine Ansicht einer schematischen Anordnung eines optischen Nahfeldmikroskops gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
24 ist eine Ansicht einer Sondenoberfläche-Prüfeinrichtung, die in dem Mikroskop in einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
25 ist eine Ansicht einer Faserendfläche-Prüfeinrichtung, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist;
26 ist eine Ansicht einer Positionseinstelleinrichtung, die in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist;
27 ist eine Ansicht eines Lichtreflektions- und Sammelsystems, das gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist; und Fign.
28A und 28B sind Ansichten eines optischen Verschlusses, der in dem Mikroskop gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bevorzugt ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert.
3 zeigt eine schematische Anordnung eines Kraftmikroskops gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Teile, welche solchen des oben erwähnten Standes der Technik entsprechen, werden mit Nummern bezeichnet, bei welchen 100 zu denen der letzteren addiert sind, ohne das überlappende Erläuterungen wiederholt werden.
Das in dieser Zeichnung gezeigte Kraftmikroskop 120 umfasst eine nadelähnliche Sonde 118, Schwingungsmittel 122 und Erfassungsmittel 124.
Als nadelähnliche Sonde 118 kann beispielsweise hier eine flexible Fasersonde verwendet werden.
Ferner umfasst das Schwingungsmittel 122 einen Motor 126 und einen Rotor 128. In dem Schwingungsmittel 122 ist ein Spitzenabschnitt 118b der Sonde 118 an der Seite, welcher dessen probeseitigen Spitzenabschnitt 118 gegenüberliegt an die untere Fläche des Rotors 128 an einer Position angebracht, die von der Rotorachse O des Motors 126 abweicht.
Das Schwingungsmittel 122 rotiert die Sonde 118, während dessen probenseitiger Spitzenabschnitt 118a gebogen wird, um einen Kreis zu zeichnen, wie einen wahren Kreis oder eine Ellipse mit einer Größe entsprechend einem Erhöhen oder Erniedrigen einer atomaren Kraft, die zwischen einer Messprobenoberfläche 112 und der Sonde 118 wirkt.
Ferner schwingt das Schwingungsmittel 122 die Sonde 118 in einer Richtung, in welcher sich die Messprobenoberfläche 112 und die Sonde 118 aneinander annähern oder voneinander wegbewegen, d.h. aufwärts und abwärts in der Zeichnung. Somit wird eine Gewindebohr-Bewegung bewirkt.
Das Erfassungsmittel umfasst beispielsweise einen Sondenabstrahl-Abschnitt 130, einen Fotodetektor-Abschnitt 132 und einen Signalverarbeitungs-Abschnitt 134.
Der Sondenabstrahl-Abschnitt 130 umfasst beispielsweise eine Laserdiode (LD) oder ähnliches und emittiert Sondenlicht L1 nahe des Spitzenabschnittes 118a der Sonde 118.
Der Fotodetektor-Abschnitt 132 erfasst von der Sonde 118 reflektiertes oder transmittiertes Sondenlicht L2.
Der Signalverarbeitungs-Abschnitt 134 ermittelt aus dem von dem Fotodetektor-Abschnitt 132 erfassten reflektierten oder transmittierten Sondenlicht L2 Information über das Erhöhen und Erniedrigen der Größe eines durch den Sondenspitzenabschnitt 118 an der Probenseite gezeichneten Kreises wie dessen Radius r. Aus dem Erhöhen und Erniedrigen des Radius r wird der Abstand zwischen der Messprobenoberfläche 112 und der Sonde 118 bestimmt. Ein Arbeitsplatzrechner 136 wird mit dem so bestimmten Abstand gespeist.
In dieser Ausführungsform wird die Sonde 118 durch das Schwingungsmittel 122 in Richtungen in Schwingung versetzt, in welche sich die Messprobenoberfläche 112 und die Sonde 118 aneinander annähern oder voneinander wegbewegen, d.h. aufwärts und abwärts in der Zeichnung und die Sonde 118 wird rotiert, während dessen probenseitiger Spitzenabschnitt 118 gebogen wird um einen Kreis zu zeichnen, wie einen wahren Kreis oder eine Ellipse mit einer Größe entsprechend einem Erhöhen und Erniedrigen einer atomaren Kraft die zwischen einer Messprobenoberfläche 112 und der Sonde 118 wirkt.
In dieser Ausführungsform verursacht das Schwingungsmittel auch, dass sich die Messprobenoberfläche 112 und die Sonde 118 aneinander annähern, das Erfassungsmittel 124 erfasst das Erhöhen und Erniedrigen des Radius des durch den Sondenspitzenabschnitt 118a aufgrund der zwischen dieser und der Messprobenoberfläche 112 wirkenden atomaren Kraft gezeichneten Kreises, und Information über den Abstand zwischen der Messprobenoberfläche 112 und der Sonde 118 wird von dem Erhöhen und Erniedrigen des Radius ermittelt.
Zum Abtasten der Messprobenoberfläche umfasst diese Ausführungsform einen dreiachsigen XYZ-Träger 138, Trägerbewegungsmittel 140 und den Arbeitsplatzrechner 136 als Trägersteuermittel.
Das Trägerbewegungsmittel 140 kann hier den dreiachsigen Träger 138, auf welchem die Messprobe 112 befestigt ist, in XYZ-Richtungen bewegen.
Mittels des Trägerbewegungsmittels 140 steuert der Arbeitsplatzrechner 136 den Betrieb des dreiachsigen Trägers 138 derart, dass die Information über den Abstand zwischen der Messprobenoberfläche 112 und des probenseitigen Sondenspitzenabschnittes 118 von dem Erfassungsmittel 124 konstant wird.
Während der dreiachsige Träger 138 angetrieben ist um die Messprobenoberfläche 112 abzutasten, wird die Z-Komponente der an das Trägerbewegungsmittel 140 angelegten Spannung, d.h. die vertikale Komponente in der Zeichnung, oder ähnliches durch den Computer 136 visualisiert, wodurch ein Bild von Unregelmäßigkeiten der Messprobenoberfläche 112 ermittelt ist. Es wird auf einem Monitor 142 angezeigt.
In dieser Ausführungsform können verschiedene Arten von Einstellungen durchgeführt werden durch die Verwendung einer Eingabevorrichtung 144 für den Arbeitsplatzrechner 136.
Beispielsweise kann eine Sondenresonanzfrequenz oder ähnliches eingestellt werden. Durch eine Antriebsschaltung 146 steuert der Arbeitsplatzrechner 136 den Betrieb des Schwingungsmittels 122 mit der Sondenresonanzfrequenz von der Eingabeeinrichtung 144.
Das Kraftmikroskop gemäß dieser Ausführungsform ist schematisch wie in dem vorhergehenden konfiguriert. Sein Betrieb wird im Folgenden erläutert.
Wenn der dreiachsige Träger oder ähnliches verursacht, dass die Sonde 118 und die Messprobenoberfläche 112 sich auf eine Entfernung von beispielsweise ungefähr 1 nm aneinander annähern, wirkt eine atomare Kraft (anziehende Kraft oder abstoßende Kraft) zwischen diesen.
Diese atomare Kraft (anziehende Kraft oder abstoßende Kraft) wird durch das Erfassungsmittel erfasst und der dreiachsige Träger tastet die Probenoberfläche so ab, dass die erfasste Kraft konstant ist.
Hierzu ist die Messprobenoberfläche 112 an dem dreiachsigen Träger 138 befestigt, welcher in einer dreidimensionalen Art und Weise angetrieben werden kann und die Messprobenoberfläche 112 wird abgetastet um die atomare Kraft konstant zu halten, wodurch der Abstand zwischen der Messprobenoberfläche 112 und der Sonde 118 gehalten ist um zu erlauben, dass die Sonde 118 die Unregelmäßigkeiten der Messprobenoberfläche 112 auf atoma rer Ebene nachzeichnet.
Wenn das Verändern der vertikalen Komponente der an das Trägerbewegungsmittel 140 angelegten Spannung durch den Computer 136 visualisiert ist, wird dies der Gestalt der Messprobenoberfläche 112 entsprechen.
Zum Steuern des Abstandes zwischen der Messprobenoberfläche 112 und der Sonde 118 wird hier im allgemeinen das Verfahren der Scherungskraftrückkopplung verwendet, bei welcher die Sonde in einer axialen Richtung der Messprobenoberfläche geschwungen wird.
Wenn Scherungskraft verwendet wird, wird jedoch die laterale Verschiebungskomponente der atomaren Kraft, die zwischen der Messprobenoberfläche und der Sonde wirkt, erfasst, wodurch dessen Empfindlichkeit um mehr als eine Stelle oder mehr erniedrigt werden würde im Vergleich zu dem Fall, wo die vertikale Komponente der atomaren Kraft mit einer freitragenden Sonde gemessen wird.
Beispielsweise können die sich ergebenden Bilder der Unregelmäßigkeiten sogar in der gleichen Messprobenoberfläche in Abhängigkeit von der Abtastrichtung der Messprobenoberfläche 112 variieren.
In dieser Ausführungsform ist deshalb die folgende Technik anstelle der Scherungskraft verwendet.
Deren Betrieb wird mit Bezug auf die 4 bis 6 beschrieben.
4 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen Rotationszustand der Sonde 118 zeigt, 5A bis 5C sind Seitenansichten davon und 6A ist eine Aufsicht davon.
In dem in 4 gezeigten Mikroskop 120 gemäß dieser Ausfüh rungsform kann die Sonde 118 rotiert werden, während dessen probenseitiger Spitzenabschnitt 118a gebogen wird, sodass der probenseitige Spitzenabschnitt 118a Kreise mit einem Radius r zeichnet entsprechend zu dem Erhöhen und Erniedrigen der atomaren Kraft, die zwischen der Messprobenoberfläche 112 und den probenseitigen Sondenspitzenabschnitten 118a wirkt.
Bei dem in 5A gezeigten Zustand, bei welchem die Messprobenoberfläche (nicht dargestellt) und die Sonde 118 ausreichend voneinander beabstandet sind, d.h. bei einem solchen Zustand, bei welchem keine atomare Kraft zwischen diesen wirkt, wird verursacht, dass die Messprobenoberfläche und der probenseitige Sondenspitzenabschnitt 118 sich aneinander annähert, während die Sonde 118 auch nach oben und nach unten in der Zeichnung geschwungen wird.
Der Träger wird zum Bewegen nach oben in der Zeichnung angetrieben, sodass die Messprobenoberfläche und die Sonde 118 einander angenähert werden.
Die Messprobe und die Sonde 118 sind voneinander ausreichend hier beabstandet und keine atomare Kraft wirkt zwischen diesen, wodurch der Sondenspitzenabschnitt 118a unter der alleinigen Wirkung einer zentrifugalen Kraft F0 liegt, wodurch diese einen Kreis mit dem Radius r zeichnet.
Sowie sich die Messprobenoberfläche 112 und die Sonde 118 aneinander annähern, wirkt eine atomare Kraft zwischen diesen. Der Radius r des Kreises, welcher durch den probenseitigen Sondenspitzenabschnitt 118 gezeichnet wird, variiert entsprechend zu dem Ansteigen und Abfallen der atomaren Kraft.
Wenn beispielsweise wie in 5B gezeigt eine atomare Kraft (abstoßende Kraft F1) von einem Messpunkt P0 auf den probenseitigen Sondenspitzenabschnitt 118 wirkt, wirken eine Kraftkomponente F2 und eine Kraftkomponente F3 auf den Spitzenabschnitt 118a, sodass der Spitzenabschnitt 118a in der Zeichnung nach außen bewegt wird, wodurch der Rotationskreis seinen Radius um einen Betrag Δr entsprechend zu der atomaren Kraft (abstoßende Kraft F1) erhöht.
Somit wird der Rotationsradius in diesem Fall r + Δr, wobei r der Rotationsradius ist, bei welchem keine atomare Kraft darauf wirkt.
Wenn andererseits wie in 5C gezeigt eine atomare Kraft (anziehende Kraft F4) von dem Messpunkt P0 auf den Sondenspitzenabschnitt 118 in der Zeichnung wirkt, wirkt dann eine Kraftkomponente F5 und eine Kraftkomponente F6 auf den Spitzenabschnitt 118, sodass der Spitzenabschnitt 118 nach innen bewegt wird, wodurch der Rotationskreis seinen Radius um einen Betrag , Δr entsprechend zu der atomaren Kraft (anziehende Kraft F4) vermindert.
Somit wird der Rotationsradius in diesem Fall r – Δr, wobei r der Rotationsradius ist, wenn keine atomare Kraft darauf wirkt.
Somit wird, wie in den 5A bis 5C gezeigt, in dieser Ausführungsform die vertikale Komponente der atomaren Kraft erfasst, d.h. der Änderung der atomaren Kraft in vertikaler Richtung in der Zeichnung, als das Erhöhen und Erniedrigen des Rotationsradius r.
Ein solches Erhöhen und Erniedrigen des Rotationsradius wird beispielsweise durch den Sondenabstrahl-Abschnitt 114 und dem Fotodetektor-Abschnitt 116 erfasst, die um den Messpunkt P0 angeordnet sind, wie in 6 gezeigt. Der Signalverarbeitungs-Abschnitt in einer nachfolgenden Stufe und der Computer 136 bestimmen aus Information über das Erhöhen und das Erniedrigen des Rotationsradius r den Abstand zwischen der Messprobenoberfläche 112 und der Sonde 118.
Da die vertikale Komponente der zwischen der Messprobenoberfläche 112 und der Sonde 118 wirkenden atomaren Kraft als das Erhöhen und Erniedrigen des Rotationsradius r zum Messen des Abstandes zwischen der Messprobenoberfläche 112 und der Sonde 118 erfasst wird, kann die Empfindlichkeit der Erfassung mit dem Kraftmikroskop gemäß dieser Ausführungsform verbessert werden im Vergleich zu dem Fall, wo die laterale Verschiebungskomponente, d.h. eine Scherungskraft verwendet wird.
Da herkömmlicherweise Beschränkungen betreffend die Anzahl und die Anordnung von Erfassungsmitteln vorliegen, wenn die Sonde einachsig zur Messprobenoberfläche geschwungen wird, wird in dem Sondenmikroskop gemäß der Erfindung die vertikale Komponente der zwischen der Messprobenoberfläche 112 und der Sonde 118 wirkenden atomaren Kraft erfasst als das Erhöhen und Erniedrigen des Rotationsradius r, wodurch keine Beschränkungen betreffend die Anzahl und die Anordnung der Erfassungsmittel auftreten.
Deshalb können in dieser Ausführungsform eine wünschenswerte Anzahl von Erfassungsmitteln, insbesondere Erfassungsabschnitte 116 an gegebenen, beispielsweise in 6 gezeigten Positionen um den Messpunkt PO angeordnet werden, wodurch eine Verbesserung bei der Freiheit der Anordnung der Erfassungsabschnitte 116 erreicht werden kann, was herkömmlicherweise sehr schwierig ist, und die Erfassungsempfindlichkeit kann verbessert werden, wenn die Anzahl der Erfassungsabschnitte 116 erhöht wird.
Da die Sonde 118 rotiert wird, während der Spitzenabschnitt 118a gebogen wird, um einen Kreis mit einer Größe. entsprechend dem Erhöhen und Erniedrigen der atomaren Kraft zu zeichnen, die zwischen der Probe und der Sonde wirkt, kann das Mikroskop 120 gemäß dieser Ausführungsform vorteilhaft isotrope Messungen unabhängig von der Abtastrichtung der Messprobenoberfläche 112 ausführen, was in dem Fall bei der Verwendung von Scherungskräften oder ähnlichem sehr schwierig war.
Ohne auf die oben erwähnte Konfiguration beschränkt zu sein, kann das Sondenmikroskop der Erfindung in verschiedener Art und Weise innerhalb des Grundgedankens der Erfindung verändert werden.
Beispielsweise ist es bevorzugt, dass das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform zusätzlich die folgenden verschiedenen Einrichtungen statt der in typischen Messsystemen verwendeten umfasst.
Rückkopplungsdetektor
Beispielsweise wird das transmittierte oder reflektierte Sondenlicht L2 von der Sonde 118 im allgemeinen durch eine PIN-Fotodiode mit oder ohne Linsen oder ähnlichen erfasst. Als solche Linse wird eine sphärische oder eine asphärische Linse verwendet.
Wenn eine Linse verwendet wird, wird jedoch nicht nur laterales Licht, das die Empfindlichkeit des Erfassungsmittels vergrößert, sondern auch vertikales Licht gesammelt.
Als Folge vermindert sich die Amplitude der Sonde oder die Empfindlichkeit bei der Erfassung des Rotationsradius, wodurch an diesem Punkt Raum für Verbesserung bleibt.
Deshalb ist das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform vorzugsweise mit einem beispielhaft in 7 gezeigten Rückkopplungsdetektor 148 versehen.
In dem in dieser Zeichnung gezeigten Rückkopplungsdetektor 148 wird das transmittierte oder reflektierte Sondenlicht L2 von der Sonde 118 durch die Positionssensoren 150a, 150b wie einer Fotodiode von der geteilten Art, die in zwei oder mehrere ge teilt ist, erfasst. Ein Unterschied zwischen den zwei Lichtmengen wird erfasst und das Erhöhen und Erniedrigen des Rotationsradius r der Sonde 118 wird aus diesem Unterschied ermittelt.
Wenn der in dieser Zeichnung gezeigte Rückkopplungsdetektor 148 verwendet wird, kann als Folge das transmittierte oder reflektierte Sondenlicht L2 differentiell erfasst werden, wodurch die Empfindlichkeit in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform stark verbessert werden kann.
Wenn der in dieser Zeichnung gezeigte Rückkopplungsdetektor 148 verwendet wird, kann auch nur das Licht von lateralen Richtungen gesammelt werden, wodurch die Erfassungsempfindlichkeit des Rotationsradius r der Sonde 118 in dieser Ausführungsform verbessert werden kann.
Rückkopplungssignalschaltung
Bei einem typischen Scherungskraft-Verfahren, bei welchem eine Sonde einachsig auf der Messprobenoberfläche geschwungen wird, ist das Signal des Erfassungsmittels zum Erfassen der Bewegung der Sonde üblicherweise bei einer Frequenz eines Signals zum Bewegen der Probe gefangen, sodass das Signal des Erfassungsmittels in ein Gleichspannungssignal gewandelt ist.
Es beansprucht jedoch einige Zeit um das Fangen auszuführen, wodurch Sondenmikroskope gehindert werden, Hochgeschwindigkeitserfassungen auszuführen. Darüber hinaus ist eine Phaseneinstellung zum genauen Ausführen des Fangens notwendig, was Messaufwand erfordert, wodurch an diesem Punkt Raum für Verbesserung gegeben ist.
Es wird deshalb bevorzugt, dass das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform mit einer in 7 gezeigten Rückkopplungssignalschaltung 152 versehen ist.
Die in dieser Zeichnung gezeigte Rückkopplungssignalschaltung 152 wandelt die Amplitudenintensität des durch den Rückkopplungsdetektor 148 erhaltenen Signals in ein Gleichspannungssigna1 um.
Als Rückkopplungssignalschaltung 152 wird beispielsweise eine Schaltung aus der Gruppe bestehend aus einer Absolutwert-Schaltung zum Erhalten eines Effektivwertes, eines RMS/DC-Wandlers oder ähnliches verwendet.
Wenn das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform mit einer wie in dieser Zeichnung gezeigten Rückkopplungssignalschaltung 152 versehen ist, kann das durch den Rückkopplungsdetektor 148 erhaltene Signal in ein Gleichspannungssignal in eine kleinere Größe gewandelt werden im Vergleich zu dem Fall, wo das typische Lock-in ausgeführt wird.
Da es ferner nicht notwendig ist, die Phase und ähnliches für die Messung einzustellen, kann das Messsystem als Ganzes eine höhere Geschwindigkeit erzielen.
Rückkopplungsschaltung
Beispielsweise spricht in Mikroskopen, insbesondere in Kraftmikroskopen deren Rückkopplungsschaltung ungeachtet, ob die atomare Kraft größer oder kleiner ist im Vergleich zu der Änderung der atomaren Kraft, an.
Somit ist es nachteilig, dass die Genauigkeit unnötigerweise hoch wird, wenn die atomare Kraft so gering ist, dass keine Genauigkeit erforderlich ist, während die Genauigkeit nicht ausreicht, wenn die atomare Kraft groß ist, wodurch Raum für Verbesserung gelassen ist.
Bei dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform ist es deshalb auch bevorzugt, eine in 7 gezeigte Rückkopplungsschaltung 154 vorzusehen.
Die in dieser Zeichnung gezeigte Rückkopplungsschaltung 154 spricht auf die Veränderung der atomaren Kraft logarithmisch oder exponentiell an.
Wenn die in dieser Zeichnung gezeigte Rückkopplungsschaltung 154 vorgesehen ist, kann das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform als Folge logarithmisch oder exponentiell auf die Veränderung der atomaren Kraft ansprechen, wodurch eine Rückkopplung ausgeführt ist mit einer Abschwächung, wenn die atomare Kraft kleiner ist und mit einer höheren Stärke, wenn die atomare Kraft größer ist.
Wenn die in dieser Zeichnung gezeigte Rückkopplungsschaltung 154 vorgesehen ist, kann das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform eine geeignete Rückkopplung mit einer geringen Genauigkeit ausführen, wenn die atomare Kraft klein ist, sodass Genauigkeit nicht erforderlich ist und mit einer höheren Genauigkeit, wenn die atomare Kraft so groß ist, dass Genauigkeit erforderlich ist, wodurch die Genauigkeit der Messung wirksam vergrößert wird.
Wenn die in dieser Zeichnung gezeigte Rückkopplungsschaltung 154 verwendet wird, wird die Rückkopplungsstärke höher, wenn die atomare Kraft größer wird, wodurch die Rückkopplung eine größere Geschwindigkeit und eine bessere Stabilität erreicht.
Rückkopplungseinstellanzeigeeinrichtung
Nach dem Einstellen eines Detektors zum Erfassen der Sondenposition oder einer Lichtquelle oder ähnlichem ist das Sondenmikroskop beispielsweise herkömmlich so eingestellt, dass während der Überwachung eines Signals welches zum Steuern des Abstandes zwischen einer Sonde und einer Probe verwendet wird, das überwachte Signal optimiert wird oder es ist eingestellt, während es durch eine visuelle Kontrolle überprüft wird, ob Licht in den Detektor eintritt.
Das zum Steuern des Abstandes zwischen der Sonde und der Probe verwendete Signal umfasst jedoch verschiedene Signalkomponenten mit nicht nur Positionsverhältnissen zwischen dem Detektor zur Erfassung der Sondenposition, der Lichtquelle, und der Sonde, jedoch auch den Abstand zwischen der Sonde und der Probe, und ähnliches.
Als Konsequenz kann die Einstellung nicht intuitiv ausgeführt werden, was die Prozedur des Einstellens erschwert und schwierig macht, wodurch ein starker Bedarf nach Verbesserung vorliegt.
Somit sieht diese Ausführungsform einen solchen Kontrollschirm 142 vor, wie er in 7 gezeigt ist, welcher unterschiedliche Signale von einer Mehrzahl von Fotodetektoren oder das Signal eines geteilten Detektors selbst, den Arbeitsplatzrechner 136, der fähig ist, die oben erwähnte Einstellung auf der Basis der Anzeige auf dem Kontrollschirm 142 durchzuführen, und ähnliches.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das Mikroskop, wie in 7 gezeigt, mit dem Kontrollschirm 142, dem Computer 136 und ähnlichem ausgestattet, wobei Signale von einer Mehrzahl von Fotodetektoren und ähnliches auf dem Kontrollschirm 142 getrennt angezeigt werden, und wobei die oben erwähnte Einstellung durch den Computer 136 ausgeführt wird gemäß dem der Anzeige auf dem Kontrollschirm 142, wodurch die Positionsbeziehung zwischen den Fotodetektoren und dem Sondenlicht L1 direkt mit dem Auge betrachtet werden kann, wodurch die oben erwähnte Einstellung erleichtert wird, was herkömmlich sehr schwierig war.
Schwingungsmittel und Erfassungsmittel
Obwohl die oben erwähnte Konfiguration ein Beispiel betrifft unter Verwendung einer Intensitätsänderung des reflektierten oder transmittierten Sondenlichtes L2 von der Sonde 118 zum Erfassen des Erhöhens oder Erniedrigens des Rotationsradius r ist das Mikroskop der Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann stattdessen ein Teil aus der Gruppe bestehend aus einem Quarzoszillator und einem piezoelektrischen Element (PZT) verwendet werden.
Obwohl die oben erwähnte Konfiguration ein Beispiel unter Verwendung eines Motors als Schwingungsmittel betrifft, ist das Mikroskop der Erfindung auch nicht darauf beschränkt und es kann beispielsweise stattdessen ein piezoelektrisches Element oder ähnliches verwendet werden.
Wie in 8 gezeigt, verwendet das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform vorzugsweise hier als das piezoelektrische Element ein zylindrisches piezoelektrisches Element 160 der geteilten Art, das beispielsweise in vier oder mehr Teile geteilt ist mit einem Paar von sich gegenüberliegend angeordneten Schwingungselektroden 156a, 156b als Schwingungsmittel und einem Paar von sich gegenüberliegenden Erfassungselektroden 158a, 158b als Erfassungsmittel, die abwechselnd über im wesentlichen die gesamte Peripherie an der hinteren Endseite 118b der Sonde angeordnet sind.
In diesem Fall ist es auch bevorzugt, dass der Arbeitsplatzrechner 136 und ähnliches wie das Steuermittel verursachen, dass das Paar von Schwingungselektroden 156a, 156b die Sonde 118 schwingt und gleichzeitig oder abwechselnd in einer Zeitfolge, dass das Paar von Erfassungselektroden 158a, 158b das Erhöhen und Erniedrigen des Rotationsradius r erfasst.
Als Konsequenz kann mehr Raum eingespart werden im Vergleich zu dem Fall, wo das Schwingungsmittel und das Erfassungsmittel unabhängig voneinander bereitgestellt sind, wodurch die Vorrichtung kleiner hergestellt werden kann.
Optisches Rückkopplungssystem
Zum Erfassen des Erhöhens und Erniedrigens des Rotationsradius in dem optischen System des Sondenmikroskops wird Sondenlicht wie Laserlicht aus einem Abstand gesammelt und abgestrahlt und das reflektierte Sondenlicht wird unter einem Abstand durch einen Erfassungsabschnitt aufgefangen, wobei in wenigstens zwei Richtungen um die Sonde 118 Raum benötigt wird. Ferner ist es notwendig, die Positionen sowohl des Sondenlichtes als auch des Erfassungsabschnittes jedes Mal nachzustellen, wenn die Sonde 118 ausgewechselt wird.
Damit das Sondenlicht den Sondenspitzenabschnitt erreichen kann, ist es auch notwendig, dass keine Hindernisse nahe des Sondenspitzenabschnittes auftritt, das Messungen unter bestimmten Bedingungen wie Unterwassermessungen behindern, wodurch Raum für Verbesserungen verbleibt bei Sondenmikroskopen, die verschiedene Arten von Messungen erfordern.
Es ist deshalb auch bevorzugt, dass das Sondenmikroskop gemäß dieser Ausführungsform mit einem wie in 9 gezeigten optischen Rückkopplungssystem 159 ausgestattet ist.
Das in dieser Zeichnung gezeigte optische Rückkopplungssystem 159 umfasst einen Sondenbestrahlabschnitt 114, optische Fasern 162, 164, 166, einen Faserkoppler 168 mit 1:1 Faserverzweigung, einen Fotodetektor-Abschnitt 116 und Linsen 170, 172, wobei die optische Faser 164 durch Interferenz die Anzahl der Schwingungen und Amplitude der Sonde 118 erfasst.
In dem in dieser Zeichnung gezeigten optischen Rückkopplungssystem 159 wird die Periode des Interferenzlichtes L4, das zwischen dem reflektierten Sondenlicht L2 von der Sonde 118 und dem reflektierten Licht L3 an einer Endfläche einer Faser 164, das aus dem Faserkoppler 168 abzweigt, gebildet ist, durch den Fotodetektor-Abschnitt 116 erfasst, wodurch das Erhöhen und Erniedrigen des Rotationsradius r der Sonde 118 erfasst wird.
Wenn das in 9 gezeigte optische Rückkopplungssystem 159 verwendet wird zum Erfassen des Erhöhens und Erniedrigens des Rotationsradius r der Sonde 118, ist es als Folge ausreichend, wenn die Endfläche der optischen Phase 164 sehr nahe zu dem Sondenspitzenabschnitt 118a platziert ist, wodurch eine optische Überwachung aus einer Entfernung unnötig ist.
Wenn das in dieser Zeichnung gezeigte optische Rückkopplungssystem 159 in dem Sondenmikroskop gemäß dieser Ausführungsform verwendet wird, ist die Einstellung eines Ortes an der Endfläche der optischen Faser 164 ausreichend zum Einstellen nach einem Sondenwechsel.
Wenn das in dieser Zeichnung gezeigte optische Rückkopplungssystem 159 verwendet wird, ist es auch ausreichend, wenn die Endfläche der optischen Faser 164 und die Sonde 118 unter einer vorgegebenen Atmosphäre platziert sind, wodurch das Sondenmikroskop gemäß dieser Ausführungsform dessen Messumgebung nicht selektiert.
Automatische Einrichtung zum Einstellen der Sondenschwingungsfrequenz
Zum Einstellen der Resonanzfrequenz der Sonde umfasst eine herkömmlicherweise verwendete Sonde die Schritte des Messens der Resonanzfrequenz durch ein bestimmtes Verfahren und dann das Setzen der Sondenschwingungsfrequenz durch getrennte Mittel.
Es ist jedoch für den Anwender in diesem Fall notwendig, zumindest zwei Arbeitsschritte auszuführen, was Raum für Verbesserung belässt.
Deshalb ist es bevorzugt, dass beim Sondenmikroskop gemäß dieser Ausführungsform eine in 10 gezeigte Sondenschwingungsfrequenz-Einstelleinrichtung 174 vorgesehen ist, um das Setzen zu automatisieren. Die in dieser Zeichnung gezeigte Sondenschwingungsfrequenz-Einstelleinrichtung 174 umfasst einen Generator 176 für weißes Rauschen und einen Sinusgenerator 178.
Signale von diesen Generatoren 176, 178 werden an das Schwingungsmittel 122 wie ein piezoelektrisches Element (PZT) bereitgestellt.
In der in dieser Zeichnung gezeigten Sondenschwingungsfrequenz-Einstelleinrichtung 174 wird das Sondenschwingungssignal auf das weiße Rauschen von dem Generator 176 umgeschaltet um die Resonanzfrequenz einzustellen, oder unterschiedliche Frequenzen von dem Sinusgenerator 178 werden sequentiell zu dem Schwingungssignal addiert um die Resonanzfrequenz zu messen, und dann wird die berechnete Resonanzfrequenz eingestellt.
Wenn somit die in 10 gezeigte Sondenschwingungsfrequenz-Einstelleinrichtung 174 verwendet wird, kann das Sondenmikroskop gemäß dieser Ausführungsform die Resonanzfrequenz in einem einzelnen Betriebsschritt messen und einstellen, wodurch der Betrieb erleichtert wird.
Träger
Da Sondenmikroskope ihre Sondenposition nicht bewegen können, verwenden diese beispielsweise eine Technik, in welcher die Sondenposition fixiert ist ohne die Sonden abzutasten, während ein Träger abgetastet wird um die Messprobenoberfläche abzutasten.
Als ein typischer Probenträger für das Sondenmikroskop ist daher eine wie in 11 gezeigte Anordnung bekannt, bei der beispielsweise ein piezoelektrisches Element (PZT) 180 in einer zylindrischen oder ähnlichen Gestalt, die von der unteren Seite ansteigt und ein Träger 138 für die Messprobe 112 auf dem piezoelektrischen Element 180 platziert ist.
Wenn ein solcher Träger verwendet wird, besitzt jedoch der Kopf als Ganzes größere Abmessungen, wodurch dessen Temperaturstabilität beeinträchtigt ist.
Dieser Probenträger kann eine Ausführung verwenden, bei welcher das piezoelektrische Element 180 wie in 12 gezeigt an der oberen Seite aufgehangen ist.
In diesem Fall wirkt eine Zugspannung auf das piezoelektrische Element 180, sodass die Verbindungsoberflächen zwischen dem piezoelektrischen Element 180 und dessen entsprechenden Trägerelementen 182, 184 oder das piezoelektrische Element 180 selbst brechen können, wodurch Raum für Verbesserungen verbleibt.
Während das Sondenmikroskop gemäß dieser Ausführungsform zumindest den oben erwähnten typischen Träger verwenden kann, wird es auch bevorzugt, dass beispielsweise der in den 13A, 13B und 14 gezeigte Probenträger stattdessen verwendet werden.
Dabei ist 13A eine vertikale Schnittansicht des Trägers, während 13B eine Aufsicht davon ist.
Bei dem in diesen Zeichnungen gezeigten Probenträger 186 sind ein oberes Tragelement 190 und ein unteres Tragelement 192 platziert um ein zylindrisches piezoelektrisches Element 188 dazwischen als Antriebseinrichtung zu halten, und die Sonde 118 wird durch die entsprechenden hohlen Abschnitte des zylindrischen piezoelektrischen Elementes 188 und der Tragelemente 190, 192 eingeführt.
Ein Probentisch 194 wird an dem Tragelement 192 platziert, sodass die Tragelemente 190, 192 immer eine Druckspannung auf das piezoelektrische Element 188 ausüben.
Wenn somit der in diesen Zeichnungen gezeigte Probenträger 186 verwendet wird, kann der hohle Abschnitt des zylindrischen piezoelektrischen Elementes 188 als Antriebseinrichtung effektiv als ein Raum für die Sonde in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführung verwendet werden, wodurch der Kopf selbst sehr kompakt hergestellt sein kann. Als Folge wird die Temperaturstabilität verbessert.
Wenn der in diesen Zeichnungen gezeigte Probenträger 186 in dieser Ausführungsform verwendet wird, wirkt auch immer eine Druckspannung auf das piezoelektrische Element 188, wodurch die Verbindungsoberflächen zwischen dem piezoelektrischen Element 188 und den einzelnen Tragelementen 190, 192 oder dem piezoelektrischen Element 188 selbst vor dem Brechen bewahrt werden können.
Da die einzelnen Bestandteile in dieser Ausführungsform ferner ähnliche konzentrisch angeordnete Strukturen besitzen, ist ein multiaxialer Betrieb mit einer langen Bewegungsstrecke möglich.
Während als piezoelektrisches Element 188 jedes piezoelektrische Element verwendet werden kann ist es auch möglich, ein beispielsweise aus der Gruppe, bestehend aus einem fünfgeteilten ringförmigen piezoelektrischen Element, das zum Antreiben in vertikalen Richtungen und zum biaxialen Antreiben in Richtungen in der horizontaler Ebene angepasst ist, ein zylindrisches piezoelektrisches Element eines Plättchentyps (Doughnut- Typ), das zum vertikalen Antreiben angepasst ist und einem viergeteilten piezoelektrischen Element auszuwählen, das zum biaxialen Antreiben in Richtungen in einer horizontalen Ebene angepasst ist, ausgewähltes piezoelektrisches Element zu verwenden.
Struktur des Probenträgers
Als Antriebseinrichtung für einen sehr genau bewegbaren dreiachsigen Träger und eine Sondenposition können das fünfgeteilte zylindrische piezoelektrische Element, eine Baugruppe von drei scheibenartigen piezoelektrischen Elementen, die orthogonal zueinander angeordnet sind, eine Baugruppe von einem viergeteilten zylindrischen piezoelektrischen Element (X, Y) und drei scheibenartigen piezoelektrischen Elementen als eine Z-Achsenantriebseinrichtung, die vertikal an Positionen ausgerichtet sind, die sich von denen des viergeteilten zylindrischen piezoelektrischen Elementes unterscheiden, und ähnliche verwendet werden.
Unter diesen ist es bei dem fünfgeteilten zylindrischen piezoelektrischen Element notwendig, vertikal langgestreckt zu sein um den Antriebsumfang entlang der Z-Achse zu erhalten, wodurch eine Drift durch Temperaturänderungen leicht auftritt.
Um den Bewegungsumfang zu erreichen ist es auch notwendig, dass die Dicke so klein wie möglich ist, was die Resonanzfrequenz bemerkenswert absenkt, wodurch die Position nicht mit großer Geschwindigkeit bewegt werden kann.
In der Baugruppe, in welcher drei scheibenartige piezoelektrische Elemente orthogonal zueinander angeordnet sind, ist die Form der Baugruppe asymmetrisch, sodass eine asymmetrische Drift auftreten kann. In einer Baugruppe eines viergeteilten zylindrischen piezoelektrischen Elementes (X, Y) und drei scheibenartigen piezoelektrischen Elementen als eine Z-Achsen-Antriebseinrichtung, die vertikal an Positionen ausgerichtet sind, die sich von der des viergeteilten zylindrischen piezoelektrischen Elementes unterscheiden, ist ein enormer Raum notwendig um diese anzuordnen.
Da die drei scheibenartigen piezoelektrischen Elemente, die als Z-Achse wirken, nicht immer den gleichen Umfang der Bewegung aufweisen, besteht eine Gefahr von Schrägstellungen, die mit der Bewegung auftreten und es besteht eine Möglichkeit des Brechens der piezoelektrischen Elemente, wodurch Raum für eine Verbesserung gelassen ist.
Es ist deshalb auch für das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt, eine wie in 14 gezeigte Antriebseinrichtung 196 zu verwenden.
Bei der in dieser Zeichnung gezeigten Antriebseinrichtung 196 sind ein scheibenartiges, gebohrtes piezoelektrisches Element 198, das zum vertikalen Antreiben eingerichtet ist und viergeteilte zylindrische piezoelektrische Elemente 200, 202, die zum biaxialen Antreiben in Richtungen in horizontaler Ebene eingerichtet sind und zum letztgenannten von der oberen und der unteren Seite nah platziert sind, zusammengefügt.
Wenn die in 14 gezeigte Antriebseinrichtung 196 in dieser Ausführungsform verwendet wird, kann als Folge der gesamte Antriebsbereich sichergestellt sein, auch wenn die Gesamtlänge der Antriebseinrichtung als Ganzes kleiner hergestellt ist, wodurch die durch Temperaturänderungen in dem piezoelektrischen Element auftretende thermische Drift kleiner eingestellt werden kann als in dem Fall, wo beispielsweise ein fünfgeteiltes, zylindrisches, piezoelektrisches Element verwendet wird.
Wenn die in 14 gezeigte Antriebseinrichtung 196 in dieser Ausführungsform verwendet wird, werden auch die Dicken der obe ren und unteren Antriebsabschnitte sehr viel größer als in dem Fall, wo ein fünfgeteiltes zylindrisches piezoelektrisches Element verwendet wird, sodass die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elementes als Ganzes merklich erhöht wird, wodurch der Probenträger mit einer höheren Geschwindigkeit angetrieben werden kann.
Wenn die in 14 gezeigte Antriebseinrichtung 196 in dieser Ausführungsform verwendet wird, wird ferner eine konzentrische Struktur bereitgestellt, wodurch eine sehr viel geringere mechanische Drift in Richtungen in einer horizontalen Ebene erreicht werden kann als in dem Aufbau, bei welchem scheibenartige piezoelektrische Elemente in drei Richtungen zusammengesetzt werden.
Ohne auf die Antriebseinrichtung für den Probenträger oder ähnliche beschränkt zu sein, kann die in 14 gezeigte Antriebseinrichtung 196 außerdem auch zum Antreiben der Sondenposition verwendet werden.
Probenwechseleinrichtung
Zum Wechseln von Messproben werden herkömmlicherweise verschiedene Verfahren verwendet. Beispielsweise wird ein Verfahren, in welchem ein Probenträger in ein Mikroskop entlang einer vförmigen Nut seitlich von dem Mikroskop eingeführt wird, oder ähnliche, herkömmlicherweise verwendet.
Da dem Aufbau Symmetrie fehlt, tritt jedoch in diesem Fall eine Drift in unerwarteten Richtungen auf.
Da in diesem Fall die Oberfläche des Probenträgers bestimmt wird, kann auch die absolute Position der Probenoberfläche abhängig von der Dicke der Probe variieren.
Da die Oberfläche des Probenträgers in diesem Fall festgelegt ist, ist die Dicke der messbaren Probe beschränkt. Diese Sachverhalte lassen Raum für eine Verbesserung von Sondenmikroskopen, wie Kraftmikroskope oder optische Nahfeldmikroskope, welche die Probenoberflächen durch Antreiben des Trägers abtasten.
Folglich ist es für das Sondenmikroskop gemäß dieser Ausführungsform auch bevorzugt, einen in den 15A und 15B gezeigten Probenträger 204 zu verwenden.
In der in diesen Zeichnungen gezeigten Probenwechseleinrichtung 204 sind beide der Trägerelemente 206, 208 direkt mit Gewindenuten 201 beziehungsweise 212 gebildet, sodass diese miteinander in einen Gewindeeingriff gebracht werden können.
In der in diesen Fign. gezeigten Probenwechseleinrichtung 204 sind die Trägerelemente 206, 208 ausreichend dick hergestellt. Wenn der Umfang der Gewindeeinführung der Trägerelemente eingestellt wird, kann dann als Folge die Höhe des Trägers eingestellt werden.
Wenn das Trägerelement 208 beispielsweise in dem in 15A gezeigten Zustand weiter in das Trägerelement 206 gedreht wird, können sich wie in 15B gezeigt die Sonde 118 und die Messprobe 112 annähern.
Die in diesen Zeichnungen gezeigte Probenwechseleinrichtung 204 ist auch an der unteren Seite des Trägerelementes 206 mit einem Durchgangsloch ausgestattet.
Bei der in diesen Fign. gezeigten Probenwechseleinrichtung 204 kann die optische Probenüberwachung, die Lichtabstrahlung, die Lichtsammlung und ähnliches durch das Durchgangsloch an der unteren Seite des Trägerelementes 206 ausgeführt werden.
Wenn die in diesen Fign. gezeigte Probenwechseleinrichtung 204 verwendet wird, ist damit eine horizontale Drift in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform vermindert, da die einzelnen Bauteile einen konzentrischen Aufbau besitzen.
Wenn die in diesen Fign. gezeigte Probenwechseleinrichtung 204 in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform verwendet wird, kann auch die Höhe des Trägers entsprechend der Dicke der Messprobe 112 verändert werden, wenn der Umfang der Gewindeeinführung des Trägerelementes 208 in das Trägerelement 206 eingestellt wird, wodurch ein größerer Dickenbereich von Messproben gemessen werden kann.
Wenn zusätzlich zu der oben erwähnten Konfiguration ein Probentisch 214 zum direkten Befestigen der Probe 112 in die Mitte platziert wird wie in 16 gezeigt, um den Probentisch 214 zu sichern, kann dann der Probentisch 214 vom Rotieren abgehalten werden unabhängig von der Rotation des Trägerelementes 208.
Sondenwechseleinrichtung
Zum Austauschen von Sonden in einem Sondenmikroskop wie beispielsweise einem optischen Nahfeldmikroskop ist es für eine Sonde und eine optische Faser notwendig, angepasst zu sein um durch Teile eingeführt zu werden. In diesem Fall kann die optische Faser jedoch verheddert oder geschnitten werden, wodurch deren Handhabung schwierig ist.
In diesem Fall ist auch ein Träger, ein Ständer oder ähnliches um die Lage der Sonde herum vorhanden, was den Platz vermindert, wodurch sich eine Struktur ergibt, in welcher Sonden schwierig auszuwechseln sind.
Wenn ein Aufbau zum Austauschen von Sonden vorgesehen ist, welcher die Position des Sondenabschnittes verändert, erniedrigt sich die Resonanzfrequenz als Ganzes, wodurch diese anfällig wird auf Einflüsse von Drift und Schwingungen, sodass Raum für Verbesserung gelassen ist.
Das Sondenmikroskop gemäß dieser Ausführungsform wie insbesondere ein optisches Nahfeldmikroskop verwendet deshalb vorzugsweise eine in den 17A und 17B gezeigte Sondenauswechseleinrichtung 215. Dabei ist die 17A eine Unterseitenansicht, während die 17B eine vertikale Schnittansicht derselben ist.
Wie in 17A gezeigt, wird der mittlere Teil des Probenträgers 216 mit einem ausreichend großen Durchgangsloch 217 gebildet.
Beim Sondenwechsel wird die Sonde 118 in einem Zustand ersetzt, bei welchem ein Sondenbefestigungsabschnitt 210 wie der in 17 gezeigte durch einen Träger 216 von dem Durchgangsloch 217 eindringt und von der unteren Seite des Trägers 216 vorragt.
Wenn die in diesen Zeichnungen gezeigte Sondenwechseleinrichtung in dieser Ausführungsform verwendet wird, sind der Trägerabschnitt 216 und der Sondenbefestigungsabschnitt 220 mit Schlitzen 224 beziehungsweise 222 ausgestattet, wodurch die Sonde 118 durch das Durchgangsloch 217 unter Verwendung der Schlitze 222, 224 zum Zeitpunkt des Austauschs der Sonde 118 eingeführt werden kann.
Wenn die in diesen Fign. gezeigte Sondenauswechseleinrichtung 215 in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform verwendet wird, treten zum Zeitpunkt des Austauschs der Sonden keine Hindernisse um die Sonde 118 auf, wodurch der Austausch erleichtert wird.
Wenn die in diesen Zeichnungen gezeigte Sondenauswechseleinrichtung 215 in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform verwendet wird, besteht auch keine Notwendigkeit, unnötige Struk turen für den Austausch bereitzustellen, wodurch der Aufbau stabil gestaltet werden kann, was weniger anfällig bezüglich Einflüsse von Drift und Schwingungen ist.
Wenn die in diesen Zeichnungen gezeigte Sondenaustauscheinrichtung 215 verwendet wird in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform, kann ferner die Sonde 118 einfach mittels der Schlitze 222, 224 ohne das Verheddern von optischen Fasern an dem Befestigungsabschnitt 220 angebracht werden.
Träger-Grobbewegungseinrichtung (1)
Als Grobbewegungseinrichtung für einen bei niedrigen Temperaturen arbeitenden Probenträger wird im allgemeinen ein piezoelektrisches Element verwendet. Als Verfahren um dieses anzutreiben ist beispielsweise ein Trägheitsantriebsverfahren bekannt, bei welchem eine Sägezahnspannung an ein zylindrisches piezoelektrisches Element angelegt wird, das orthogonal zu einem Inch-Werk oder einer Trägeroberfläche platziert ist.
Ein derartiges Antriebsverfahren kann jedoch kein genaues Positionieren ausführen, da der Probenträger schrittweise arbeitet.
Da der tatsächliche Umfang der Bewegung von der Reibung des Trägers abhängt, verändert sich diese mit der Zeit. Obwohl die Grobbewegungseinrichtung bei der Verwendung als Grobbewegungseinrichtung für einen Probenträger in einem typischen Messsystem ausreicht, besteht Raum zur Verbesserung des oben erwähnten Problems sowohl in dem Fall, wo sehr kleine Proben und ähnliches gehandhabt werden soll, als auch in dem Fall des Probenmikroskops gemäß dieser Ausführungsform.
Es ist deshalb für das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt, einen Grobbewegungsträger 225 wie beispielsweise in 18 gezeigt zu verwenden.
Der in dieser Zeichnung gezeigte Grobbewegungsträger 225 treibt einen Träger 226 durch das Anschieben einer Seitenfläche des Trägers mit einem Bimorph 228.
Wenn der in dieser Fig. gezeigte Grobbewegungsträger 225 in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform verwendet wird, bewegt sich der Bimorph 228 in Richtung zu dem Träger 226, wenn die an dem Bimorph 228 angelegte Spannung verändert wird, wie es durch die gestrichelten Linien in der Zeichnung angezeigt ist, oder nimmt seinen ursprünglichen Zustand wieder ein, wie durch die durchgezogenen Linien in der Zeichnung angezeigt ist, wodurch der Träger 226 sanft auf eine gegebene Position nach links in der Zeichnung positioniert werden kann.
Wenn der in der Zeichnung gezeigte Grobbewegungsträger 225 in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform verwendet wird, hängt der Umfang der Bewegung des Trägers 226 auch nur von der Kennlinie des Bimorphs 228 ab, wodurch sekundäre Änderungen stark vermindert werden können.
Träger-Grobbewegungseinrichtung (2)
Wie oben erwähnt, wird beim Betrieb bei niedrigen Temperaturen für einen Probenträger im allgemeinen ein piezoelektrisches Element als Grobbewegungseinrichtung verwendet.
Als Grobbewegungseinrichtung für einen bei niedrigen Temperaturen arbeitenden Probenträger wird im allgemeinen ein piezoelektrisches Element verwendet. Als Verfahren um dieses anzutreiben ist beispielsweise ein Trägheitsantriebsverfahren bekannt, bei welchem eine Sägezahnspannung an ein zylindrisches piezoelektrisches Element angelegt wird, das orthogonal zu einem Inch-Werk oder einer Trägeroberfläche platziert ist.
Da einzelne Elemente im Bezug auf die Trägeroberfläche dreidimensional zusammengesetzt werden müssen, ergibt ein solches Antriebssystem eine geringere Temperaturstabilität, wodurch sich die Drift erhöht.
Ferner ist die Antriebsrichtung auf lineare Richtungen beschränkt, sodass keine Drehbewegungen erreicht werden können. Während eine solche Grobbewegungseinrichtung für eine Verwendung als Grobbewegungseinrichtung für einen Probenträger in einem typischen Messsystem ausreicht, treten Schwierigkeiten auf, wenn diese Grobbewegungseinrichtung, wie in dem Fall in welchem verschiedene Arten von Antrieben notwendig sind, verwendet wird, wie in dem Sondenmikroskop gemäß dieser Ausführungsform.
Bei dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform ist es deshalb bevorzugt, einen Grobbewegungsträger 229 wie in 19A gezeigt, zu verwenden.
Der in dieser Zeichnung gezeigte Grobbewegungsträger 229 verwendet ein piezoelektrisches Element 230, das direkt an eine Seitenfläche des Trägers 226 angebracht ist, wobei es ein freies Ende besitzt.
Wenn an ein solches piezoelektrisches Element 230 eine gegebene Spannungswellenform angelegt ist, wird ein Ende des piezoelektrischen Elementes 230 komprimiert und nimmt dann wie in 19B gezeigt, den ursprünglichen Zustand wieder ein, wodurch eine Trägheitskraft auf den Träger 226 ausgeübt wird, sodass der Träger 226 sich beispielsweise in X-Richtung bewegt.
Obwohl der in den 19A, 19B gezeigte Grobbewegungsträger 229 ein Beispiel betrifft, bei welchem eine Seitenfläche des Trägers 226 mit einem piezoelektrischen Element versehen ist, sodass der Träger 226 in X-Richtung bewegt wird, können beispielsweise wie in 20 gezeigt piezoelektrische Elemente 230a bis 230d stattdessen an vier Seitenflächen des Trägers 226 platziert sein, wodurch in beide der zwei Achsen X und Y vorund zurückbewegt werden kann.
Wenn wie in 21 gezeigt piezoelektrische Elemente 230a bis 230h paarweise mit einer ausreichenden Lücke dazwischen an vier Seiten des Trägers 226 platziert sind, ist nicht nur eine biaxiale Bewegung von X und Y, sondern auch eine Rotation möglich.
Wenn eine der in den 19A bis 21 gezeigten präzisen Bewegungsträger in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform verwendet wird, können alle Teile wie das piezoelektrische Element 230 in den Seitenflächen des Trägers 226 untergebracht werden.
Damit kann der Träger, welcher die Grobbewegungseinrichtung aufweist dünner hergestellt werden, wodurch die Temperaturstabilität in vertikaler Richtung (Z) erhöht werden kann.
Wenn der in 1 gezeigte Grobbewegungsträger verwendet wird, werden piezoelektrische Elemente 230 paarweise mit einer ausreichenden Lücke dazwischen an vier Seiten des Trägers 226 platziert, wodurch darüber hinaus Drehbewegungen ausgeführt werden können, die herkömmlicherweise sehr schwierig waren.
Erweiterung des Dynamikbereichs des Trägers
In einem Sondenmikroskop wird üblicherweise ein piezoelektrisches Element als Antriebseinrichtung zum Abtasten eines Trägers verwendet.
Wenn der Abtastbereich des piezoelektrischen Elementes vergrößert wird, ist es dann notwendig zwei getrennte Messarbeitsschritte unabhängig voneinander auszuführen.
In dem Sondenmikroskop ist es deshalb notwendig, dass der Abtastbereich des piezoelektrischen Elementes als Antriebsein richtung für den Träger so breit wie möglich gestaltet ist.
Es existiert jedoch eine Grenze für den realistischen Abtastbereich. Sowie der Abtastbereich breiter gemacht wird, wird der Träger größer und die Messstabilität wird geringer, wodurch Raum für Verbesserung gelassen ist.
Deshalb wird es bevorzugt bei dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform einen in 22 gezeigten dreiachsigen Träger 232 der komplexen Art zu verwenden.
Der in dieser Zeichnung gezeigte dreiachsige Träger 232 der komplexen Art umfasst einen sehr genau bewegbaren dreiachsigen Träger 234 und einen grob bewegbaren dreiachsigen Träger 236.
Als Antriebseinrichtung verwendet der sehr genau bewegbare dreiachsige Träger 234 beispielsweise ein piezoelektrisches Element oder ähnliches und bewegt sehr genau in die Dreiachsen-Richtungen XYZ der 22, während dieser sich in einem Zustand befindet, bei welchem die Probe 112 darauf platziert ist.
Als Antriebseinrichtung verwendet der grob bewegbare dreiachsige Träger 236 einen Steppermotor oder ähnliches und ist beispielsweise in die Dreiachsen-Richtungen XYZ der 22 mit einer höheren Geschwindigkeit als der sehr genau bewegbare dreiachsige Träger 234 bewegbar, während eines Zustandes, bei welchem die Sonde 118 aufgehängt ist.
Falls ein notwendiger Abtastbereich überschritten wird während der sehr genau bewegbare dreiachsige Träger 234 abtastet, wird der grob bewegbare dreiachsige Träger 236 in einem notwendigen Umfang angetrieben. Danach wird wieder der sehr genau bewegbare dreiachsige Träger 234 angetrieben und die Daten werden miteinander verbunden, wodurch ein genügender Bewegungsumfang des Trägers sichergestellt werden kann. Als Folge können Messungen, welche den Abtastbereich des sehr genau bewegbaren dreiachsigen Trägers 234 wie ein piezoelektrisches Element überschreiten, ohne die oben erwähnten Probleme ausgeführt werden. Damit kann die Vorrichtung in einer kompakten und hochstabilen Art gebaut werden.
Z-Zurückzieheinrichtung während einer Messung
Bei herkömmlichen Sondenmikroskopen besteht eine Gefahr, dass deren Sonde und die Probe miteinander kollidieren aufgrund Temperaturdrift, Verschiebungen der Probenposition, extreme Probenverkippungen und Unregelmäßigkeiten und ähnliches, wodurch die Sonde oder die Probe beschädigt wird, was Raum für Verbesserung hinterlässt.
Wenn der Arbeitsplatzrechner 136 ermittelt, dass die Sonde 118 und die Probe 112 nahe zueinander angeordnet sind, sodass ein bestimmter Wert im Abtastbereich der Z-Achse überschritten ist, dann stoppt in dem Mikroskop gemäß dieser in 22 gezeigten Ausführungsform der Arbeitsplatzrechner 136 die Messung und treibt den grob bewegbaren dreiachsigen Träger 236, um die Son se 118 und die Probe 112 voneinander wegzubewegen.
In der Zeichnung wird die Sonde 118 aufwärts bewegt, d.h. in Z-Richtung.
Wenn eine solche Z-Zurückzieheinrichtung während einer Messung verwendet wird, kann als Folge das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform verhindern, dass die Sonde und die Probe während einer Erfassungsmessung miteinander kollidieren aufgrund einer Temperaturdrift, Verschiebungen der Probenposition, extremen Probenneigungen und Unregelmäßigkeiten und ähnlichem, wodurch eine Beschädigung der Sonde oder der Probe auftreten würde.
Automatische Näherungseinrichtung
Beispielsweise in Fällen von Kraftmikroskopen oder ähnlichen ist es herkömmliche Praxis, den Abstand zwischen einer Sonde und einer Probe von ihren Positionen, an welchen diese ausreichend voneinander getrennt sind, zu ändern während Kraftsignale aufeinanderfolgend ausgelesen werden bis darin eine Änderung auftritt.
In diesen Fällen werden Signale an Orten ausgelesen, wo die Sonde und die Probe ausreichend voneinander getrennt sind, wodurch unnötig Zeit verbraucht wird, was Raum für Verbesserung belässt.
Der Abstand der Probe 112 und der Sonde 118 wird in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform wie in 22 gezeigt, durch das Verwenden des dreiachsigen Trägers 234 wie ein piezoelektrisches Element verkürzt und das Kraftsignal wird ausgelesen. Wenn keine Rückkopplung wirkt, wird der Abstand wieder durch das Verwenden des sehr genau bewegbaren dreiachsigen Trägers 234 verkürzt, sodass das Auslesen wiederholt wird.
Dieser Arbeitsgang wird wiederholt bis eine Rückkopplung bewirkt ist und der Arbeitsgang wird gestoppt, wenn eine Rückkopplung bewirkt ist.
Wenn das Bild einer CCD-Kamera 237 oder ähnlichem zur Überwachung des Verhältnisses zwischen der Sonde 118 und der Messprobe 112 von einer Seitenfläche mit dem Monitor 142 betrachtet wird, kann der Abstand zwischen der Sonde 118 und der Messprobe 112 manuell um etwa die Auflösung des Monitors 142 verkürzt werden, bevor der Abstand verkürzt wird.
Als Folge wird der grob bewegbare dreiachsige Träger 236 in einem Teil schnell bewegt, in welchem die Sonde 118 und die Messprobe 112 deutlich voneinander getrennt sind während Ausgangs- Signale nur an minimal notwendigen Abschnitten davon ausgelesen werden, wodurch die Zeit zum Verkürzen des Abstandes merklich vermindert werden kann.
Optisches Nahfeldmikroskop
Obwohl die oben erwähnten Konfigurationen sich auf ein Beispiel beziehen, bei welchem ein Kraftmikroskop unter Verwendung einer atomaren Kraft als Wechselwirkung zwischen der Probe und der Sonde unterstellt ist um die Gestalt der Probenoberfläche und ähnliches zu erfassen, ist das Sondenmikroskop der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt. Es kann ein optisches Nahfeldmikroskop sein, welches ein optisches Nahfeld als Wechselwirkung zwischen der Probe und der Sonde verwendet.
Ferner ist das Sondenmikroskop gemäß der Erfindung nicht auf solche zum Erfassen der Oberflächengestalt der Probe beschränkt, sondern kann auch Bestandteile der Probe an der Sondenposition und ähnliches untersüchen.
In diesem Fall ist es auch bevorzugt, beispielsweise ein wie im folgenden beschriebenes optisches Nahfeldmikroskop zu verwenden.
23 zeigt einen schematischen Aufbau eines optischen Nahfeldmikroskops gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Bei dem in dieser Fig. gezeigten optischen Nahfeldmikroskop 238 wird Laserlicht L6 von einer monochromatischen Lichtquelle 240 durch eine Linse 242 in einen parallelen Lichtstrom umgewandelt und der sich ergebende parallele Lichtstrom wird mittels eines Strahlteilers 244 und einer konvergenten Linse 246 in eine Son de 118 eingeführt.
Danach wird von einem Spitzenabschnitt 118a der Sonde 118 ein Nahfeldlicht zu einer Messprobe 112 emittiert. Licht L7, wie reflektiertes Licht, gestreutes Licht, Emission, Floureszenz oder Ramanlicht wird von dem Spitzenabschnitt 118a der gleichen Sonde 118 gesammelt und dann in einen Detektor 250 mittels einer Linse 246, dem Strahlteiler 244 und der Linse 248 eingeführt.
In dieser Ausführungsform wird das Laserlicht L6 als Anregungslicht von der Sonde 118 emittiert und das Licht L7 von der Son se 118 wird durch die gleiche Sonde 118 gesammelt.
Wenn eine herkömmliche optische Nahfeldvorrichtung verwendet wird zum Ausführen von Schwingungsspektroskopie, Ramanspektroskopie oder Infrarotspektroskopie gibt es eine Ausleuchtungsbetriebsart, bei welcher Licht von einer Sonde emittiert wird und reflektiertes Licht, gestreutes Licht, Emission, Floureszenz oder Ramanlicht durch eine externe Linse oder einen Spiegel gesammelt wird.
Ferner besteht eine Sammelbetriebsart, bei welcher das reflektierte Licht, das gestreute Licht, Emission, Floureszenz oder Ramanlicht, die durch von der Außenseite emittiertes Licht hervorgerufen sind, durch eine Sonde gesammelt wird.
In dieser Betriebsart ist es jedoch notwendig eine Objektivlinse zum Sammeln von Licht nahe einem Probenträger zu installieren, oder ein getrenntes optisches System zur Einführung eines Lasers zu installieren, wodurch die Vorrichtung kompliziert wird.
In dem Fall der Reflektionsmessung wird die Sonde zum Sammeln des Lichtes oder zum Einführen des Lasers abgeschaltet, wodurch der Wirkungsgrad der Lichtsammlung oder der Bestrahlung schwächer wird. Da auch verhindert werden muss, dass sich der Probenträger und die Sonde stören, kann der Vergrößerungsfaktor der Objektivlinse nicht erhöht werden.
Im Falle der Ausleuchtungsbetriebsart kann nicht abhängig von dem Photonen-Absorbtionsmechanismus aus einem Bereich emittiert werden, der größer als der beleuchtete Abschnitt ist, wodurch sich die räumliche Auflösung beachtlich verschlechtert.
Um die oben erwähnten Probleme zu überwinden, wird in dem in 23 gezeigten optischen Nahfeldmikroskop 238 gemäß dieser Ausführungsform deshalb das Licht L6 von der Lichtquelle 240 in eine Sonde 118 eingeführt, und das Nahfeldlicht wird von einem Spitzenabschnitt 118a der Sonde 118 zu einer Messprobe 112 emittiert, und das Licht L7 von der Probe 112 wird durch die gleiche Sonde 118 gesammelt.
Gemäß dieser Ausführungsform kann somit die Emission des Nahfeldlichtes und das Sammeln des gestreuten Nahfeldlichtes durch eine Sonde 118 in dem Mikroskop 238 realisiert sein, wodurch die Anordnung des Lichtsammelsystems sehr einfach wird.
Da auch die Sonde 118 zum Sammeln des Lichtes sehr nahe an die Probenoberfläche 112 platziert werden kann, kann das Sondenmikroskop 238 gemäß dieser Ausführungsform das gestreute Nahfeldlicht von der Probe 112 mit einem solch hohen Wirkungsgrad gesammelt werden, als wenn eine Linse mit einer sehr hohen Verstärkung verwendet werden würde.
Die von dem in 23 gezeigten Mikroskop 238 ausgeführte Ausleuchtungs-Sammel-Betriebsart kann auch in einer Vorrichtung zur Nahfeld-Ramanspektroskopie verwendet werden, bei welcher die gleiche Sonde 118 Anregungslicht emittiert und Ramanlicht sammelt .
Die Ausleuchtungs-Sammel-Betriebsart kann auch in einer Vorrichtung für Nahfeld-Infrarotspektroskopie verwendet werden, bei welcher die gleiche Sonde 118 Infrarotlicht emittiert und sammelt.
Die Ausleuchtungs-Sammel-Betriebsart kann auch in einer Vorrichtung zur Nahfeld-Ramanspektroskopie verwendet werden, in welcher die gleiche Sonde 118 Anregungslicht zu einer Probe 112 emittiert und gestreutes Ramanlicht von der Messprobe 112 sammelt, die durch das Anregungslicht angeregt wird.
Die Ausleuchtungs-Sammel-Betriebsart kann auch verwendet werden in einer Vorrichtung zur Nahfeldinfrarotspektroskopie, bei welcher die gleiche Sonde 118 Infrarotlicht zu der Probe 112 emittiert und das von der Messprobe 112 reflektierte Licht sammelt.
Strahlteiler
Wenn ein typischer Strahlteiler mit einem Verzweigungsverhältnis von 1:1 als Strahlteiler 255 in dem in 23 gezeigten optischen Nahfeldmikroskop 238 verwendet wird, kann das durch die Sonde 118 gesammelte Licht L7 von der Probe 112 nur mit einem Betrag aufgenommen werden, welcher die Hälfte des gesammelten Wertes ist, wodurch verhindert wird, das Licht von der Probe mit einer hohen Empfindlichkeit aufgenommen werden kann.
Obwohl keine Probleme vorliegen, wenn dieser in einem typischen Messsystem verwendet wird, kann der Umstand, dass nur die Hälfte des gesammelten Betrags herausgenommen werden kann, zu ernsten Problemen insbesondere in dem optischen Nahfeldmikroskop gemäß dieser Ausführungsform in dem optischen System führen, da das Nahfeldlicht als Detektionslicht noch schwächer als typisches Detektionslicht ist.
Deshalb verwendet das optische Nahfeldmikroskop 238 gemäß dieser Ausführungsform eine optische Komponente, die aus der Gruppe umfassend einen asymmetrischen, nicht 1:1-Strahlteiler, einen Niedrigpassfilter, einen Bandunterdrückungsfilter, einen Bandpassfilter, und einen Faserkoppler als Strahlteiler 244 zum Ausführen der Ausleuchtungs-Sammel-Betriebsart.
Wenn der asymmetrische, nicht 1:1-Strahlteiler verwendet wird, kann in dem optischen Nahfeldmikroskop 238 gemäß dieser Ausführungsform das angestrebte Licht von der Sonde mit einem Wirkungsgrad von 50 % oder höher im Gegensatz zu dem Fall eines typischen Strahlteilers, welcher einfallendes Licht mit einem Verhältnis 1:1 verzweigt, aufgenommen werden, wodurch eine befriedigende Helligkeit erreicht wird.
Prüfungseinrichtung für die Probenoberfläche
Bei einer optischen Nahfeldsonde unter Verwendung einer optischen Faser oder einer Metallsonde, die bei STM benutzt wird, ist eine mikroskopische Untersuchung aufgrund dessen Anordnung direkt von oben schwierig. Obwohl eine Untersuchung mit einem Konkavspiegel oder ähnlichem erwogen werden kann, ist dessen Anordnung beschränkt, wodurch es problematisch ist, dass der potentielle Winkel nicht größer gemacht werden kann, usw. Als Folge existieren Fälle, in denen eine ausreichende Auflösung nicht erhalten werden kann.
Auch wenn die Auflösung für ein typisches Messsystem ausreicht, kann der potentielle Winkel in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform, in welchem eine höhere Auflösung erforderlich ist, nicht größer gemacht werden, wodurch eine höhere Auflösung schwer zu erreichen ist, was Raum für Verbesserung belässt.
Es ist deshalb für das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt, eine in 24 gezeigte Prüfungseinrichtung 252 für die Probenoberfläche zu verwenden.
In der in dieser Zeichnung gezeigten Prüfungseinrichtung der Probenoberfläche ist ein Spiegel 256 an den Fuß eines Halters der Probe 118 oder eines Halters 254 an einem unteren Teil der Sondenbefestigung angebracht.
Da ein Mikroskopbild L8 der Messprobenoberfläche 112 durch eine CCD 262 oder ähnlichem mittels des Spiegels 256 und Linsen 258, 260 überwacht wird, kann die Messprobenoberfläche 112 direkt von oben geprüft werden.
Wenn die in dieser Zeichnung gezeigte Prüfungseinrichtung für die Probenoberfläche verwendet wird, ermöglicht das Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform eine Beobachtung der Probenoberfläche direkt von oben mit einer preiswerten Anordnung, was herkömmlich sehr schwierig war.
Wenn die in dieser Zeichnung gezeigte Prüfungseinrichtung für die Probenoberfläche in dem Mikroskop gemäß dieser Erfindung verwendet wird, kann die Objektivlinse des Mikroskops und ähnliches einfach angeordnet werden und der potentielle Winkel kann größer gemacht werden, wodurch eine befriedigend hohe Auflösung erreicht werden kann.
Als Spiegel 256 kann eine optische Komponente verwendet werden, die ausgewählt ist aus einem durchbohrten Spiegel, einem geschlitzten Spiegel, einem durchbohrten Prisma, einem geschlitzten Prisma und einer Spiegeloberfläche, in welche eine Anbringung direkt spiegelgefertigt ist.
Wenn durch den Spiegel 256 mikroskopische Spektroskopie oder makroskopische Spektroskopie bewirkt wird, ist es auch möglich, ein Kraftmikroskop zu erhalten, das makroskopische Spektroskopie, mikroskopische Spektroskopie und Nahfeldsondenspektroskopie ausführen kann.
Prüfungseinrichtung für die Faserendfläche
In einem Sondenmikroskop wie einem optischen Nahfeldmikroskop wird die Einführung von Laserlicht in eine Sonde so eingestellt, dass die Positionseinstellung ausgeführt wird, während die Intensität des von dem Sondenspitzenabschnitt emittierten Laserlichtes geprüft wird oder während das von der Faserendfläche reflektierte Laserlicht geprüft wird.
In diesem Fall kann jedoch die Positionsbeziehung zwischen dem Faserkern und dem Laserlicht nicht erkannt werden und muss intuitiv eingestellt werden, was Zeit erfordert und Raum für Verbesserung hinterlässt.
Bei dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform ist es deshalb bevorzugt, eine in 25 gezeigte Prüfeinrichtung 264 für die Faserendfläche zu verwenden.
Die in dieser Zeichnung gezeigte Prüfeinrichtung 264 für die Faserendfläche ist für die Verwendung in einem optischen Nahfeldmikroskop bestimmt, in welchem eine Sonde 118 Nahfeldlicht zu einer Messprobe emittiert, wobei diese Sonde, beispielsweise eine Kondensorlinse oder ähnliches, gestreutes Nahfeldlicht sammelt.
Mittels einer Linse 268, einem Strahlenteiler 270, und einer Linse 272 wird an der zur Sonde 118 gegenüberliegenden Seite die optische Faserendfläche einer mit der Sonde 118 verbundenen optischen Faser mit Laserlicht L6 von einer monochromatischen Lichtquelle 266 bestrahlt, das in die Sonde 118 einzuführen ist.
Die Prüfeinrichtung 264 für die Faserendfläche bestrahlt direkt die optische Faserendfläche 265 mit weißem Licht L9 von einer Weißlichtquelle 274.
Während die Ortsbeziehung zwischen einem Faserkern 276 und einem Laserlicht L6 direkt durch die Linse 272, dem Strahlteiler 270, der Linse 278 und der CCD 280 nach der Bestrahlung mit Licht L9 von einer Weißlichtquelle 274 geprüft wird, können deshalb in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform die Posi tionen des Faserkerns 276 und des Laserlichtes L6 eingestellt werden.
Wenn die in dieser Zeichnung gezeigte Prüfeinrichtung 264 für die Faserendfläche verwendet wird, kann als Folge die einzustellende Richtung jedes Mal überprüft werden, wodurch die Einstellung schneller und leichter ausgeführt werden kann im Vergleich zu herkömmlichen Fällen wo die Einstellung intuitiv durchgeführt wird.
Positionseinstelleinrichtung
Zum Positionieren einer Komponente wie einer optischen Einrichtung oder eines Trägers in drei Achsenrichtungen, d.h. in XYZ-Richtungen, wird typischerweise eine Einrichtung verwendet, in der entsprechende Positionseinstellachsen in drei zueinander senkrechten Richtungen liegen.
Wenn die Einrichtung zusammengebaut ist um für Einstellungen in drei zueinander orthogonalen Richtungen zugängig zu sein, wird dessen Aufbau sehr kompliziert. Da die Einstellung auch in drei Richtungen durchzuführen ist, ist der Betrieb schwierig.
Auch wenn ein komplizierter Aufbau oder Betrieb in verhältnismäßig einfachen Messsystemen nicht problematisch ist, benötigt diese bei dem Sondenmikroskop gemäß dieser Ausführungsform eine Vereinfachung, die aufgrund der verschiedenen darin bereitgestellten Funktionen verschiedene Arten von Vorgängen erfordert, wodurch ein Raum für Verbesserung verbleibt.
Bei dem Mikroskop gemäß dieser Erfindung ist es deshalb bevorzugt, eine in 26 gezeigte Positionseinstelleinrichtung 281 zu verwenden.
Die in dieser Zeichnung gezeigte Positionseinstelleinrichtung umfasst eine Positionseinstellschraube 282 und einen dreieckigen Block 283.
Die Positionseinstellschraube 282 ist an deren Einstellseite an einem Endabschnitt der Schraube mit einem Kopf 284 versehen und ist in die Richtungen von i in der Zeichnung bewegbar wenn der Kopf 284 gedreht wird.
Die Flanke 283a des dreieckigen Blockes 283 stößt an der Kopfseite gegen einen Spitzenabschnitt 282a der Positionseinstellschraube 282, wodurch dessen gegenüberliegende Fläche 283b an eine Komponente 286 wie ein Träger gesichert ist.
Die Bewegungsrichtungen des dreieckigen Blockes 283 sind durch einen Schlitten (nicht gezeigt) oder ähnliches beschränkt, sodass dieser nur in die Richtungen von j in der Zeichnung entlang der Neigung der Flanke 283a bewegbar ist, wenn die Positionseinstellschraube 282 in die Richtungen von i in der Zeichnung bewegt wird.
Zum Einstellen der drei Achsen von XYZ sind drei Sätze der in dieser Zeichnung gezeigten Positionseinstelleinrichtung 281 vorgesehen.
Im Hinblick auf die Ausrichtung der Neigung des rechteckigen X-Achsen-Blockes und der bewegbaren Richtungen des dreieckigen X-Achsen-Blockes, die durch den X-Achsen-Schlitten oder ähnliches gelenkt werden, wird eine bestimmte Oberfläche der Komponente 286 wie ein Träger mit der in dieser Zeichnung gezeigten Positionseinstelleinrichtung 281 zum Positionseinstellen in Richtung der X-Achse ausgestattet, sodass der dreieckige X-Achsen-Block nur in X-Richtung bewegbar ist.
Im Hinblick auf die Ausrichtung der Neigung des rechteckigen Achsenblockes und die bewegbaren Richtungen des rechteckigen Z-Achsenblockes, die durch den Z-Achsen-Schlitten oder ähnli ches gelenkt werden, wird die gleiche Oberfläche der Komponente 286 wie ein Träger mit der X-Achsenpositionseinstelleinrichtung mit der Positionseinstelleinrichtung 281 bereitgestellt zum Positionseinstellen in der Z-Achsenrichtung, sodass der dreieckige Z-Achsenblock nur in Z-Richtung bewegbar ist.
Im Hinblick auf die Ausrichtung der Neigung des rechteckigen Achsenblockes und die bewegbaren Richtungen des rechteckigen Y-Achsenblockes, die durch den Y-Achsen-Schlitten oder ähnliches gelenkt werden, wird die gleiche Oberfläche der Komponente 286 wie ein Träger mit der X-Achsenpositionseinstelleinrichtung und der Z-Achsenpositionseinstellungseinrichtung mit der Positionseinstelleinrichtung 281 bereitgestellt zum Positionseinstellen in der Y-Achsenrichtung, sodass der dreieckige Y-Achsenblock nur in Y-Richtung bewegbar ist.
Somit werden die entsprechenden Richtungen der Köpfe der Positionseinstellschrauben in Betracht gezogen um die Positionseinstellung der drei Achsen von XYZ von der gleichen Seite zu ermöglichen.
Wenn in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform drei, wie in 26 gezeigte Positionseinstelleinrichtungen 281 verwendet werden zum Positionseinstellen der individuellen Achsenrichtungen, kann der Anwender Zutritt von der gleichen Seite erlangen, wodurch der Aufbau und der Betrieb vereinfacht wird.
Wenn der Neigungswinkel θ der Flanke 283a in dem dreieckigen Block 283 passend festgelegt ist, kann die Drehung des Kopfes 284 der Positionseinstellschraube 282 vergrößert oder vermindert werden.
Wenn andererseits der Neigungswinkel θ der Flanke 283a in dem dreieckigen Block 283 kleiner gemacht ist, kann die Rotation des Kopfes 284 der Positionseinstellschraube 282 vermindert werden, wodurch die mit der Positionseinstelleinrichtung 281 versehenen Komponente 286 angemessen und einfach positioniert werden kann.
Lichtreflektions- und Sammelsystem
In einem Messsystem, das Licht von einer Messprobe sammelt und erfasst oder spektral das Licht zerlegt, wird beispielsweise eine einzelne Linse zum Sammeln des Lichtes verwendet.
In diesem Fall ist der potentielle Winkel innerhalb dessen es möglich ist Licht zu sammeln beschränkt und die Menge des Lichtes kann in hochempfindlichen Messungen unzureichend werden.
Obwohl eine Mehrzahl von Linsen verwendet werden kann, ist kein Verfahren bekannt zum wirkungsvollen Vereinigen der Lichtstrahlen und der Wirkungsgrad kann nicht wirkungsvoll gesteigert werden, warum diese als Mittel zum Beheben des Mangels der Lichtquantität nicht verwendet wurden.
Der in typischen Messsystemen unproblematische Mangel von Lichtquantität kann einen erheblichen Abfall der Erfassungsgenauigkeit in einem Sondenmikroskop wie einem Kraftmikroskop oder einem optischen Nahfeldmikroskop erzeugen, bei welchen im Vergleich zu typischen Messsystemen Messungen mit höherer Genauigkeit für kleinste Proben erforderlich sind, wodurch ein dringender Bedarf zum Entwickeln einer Technologie besteht, die dieses Problem beheben kann.
Es ist deshalb bei dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt, ein in 27 gezeigtes Lichtreflektions- und Sammelsystem 288 zu verwenden.
Bei dem in dieser Zeichnung gezeigten Lichtreflektions- und Sammelsystem 288 ist eine Mehrzahl von Objektivlinsen 290, 292, 294, 296 um die Messprobe 112 platziert.
Diese Objektivlinse 290 bis 296 sammeln Lichtstrahlen L10a bis L10d wie eine Emission, gestreutes Licht und transmittiertes Licht von einem Messpunkt P0 der Messprobe 112, welche Information über Merkmale an dem Messpunkt P0 und ähnliche umfassen.
Die Lichtstrahlen L10a bis L10d von den einzelnen Objektivlinsen 290, 292, 294, 296 fallen auf Eintrittsspalte 306 eines Spektroskops oder eines Detektors in einer vertikalen Zeile mittels entsprechender optischer Koppler 298 bis 304, sodass diese vereinigt sind.
Wenn das in dieser Zeichnung gezeigte Lichtreflektions- und Sammelsystem 288 in dem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform verwendet wird, ist somit die Lichtnutzungseffizienz des Spektrometers oder des Detektors unabhängig von den vertikalen Positionen der Eintrittsspalte 306 und die Menge des gesammelten Lichtes kann erhöht werden, wenn die unterschiedlichen Lichtstrahlen L10a bis L10d als vertikal geteilt eingeführt werden.
Somit kann der Wirkungsgrad proportional zu der Quantität der gesammelten Lichtstrahlen L10a bis L10d erhöht werden, was herkömmlich sehr schwierig war.
Das in dieser Zeichnung gezeigte Lichtreflektions- und Sammelsystem 288 kann als Folge günstig einem Sondenmikroskop wie einem Kraftmikroskop oder einem optischen Nahfeldmikroskop verwendet werden, die eine höhere Quantität von Licht als typische Messsysteme benötigen.
Optischer Verschluss
Im allgemeinen wird als Antriebselement für einen optischen Verschluss, der in einem Spektroskop oder ähnlichem verwendet wird, ein Elektromagnet, ein Motor, ein Steppermotor oder ähnliches verwendet.
Wenn die oben erwähnten typischen Antriebselemente verwendet werden, treten jedoch mehr oder weniger Vibrationen auf das Öffnen und Schließen des Verschlusses auf. Vibrationen wie solche auf das Öffnen und Schließen des optischen Verschlusses, die in normalen Messsystemen unproblematisch sind, können Messungen in einem Messsystem, das sehr geringe Schwingungen in einer Sonde wie in einem Kraftmikroskop oder einem optischen Nahfeldmikroskop erfasst und das empfindlich auf Schwingungen ist, ungünstig beeinflussen.
Bei einem Mikroskop gemäß dieser Ausführungsform ist es deshalb bevorzugt, einen optischen Verschluss 308 wie beispielsweise in den 28a und 28b gezeigt, zu verwenden.
In 28a ist ein schwingungsfreier Bimorph 312 als Antriebseinrichtung für einen Verschlusskörper 310 verwendet und eine von dessen Seite ist an eine Basis 314 befestigt, während die andere Seite an dem Verschlusskörper 310 befestigt ist.
Wenn eine Spannung an dem Bimorph 312 angelegt ist, wird dessen Spitzenabschnitt wie beispielsweise in 28b gezeigt, auf der Seite zum Verschlusskörper 310 in Uhrzeigersinn gebogen, oder nimmt wieder seinen ursprünglichen Zustand ein.
Somit wird der Verschlusskörper 310 in der Zeichnung auch in Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn getrieben.
Wenn der in diesen Zeichnungen gezeigte optische Verschluss 308 als ein optischer Verschluss für das Spektroskop oder ähnliches in dieser Ausführungsform verwendet wird, erzeugt der Bimorph 312 selbst keine Schwingungen und die Position des Verschlusskörpers 310 kann genau entsprechend der an den Bimorph 312 angelegten Spannungen festgelegt werden, wodurch keine durch ein Anstoßen zum Positionieren des optischen Verschlusskörpers 310 erzeugte Schwingungen auftreten.
Daher kann der in diesen Zeichnungen gezeigte optische Verschluss 308 günstig als ein optischer Verschluss für ein Spektroskop, einen Detektor oder ähnliches in einem Kraftmikroskop, einem optischen Nahfeldmikroskop oder ähnlichem verwendet werden, die empfindlicher auf Vibrationen, insbesondere im Bezug auf andere Messsysteme sind.

Claims

Sondenmikroskop (120) umfassend eine flexible, nadelähnliche Sonde (118) und ein Schwingungsmittel (122), wobei das Sondenmikroskop eingerichtet ist, um zu verursachen, dass sich eine Messprobenoberfläche (112) und ein Spitzenabschnitt (118a) der Sonde (118) an der Probenseite aneinander annähern, zum Erfassen einer Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite, und zum Erhalten von Oberflächeninformation von der Messprobenoberfläche durch die Wechselwirkung, dadurch gekennzeichnet , dass das Schwingungsmittel (122) fähig ist zum Rotieren der Sonde (118) während dem Biegen von dessen Spitzenabschnitt (118a) an der Probenseite um einen Kreis zu zeichnen mit einer Größe, die einem Erhöhen und Erniedrigen der Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche (112) und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite entspricht, und dass das Sondenmikroskop (120) ferner umfasst Erfassungsmittel (124) zum Erfassen des Erhöhens und Erniedrigens der Größe des durch den Spitzenabschnitt (118a) der Sonde (118) an der Probenseite gezeichneten Kreises durch die Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche (112) und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite und zum Erhalten von Informationen über den Abstand zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite von dem Erhöhen und Erniedrigen der Größe des Kreises.
Sondenmikroskop nach Anspruch 1, wobei das Schwingungsmittel (122) auch eingerichtet ist zum Schwingen der Sonde in einer Richtung, in welcher die Messprobenoberfläche (112) und der Spitzenabschnitt (118a) der Sonde (118) an der Probenseite einander annähern oder sich voneinander wegbewegen.
Sondenmikroskop nach Anspruch 1, wobei das Vibrationsmittel (122) ein Antriebsteil umfasst, dass aus der Gruppe bestehend aus einem piezoelektrischen Element und einem Motor ausgewählt ist, das fähig ist, die Sonde (118) zu rotieren, während dem Biegen von dessen Spitzenabschnitt (118a) an der Probenseite, sodass wenigstens der Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite einen Kreis zeichnet mit einer Größe, die einem Erhöhen und Erniedrigen der Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche und dem Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite entspricht.
Sondenmikroskop nach Anspruch 1, wobei das Erfassungsmittel (124) umfasst: einen Sonden-Abstrahl-Abschnitt (130), der fähig ist, die Sonde mit Sondenlicht zu bestrahlen, einen Fotodetektorabschnitt (132) zum Erfassen von reflektiertem oder gesendetem Sondenlicht von der Sonde, und einen Signalverarbeitungsabschnitt (134) zum Erhalten von Informationen über das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des durch den Spitzenabschnitt der Sonde an der Probenseite gezeichneten Kreises von dem reflektierten oder gesendeten Sondenlicht, das von dem Fotodetektorabschnitt erhalten wurde.
Sondenmikroskop nach Anspruch 1, wobei das Erfassungsmittel (124) ein Teil ist, das aus der Gruppe bestehend aus einem Quarzvibrator und einem piezoelektrischen Element ausgewählt ist, das fähig ist zum Erhalten von Information über das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des durch den Spitzenabschnitt (118a) der Sonde (118) an der Probenseite gezeichneten Kreises.
Sondenmikroskop nach Anspruch 1, umfassend: ein piezoelektrisches Element der geteilten Art mit einem Paar von Schwingungselektroden (156a, 156b), die sich als Schwingungsmittel (122) gegenüberliegen und einem Paar von Erfassungselektroden (158a, 158b), die sich als Erfassungsmittel gegenüberliegen, die abwechselnd über im Wesentlichen die gesamte Peripherie an der entgegengesetzten Seite der Sonde von dem Spitzenabschnitt an der Probenseite angeordnet sind, und Steuermittel (136) zum Verursachen, dass das Paar von Schwingungselektroden die Sonde schwingen lässt und dass das Paar von Erfassungselektroden das Erhöhen und Erniedrigen der Größe des Kreises erfasst, gleichzeitig oder abwechselnd in einer Zeitfolge.
Sondenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche (112) und dem Spitzenabschnitt (118a) der Sonde (118) an der Probenseite eine dynamische Wechselwirkung ist.
Sondenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die Wechselwirkung zwischen der Messprobenoberfläche (112) und dem Spitzenabschnitt (118a) der Sonde (118) an der Probenseite eine optische Nahfeld-Wechselwirkung ist.
Sondenmikroskop nach Anspruch 1, umfassend: Abtastmittel, das fähig ist, die Messprobenoberfläche abzutasten, derart, dass der durch das Erfassungsmittel (129) erhaltene Abstand zwischen der Messprobenoberfläche (112) und dem Spitzenabschnitt (118a) der Sonde (118) an der Probenseite konstant gehalten ist, und Visualisierungsmittel (192) zum Visualisieren von Steuerinformation des Abtastmittels, um Informationen über Unregelmäßigkeiten in der Messprobenoberfläche zu visualisieren.