-
ALLGEMEINER STAND DER
TECHNIK
-
Erfindungsgebiet
-
Die
Erfindung betrifft Atomkraftmikroskope und Verfahren zum Betreiben
von Atomkraftmikroskopen.
-
Erörterung
des verwandten Stands der Technik
-
Ein
Atomkraftmikroskop (AFM – Atomic Force
Microscope) ist eine hochauflösende
Einrichtung zum Produzieren abgetasteter Bilder der Oberflächen von
Proben. Eine Art von AFM weist einen flexiblen Kragarm mit einer
schmalen Spitze, einen Auslenkungsdetektor, einen Probentisch und
Kragarm- und Probentischrückkopplungs-/-antriebssysteme
auf. Das AFM produziert durch mechanisches Führen der Kragarmspitze über eine
Oberfläche
einer Probe ein Bild. Während
des Abtastens mißt
der Auslenkungssensor das Ausmaß der
Biegung des Kragarms. Das Ausmaß der
Biegung steht zu der vertikalen Kraft in Beziehung, die die Probe
auf die Kragarmspitze ausübt,
d.h. der Probe-Kragarm-Kraft. Während
des Abtastens produzieren die Rückkopplungs-/Antriebssysteme
Bewegungen, um diese Probe-Kragarm-Kraft in ihren Anfangszustand zurückzuversetzen.
Das AFM produziert ein topographisches Bild der Probenoberfläche durch
Aufzeichnung der Auslenkung der Spitze, die erforderlich ist, um
während
des Abtastens die Probe-Kragarm-Kraft auf einem vorgewählten Sollwert
zu halten.
-
Bei
einigen AFMs weist das Rückkopplungssystem
einen aktiven elektronischen Kragarmcontroller und einen aktiven
elektronischen Probentischcontroller in einer verschachtelten Konfiguration
auf. Bei der verschachtelten Konfiguration reagiert der Kragarmcontroller
auf ein Fehlersignal von dem Auslenkungsdetektor. Das Fehlersignal
ist im wesentlichen proportional zu der Differenz zwischen der von
der Probe auf die Spitze ausgeübten
Kraft und einem vorgewählten
Sollwert. Somit ist das Fehlersignal grob proportional zu dem Ausmaß der Biegung
des Kragarms. Als Reaktion auf die Fehlerspannung erzeugt der Kragarmcontroller
eine ungefähr
proportionale Spannung zum Antreiben einer piezoelektrischen Einrichtung,
um eine rückstellende
Verschiebung des Kragarms zu erzeugen. In dem verschachtelten Rückkopplungssystem
empfängt
der Probentischcontroller die von dem Kragarmcontroller erzeugte
Antriebsspannung. Als Reaktion auf die Antriebsspannung erzeugt
der Probentischcontroller eine Spannung zum Antreiben einer weiteren
piezoelektrischen Einrichtung, um eine zurückstellende Verschiebung des
Probentischs zu erzeugen. Die zurückstellenden Verschiebungen
des Kragarms und des Probentischs stellen zusammen die von der Probenoberfläche auf
die Spitze ausgeübte
Kraft auf den vorgewählten
Sollwert zurück.
-
Viele
AFMs produzieren ein Bild einer Probenoberfläche, bei dem die Auflösung vertikal
zu der Probenoberfläche
sehr hoch ist, zum Beispiel besser als 1 Nanometer (nm) oder sogar
besser als 0,1 nm. Um derartige hohe Auflösungen zu erhalten, müssen Aufbauten
für AFMs
in der Regel Schwingungslärm aus
der Umgebung begrenzen. Eine Quelle für solchen Lärm sind niederfrequente Schwingungen
des Bodens in dem Raum, wo das AFM aufgebaut ist, das heißt Gebäudelärm. Üblicherweise
enthält
ein Aufbau für
ein AFM eine mechanische Isolation, um Gebäudelärm zu dämpfen, und einen Akustikkasten, um
akustischen Lärm
zu eliminieren. In vielen Fällen begrenzt
Umgebungslärm
die obere Abtastgeschwindigkeit und/oder die Tiefenauflösung, die
mit einem AFM erzielt werden kann.
-
US 5,631,410 offenbart (siehe
1)
ein AFM mit einem Detektorsystem zum Produzieren eines Fehlersignals,
ein Kragarmrückkopplungssystem und
ein Probentischrückkopplungssystem
mit einem Antrieb.
-
KURZE DARSTELLUNG
-
Ein
Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
sind in den unabhängigen
Ansprüchen
dargelegt, auf die der Leser nun verwiesen wird. Bevorzugte Merkmale
sind in den abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.
-
Verschiedene
Ausführungsformen
stellen Atomkraftmikroskope (AFMs) bereit, die gegenüber niederfrequentem
Umgebungslärm
weniger empfindlich sind. Die AFMs weisen sowohl Kragarm- als auch Probentischrückkopplungscontroller
auf. Die Rückkopplungscontroller
sind in einer parallelen Konfiguration geschaltet, so daß beide
Controller ein Spannungssignal empfangen, das den Fehler in der
Kraft anzeigt, die die Probe auf den Kragarm ausübt. Die parallele Konfiguration
unterdrückt
die Auswirkung von niederfrequentem elektrischem Rauschen und mechanischem
Lärm auf
den Probentisch effektiver als typische verschachtelte Rückkopplungskonfigurationen.
Insbesondere reduziert die parallele Konfiguration die Anregung
von resonanten mechanischen Schwingungsmodi in dem Probentisch bei
mit Gebäude-
und akustischem Lärm
assoziierten niedrigen Frequenzen. Somit kann es möglich sein,
weniger Abschirmung für
niederfrequenten Umgebungslärm
zu verwenden und somit zugänglichere AFM-Aufbauten
bereitzustellen.
-
Eine
Ausführungsform
weist eine Vorrichtung für
ein Atomkraftmikroskop auf, das einen Probentisch, eine Kragarm-Aufhängevorrichtung,
einen Kragarmkraftdetektor, ein Kragarmrückkopplungssystem und ein Probentischrückkopplungssystem enthält. Der
Probentisch ist zum Halten einer Probe konfiguriert. Die Kragarm-Aufhängevorrichtung
ist konfiguriert, einen mechanischen Kragarm mit einer Abtastspitze
mechanisch zu fixieren. Der Kragarmkraftdetektor ist konfiguriert, ein
elektrisches Kragarmkraftfehlersignal zu produzieren. Das Kragarmrückkopplungssystem
ist konfiguriert, den mechanischen Kragarm als Reaktion auf das
Kragarmkraftfehlersignal elektromechanisch anzutreiben. Das Probentischrückkopplungssystem
ist konfiguriert, den Probentisch als Reaktion auf das Kragarmkraftfehlersignal
elektromechanisch zu verschieben. Das Kragarmrückkopplungssystem und das Probentischrückkopplungssystem
sind so geschaltet, daß sie
das Kragarmkraftfehlersignal parallel empfangen. Das Kragarmrückkopplungssystem
enthält
ein elektrisches Hochpaßfilter,
das als Reaktion auf das Empfangen des Kragarmkraftfehlersignals
ein gefiltertes elektrisches Antriebssignal produziert und weiterhin
einen an der Kragarm-Aufhängevorrichtung
fixierten elektromechanischen Treiber enthält, der so angeschlossen ist,
daß er
mechanisch auf das gefilterte Antriebssignal reagiert.
-
Eine
Ausführungsform
weist ein Verfahren zum Betreiben eines Atomkraftmikroskops auf.
Das Verfahren beinhaltet das seitliche Ablenken einer Spitze eines
flexiblen mechanischen Kragarms über eine
Oberfläche
einer Probe. Beim Durchführen
des Abtastens beinhaltet das Verfahren das Produzieren eines Fehlersignals,
das eine von der Probe auf den Kragarm ausgeübte Kraft im wesentlichen darstellt. Beim
Ausführen
des Ablenkens beinhaltet das Verfahren das Antreiben des mechanischen
Kragarms mit einem elektromechanischen Treiber als Reaktion auf
das Fehlersignal. Beim Ausführen
des Ablenkens beinhaltet das Verfahren das Antreiben einer die Probe
haltenden Plattform derart, daß die
Plattform als Reaktion auf das Fehlersignal eine Bewegung erfährt. Der
Schritt des Antreibens durch den elektromechanischen Treiber produziert
eine Verschiebung des Kragarms ohne eine wesentliche Nullfrequenzkomponente.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
-
1 liefert
eine schematische Ansicht eines AFM;
-
2 ist
eine Draufsicht auf den Probentisch des in 1 gezeigten
AFM;
-
3 ist
eine Querschnittsansicht einer der piezoelektrischen Treiber des
in 2 gezeigten Probentischs;
-
4 liefert
eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines AFM;
-
5A und 5B zeigen
schematische Ansichten weiterer Ausführungsformen eines AFM, die
auf schwingenden Stimmgabeln basieren;
-
6-9 zeigen
eine Sequenz mechanischer Zustände,
die als Reaktion auf einen Zusammenstoß zwischen der Kragarmspitze
und einer Stufe auf der Oberfläche
der Probe erzeugt werden; und
-
10 ist
ein Flußdiagramm,
das ein Verfahren zum Betreiben eines AFM veranschaulicht, zum Beispiel
der AFMs der 1, 4 und 5A-5B.
-
In
den Figuren und dem Text bezeichnen gleiche Bezugszahlen Elemente
mit ähnlichen
Funktionen.
-
In
den Figuren können
relative Größen verschiedener
Merkmale vergrößert oder
reduziert sein, um die Ausführungsformen
besser zu veranschaulichen.
-
Verschiedene
Ausführungsformen
werden durch die ausführliche
Beschreibung und die Figuren beschrieben. Die Erfindungen können jedoch
in verschiedenen Formen verkörpert
sein und sind nicht auf in den Figuren und der ausführlichen
Beschreibung beschriebene Ausführungsformen
beschränkt.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 veranschaulicht
ein AFM 8, das konfiguriert ist, eine Oberfläche 10 einer
Probe 12 abzubilden. Das AFM 8 enthält einen
flexiblen mechanischen Kragarm 14, ein Kragarmkraftdetektionssystem 16,
einen Probentisch 18, ein aktives Kragarmrückkopplungssystem 20,
ein aktives Probentischrückkopplungssystem 22 und
einen Bildprozessor 24.
-
Der
mechanische Kragarm 14 enthält eine feine Spitze 26.
Während
einer Abtastung steht die feine Spitze 26 entweder in Kontakt
mit der Probenoberfläche 10 oder
oszilliert über
der Oberfläche 10, z.B.
um die Oberfläche 10 regelmäßig anzutippen. Sowohl
während
des Kontakt- als auch des Oszillationsmodus des Abtastens übt die Oberfläche 10 der Probe 12 eine
vertikale Kraft auf die Spitze 26 aus, d.h. entlang der
y-Richtung, und übt
somit eine vertikale Kraft auf das freie Ende des mechanischen Kragarms 14 aus.
Im Kontaktmodus des Abtastens beeinflußt die vertikale Kraft das
Ausmaß der
Biegung des mechanischen Kragarms 14. Im Oszillationsmodus
des Abtastens beeinflußt
die von der Oberfläche 10 auf
die Spitze 26 ausgeübte
vertikale Kraft die Oszillationsamplitude der Spitze 26.
Das Abtasten der Spitze 26 über eine Stufe, einen Höcker oder
ein Tal auf der Oberfläche 10 ändert das
Ausmaß der
Kragarmbiegung im Kontaktmodus des Abtastens und ändert die
Oszillationsamplitude für
die Spitze 26.
-
Im
Oszillationsmodus befindet sich ein Addierer zwischen einem Hochpaßfilter 46 und
einem Verstärker 48.
Der Addierer summiert ein Wechselstromansteuersignal und ein zum
Steuern des piezoelektrischen Treibers 50 verwendetes Signal.
Außerdem
enthält
der Diodendetektor im Oszillationsmodus entweder einen Gleichrichter,
zum Beispiel einen Spannungsquadrierer, gefolgt von einem Tiefpaßfilter,
das das Wechselstromansteuersignal entfernt, um einen Kragarmkraftfehlerspannungssignale-Ausgangsport 36 zu
produzieren.
-
Das
Kragarmkraftdetektionssystem 16 mißt die von der Oberfläche 10 der
Probe 12 auf die Spitze 26 ausgeübte vertikale
Kraft. Da die ausgeübte
Kraft das Ausmaß der
Kragarmbiegung bestimmt, mißt das
Kragarmkraftdetektionssystem 16 auch das Ausmaß der Biegung
des Kragarms 14. Das Kragarmkraftdetektionssystem 16 ist
konfiguriert, eine Kragarmkraftfehlerspannung am Ausgangsport 36 zu
erzeugen. Hierbei wird eine Ausgangsspannung als eine Kragarmkraftfehlerspannung
bezeichnet, wenn die Ausgangsspannung im wesentlichen die Differenz
zwischen der auf die Kragarmspitze 26 ausgeübten tatsächlichen
vertikalen Kraft und einem vorausgewählten vertikalen Kraftwert
darstellt. Insbesondere ist eine Kragarmkraftfehlerspannung eine monotone
Funktion dieser Differenz in dem verwendbaren Bereich von Kräften. Außerdem ist
eine Kragarmkraftfehlerspannung bis zu einer konstanten Sollspannung
klein, wenn die auf die Spitze 26 ausgeübte vertikale Probenkraft klein
ist, und groß,
wenn die auf die Spitze 26 ausgeübte vertikale Probenkraft groß ist. Beispielsweise
kann bis zu einer Sollspannungssubtraktion die Kragarmkraftfehlerspannung etwa
proportional zu der von der Probenoberfläche 10 auf die Spitze 26 ausgeübten Kraft
sein.
-
Analog
ist die Kragarmkraftfehlerspannung monoton in dem Ausmaß der Kragarmbiegung
für den
verwendbaren Bereich von Kragarmbiegung, d.h. bis zu dem Sollwert.
Die Kragarmkraftfehlerspannung ist auch klein, wenn das Ausmaß der Kragarmbiegung
klein ist und groß,
wenn das Ausmaß der Kragarmbiegung
groß ist.
Somit kann die Kragarmkraftfehlerspannung auch als eine Kragarmablenkfehlerspannung
bezeichnet werden.
-
Das
Kragarmkraftdetektionssystem 16 enthält einen Laser 28,
ein Paar Spiegel 30, 31, einen Photodiodendetektor 32 vom
Arraytyp und einen Spannungssubtrahierer 34. Der Laser 28 produziert einen
Lichtstrahl, der vom Spiegel 30 reflektiert und auf eine
reflektierende Rückseite
des Kragarms 14 fokussiert wird. Der Lichtstrahl wird von
der reflektierenden Rückseite
des Kragarms 14 reflektiert und vom Spiegel 31 auf
den Photodiodendetektor 32 umgelenkt. Die Photodiode-detektiert 32 ist
räumlich segmentiert,
um die Position des empfangenen Lichtstrahls zu detektieren. Der
Photodiodendetektor 32 ist konfiguriert, anhand der Position
des Strahls bei Ausgangsspannung zu produzieren, die die Winkelabweichung
des empfangenen Lichtstrahls repräsentiert. Somit produziert
der Photodiodendetektor 32 eine Ausgangsspannung, die das
Ausmaß der
Biegung des Kragarms 14 mißt, d.h. eine Kragarmablenkfehlerspannung
oder eine Kraftfehlerspannung. Der elektronische Subtrahierer 34 subtrahiert
eine Sollspannung Vs von der Ausgangsspannung des Photodiodendetektors 32 und
produziert eine Fehlerspannung am Ausgangsport 36, die
auf geeignete Weise genullt ist. Dann stellt am Ausgangsport 36 das
Spannungssignal im wesentlichen die Differenz zwischen der von der
Oberfläche 10 auf
die Spitze 26 ausgeübten
tatsächlichen
Kraft und der Kraft dar, die von der Oberfläche 10 auf die Spitze 26 ausgeübt würde, wenn
sich der Kragarm 14 in einem vorgewählten Biegungszustand befinden
würde.
-
Alternative
Ausführungsformen
können
ein Kragarmkraftdetektionssystem aufweisen, das auf anderen, dem
Fachmann bekannten Technologien basiert.
-
Unter
Bezugnahme auf die 1-2 enthält der Probentisch 18 eine
Probenplattform 38, piezoelektrische Treiber 40 und
Metallverbinder 41. Die Probenplattform 38 stellt
eine starre Stütze
sowohl zum Halten als auch Verschieben der Probe 10 in drei
Dimensionen bereit. Die piezoelektrischen Treiber 40 verbinden
mechanisch mit dem flexiblen Metallverbinder 41 und mit
festen Stützen 42.
Zusammen verbinden die piezoelektrischen Treiber 40 und die
Metallverbinder mechanisch die Probenplattform 38 mit den
festen Stützen 42.
Als Reaktion auf entsprechende Antriebsspannungen produzieren die
piezoelektrischen Treiber 40 seitliche Abtastbewegungen
entlang der x-Achse
und z-Achse, um z.B. Rasterscans der Oberfläche 10 der Probe 12 zu
produzieren. Als Reaktion auf andere entsprechende Antriebsspannungen
produzieren die piezoelektrischen Treiber 40 auch vertikal
zurückstellende
Verschiebungen der Probenplattform 38 und des Probentischs 18 entlang
der y-Achse.
-
Unter
Bezugnahme auf 3 enthält jeder piezoelektrische Treiber 40 einen
piezoelektrischen Zylinder 43 und vier Paare Steuerelektroden
A, B, C, D. Die Paare Steuerelektroden A-D liegen um den Umfang
des piezoelektrischen Zylinders 43 herum. Als Reaktion
auf das Anlegen entsprechender Spannungen an Paare der auf gegenüberliegenden
Seiten des Zylinders 43 liegender Elektroden, d.h. Paare
(A, B) oder Paare (C, D) biegt sich der piezoelektrische Zylinder 43 entlang
der die Paare verbindenden Richtung. Durch koordinierte Biegebewegungen
produzieren gegenüberliegende
Paare von piezoelektrischen Treibern 40 in 2 seitliche
Abtast- und vertikale Rückstellverschiebungen
der Probenplattform 38 und der Probe 12.
-
Wieder
unter Bezugnahme auf 1 enthält das aktive Kragarmrückkopplungssystem 20 einen aktiven
elektronischen Kragarmcontroller 44, ein Hochpaßfilter 46,
einen Verstärker 48 und
einen piezoelektrischen Treiber 50. Der aktive elektronische Kragarmcontroller 44 ist
ein Proportionaltyp oder ein Proportional-plus-Differentialtyp-Spannungsverstärker mit
einer abstimmbaren Verstärkung.
Der aktive elektronische Kragarmcontroller 44 produziert
eine Ausgangsspannung im wesentlichen proportional zu der vom Ausgangsport 36 des
Kragarmkraftdetektionssystems 16 empfangenen Ablenkfehlerspannung.
Das Hochpaßfilter 46 entfernt
die Nieder- und Nullfrequenzteile der von dem aktiven elektronischen Kragarmcontroller 44 erzeugten
Spannung. Das Hochpaßfilter 46 ist
so abgestimmt, daß seine
untere Frequenzgrenze unter den mechanischen Resonanzfrequenzen
des Probentischs 18 liegt. Beispielhafte Hochpaßfilter 46 können zum
Beispiel niedrigere Frequenzgrenzen von 30-500 Hertz oder niedriger aufweisen.
Der Verstärker 48 ist
ein Hochspannungsproportionalverstärker, der die Ausgangsspannungen
von dem Hochpaßfilter 46 so
verstärkt,
daß sie
in einem Bereich liegen, der sich für das Antreiben des piezoelektrischen
Treibers 50 eignet, z.B. 100-300 Volt. Der piezoelektrische Treiber
ist z.B. eine Platten- oder gestapelte piezoelektrische Struktur,
deren vertikale- oder y-Richtung-Höhe als Reaktion auf die vom
Verstärker 48 empfangene
Antriebsspannung expandiert und kontraktiert. Aufgrund der relativ
starren Form der Platten- und Stapeleinrichtungen weist der piezoelektrische
Treiber 50 keine mechanischen Resonanzen auf, zumindest
für die
niedrigen Frequenzen der Spannungssignale, die in der Regel von dem
aktiven elektronischen Kragarmcontroller 44 erzeugt werden.
Somit weist der piezoelektrische Treiber 50 eine im wesentlichen
lineare und sofortige Reaktion auf die Antriebsspannung auf. Der
piezoelektrische Treiber 50 bildet eine mechanische Stütze zwischen
einem Ende des mechanischen Kragarms 14 und einer Kragarm-Aufhängevorrichtung 52,
die die Baugruppe aus piezoelektrischem Treiber/mechanischem Kragarm
an einem festen Träger
fixiert. Aus diesem Grund justieren die Höhenvariationen des piezoelektrischen
Treibers 50 die vertikale Position des befestigten Endes
des mechanischen Kragarms 14, wodurch die von der Oberfläche 10 der
Probe 12 auf die Spitze 26 ausgeübte Kraft
justiert wird.
-
Das
aktive Probentischrückkopplungssystem 22 enthält einen
aktiven elektronischen Probentischcontroller 54, einen
Verstärker 56 und
die piezoelektrischen Treiber 40. Der aktive elektronische
Probentischcontroller 54 erzeugt Ausgangsspannungssignale,
die konfiguriert sind, zurückstellende
Verschiebungen des Probentischs 18 entlang der y-Achse
zu bewirken und abtastende Bewegungen des Probentischs entlang der
x-Achse und der z-Achse zu erzeugen. Bezüglich der zurückstellenden
Verschiebungen enthält
der aktive elektronische Probentischcontroller 54 einen
Integrier- oder einen Integrier-Plus Proportionalverstärker. Der
Verstärker
ist so geschaltet, daß er
die Kraftfehlerspannung vom Ausgangsport 36 des Kragarmkraftdetektionssystems 16 empfängt. Als
Reaktion auf die Fehlerspannung erzeugt der aktive elektronische
Probentischcontroller 54 eine Ausgangsspannung, die im
wesentlichen ein zeitliches Integral der Fehlerspannung ist. Diese Ausgangsspannung
treibt y-Achse-Vertikalverschiebungen durch die Probenplattform 38 und
somit durch die Probenplattform 18. Diese y-Achse-Verschiebungen
sind so ausgelegt, daß sie
die auf den Kragarm 14 ausgeübte zeitlich gemittelte Kraft
auf Null zurücksetzen,
d.h. so, daß sich
die zeitlich gemittelte Kraftfehlerspannung Null nähert. Bezüglich der abtastenden
Bewegungen produziert der aktive elektronische Probentischcontroller 54 Ausgangsspannungen,
die bewirken, daß die
piezoelektrischen Treiber abtastende seitliche x-Achse- und z-Achse-Bewegungen
durch von dem Probentisch 18 erzeugen, z.B. Rasterabtastbewegungen.
Der Verstärker 56 ist
ein Hochspannungsverstärker,
der Ausgangsspannungen von dem aktiven elektronischen Probentischcontroller 54 proportional
so verstärkt, daß sie in
einem Bereich liegen, der sich für
das Antreiben der piezoelektrischen Treiber 40 eignet.
-
Der
Bildprozessor 24 erzeugt ein topographisches Bild der Oberfläche 10 der
Probe 12 anhand von Meßwerten
der Ansteuerspannungen des aktiven elektronischen Probentischcontrollers 54 beim Abtasten.
Der Bildprozessor 24 verwendet die x-Richtung- und z-Richtung-Ansteuerspannungen zum
Bestimmen seitlicher Positionen der oberen Oberfläche des
Probentischs 18 oder der Probenplattform 38 beim
Abtasten. Der Bildprozessor 24 verwendet y-Richtungs-Ansteuerspannungen
zum Bestimmen vertikaler Höhen
von Merkmalen auf der Oberfläche 10 der
Probe 12, d. h. von vertikalen Positionen der oberen Oberfläche des
Probentischs 18. Alternativ bestimmt der Bildprozessor 24 vertikale Höhen von
Merkmalen auf der Oberfläche 10 von den
Antriebsspannungen sowohl des Kragarms 14 als auch des
Probentischs 18. Der Bildprozessor 24 würde die
vertikale Höhe
der Spitze 26 von der vertikalen Höhe der oberen Oberfläche des
Probentischs 18 subtrahieren, wobei die Höhen anhand
der von dem aktiven elektronischen Probentischcontroller 54 bzw.
dem aktiven elektronischen Kragarmcontroller 44 erzeugten
Ansteuerspannungen bestimmt werden. Durch Verwenden von Ansteuerspannungen
der beiden elektronischen Controller 54, 44 kann
es möglich
sein, Höhen
von Probenmerkmalen schneller zu bestimmen. Ein solches Verfahren
kann es ermöglichen,
daß Abtastzeiten
schneller sind als die Zeit, die benötigt wird, um den piezoelektrischen
Treiber 50 des Kragarms vollständig zu seiner anfänglichen Höhe D zurückzusetzen,
wie unten in 7-8 gezeigt.
-
Beispielhafte
Strukturen für
die mechanische Kragarm-Aufhängvorrichtung 52,
das Kragarmkraftdetektionssystem 16, die piezoelektrischen
Treiber 40, 50 und den Probentisch 18 können kommerziell erhalten
werden. Beispielsweise vertreibt Nanonics Imaging Limited in Manhat
Technology Park, Malcha, Jerusalem 91487 Israel (www.nanonics.co.il)
eine diese Einrichtungen integrierende Einheit unter dem Produktnamen „NSOM 100". Die Nanonics-Einrichtung
enthält
einen piezoelektrischen Treiber zum Erzeugen eines Oszillationsmodusabtastens
der Kragarmspitze. Dieser piezoelektrische Treiber kann als der
piezoelektrische Treiber 50 in dem AFM 8 von 1 fungieren.
-
4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
eines AFM 8',
der im wesentlichen ähnlich
dem AFM 8 von 1 ist, mit Ausnahme der Plazierung der
Subtraktion einer Sollspannung. Bei dem AFM 8' subtrahiert
der Spannungssubtrahierer 34 nur die konstante Sollspannung
Vs von dem an den aktiven elektronischen Probentischcontroller 54 angelegten Spannungssignal.
Eine derartige Plazierung der Spannungssubtraktion beeinflußt nicht
die Arbeit der Kragarmrückkopplungsschaltung 20 aufgrund
des Hochpaßfilters 46.
Außerdem
empfangen sowohl das aktive Kragarmrückkopplungssystem 20 als auch
das aktive Probentischrückkopplungssystem 22,
das den Subtrahierer 34 enthält, weiterhin die Kraftfehlerspannung
parallel von dem Kragarmkraftdetektionssystem 16.
-
Die 5A-5B zeigen
alternative AFMs 8'', 8''',
die dem AFM 8 von 1 ähnlich sind,
aber auf Stimmgabeln basieren. In den AFMs 8'', 8''' ist der
mechanische Kragarm 14 eine piezoelektrische Stimmgabel,
die an dem piezoelektrischen Treiber 14 und somit auch
an der Kragarm-Aufhängevorrichtung 52 fixiert
ist. Der piezoelektrische Treiber 50 ist wiederum an der
Kragarm-Aufhängevorrichtung 52 fixiert.
Der piezoelektrische Treiber 50 erzeugt vertikale Verschiebungen,
die die Stimmgabel 14 in Richtung eines vorgewählten stabilen
Zustands antreiben.
-
Eine
Treiberschaltung 49 und ein Spannungsoszillator 47 treiben
die piezoelektrische Stimmgabel 14 so an, daß sie sich
in einem fast resonanten Zustand befindet. Dann beeinflußt die Wechselwirkung
zwischen der Spitze 26 und der Oberfläche 10 der Probe 12 die
Amplitude und Phase der Oszillation der Stimmgabel über ein
Abändern der
Impedanz der Stimmgabel 14. Durch Messen der Impedanz der
Stimmgabel mißt
das Kraftdetektionssystem 16 elektrisch die von der Probe 10 während des
Abtastens auf die oszillierende Stimmgabel 14 ausgeübte Kraft.
Die Impedanz kann zum Beispiel erhalten werden durch Messen des
Stroms im Widerstand R der Antriebsschaltung 49. Andere
Ausführungsformen
des Kragarmkraftdetektionssystems 16 können das Verhältnis der
Ansteuerspannung der Stimmgabel zur Phase des Stroms verwenden,
um die von der Probe 10 auf die Stimmgabel 14 ausgeübte Kraft
zu messen.
-
Das
Kraftdetektionssystem 16 enthält außerdem einen Gleichrichter
und ein Tiefpaßfilter
neben dem Eingang zum Subtrahierer 34. Die Kombination aus
einem Gleichrichter und einem Tiefpaßfilter ändert den gemessenen Wechselstrom
oder die gemessene Wechselspannung zu Kragarmkraftfehlerspannungen.
Nach einer Sollwertsubtraktion wird die Kragarmkraftfehlerspannung
parallel an das Kragarmsteuersystem 20 und das Probentischsteuersystem 22 übertragen.
-
6-9 zeigen
die Sequenz mechanischer Zustände,
die die Bewegungen des Kragarms 14 und des Probentischs 18 als
Reaktion auf einen Zusammenstoß zwischen
der Spitze 26 und einer Stufe 60 auf der Oberfläche 10 der
Probe 12 beschreibt. Die Sequenz enthält das mechanische Ablenken
des Kragarms 14 durch die Stufe 60, wie durch 6-7 dargestellt.
Die Sequenz enthält außerdem schnelle
und langsame Rückstellbewegungen,
die das mechanische System in seinen Anfangszustand zurückversetzen.
Die anfängliche schnelle
Bewegung bewirkt eine Ausdehnung des piezoelektrischen Treibers 50.
Die schnelle Ausdehnung stellt die von der Oberfläche 10 auf
die Spitze 26 ausgeübte
Kraft fast auf die darauf vor dem Zusammenstoß mit der Stufe 60 ausgeübte Kraft
zurück.
Die langsamere Bewegung verschiebt den Kragarm 14 und die
obere Oberfläche
des Probentischs 18 so, daß der piezoelektrische Treiber 50 zu seiner
Anfangshöhe
zurückversetzt
wird, und so, daß die
vertikale Kraft auf die Spitze 26 zu der darauf vor dem
Zusammenstoß mit
der Stufe 60 ausgeübten Kraft
zurückgesetzt
wird.
-
6 zeigt
den anfänglichen
mechanischen Zustand der Spitze 26, des Kragarms 14 und
des piezoelektrischen Treibers 50 vor dem Zusammenstoß mit der
Stufe 60 auf der Oberfläche 10.
In dem anfänglichen
mechanischen Zustand übt
die Oberfläche 10 eine
vertikale Kraft auf die Spitze 26 aus. Die ausgeübte Kraft
bewirkt, daß der
Kragarm 14 eine vorgewählte
Gestalt aufweist. Für
diese Gestalt wird Laserlicht, das der Spiegel 30 auf die
Rückseite
des distalen Endes des Kragarms 14 aus der Richtung α lenkt, vom
Kragarm 14 in Richtung β wegreflektiert.
In dem anfänglichen
mechanischen Zustand weist der piezoelektrische Treiber 50 eine
Höhe D
auf. Für
den gewählten
anfänglichen
mechanischen Zustand ist das Ablenksystem 16 konfiguriert,
am Ausgangsport 36 eine Kraftfehlerspannung zu erzeugen,
die verschwindet. Somit befindet sich der piezoelektrische Treiber 50 des
Kragarms anfänglich
in einem entspannten Zustand.
-
7 veranschaulicht
den mechanischen Zustand der Spitze 26, des Kragarms 14 und
des piezoelektrischen Treibers 50 sehr kurz nach dem Zusammenstoß zwischen
der Spitze 26 und der Stufe 60. Nun übt die Oberfläche 10 der
Probe 12 eine relativ größere vertikale Kraft auf die
Spitze 26 aus. Die Spitze 26 erfährt eine
größere ausgeübte Kraft
von der Oberfläche 10,
was bewirkt, daß sich
der Kragarm 14 mehr biegt als in dem Zustand von 6.
Infolgedessen wird auf der Rückseite
des distalen Endes des Kragarms aus der Richtung α auffallendes Licht
in eine neue Richtung β' reflektiert. Somit
ist die Winkelablenkung des reflektierten Lichtstrahls, d.h. β'-β, von Null verschieden, und
das Ablenkdetektionssystem 16 erzeugt am Ausgangsport 36 eine
von Null verschiedene Ablenkfehlerspannung. Dennoch weist der piezoelektrische
Treiber 50 weiterhin eine Höhe D auf, weil seit dem Zusammenstoß mit der Stufe 60 nicht
ausreichend Zeit verstrichen ist, damit die piezoelektrische Einrichtung 50 mechanisch
reagieren kann.
-
8 veranschaulicht
den mechanischen Zustand der Spitze 26, des Kragarms 14 und
des piezoelektrischen Treibers 50 bei einer längeren verstrichenen
Zeit nach dem Zusammenstoß zwischen der
Spitze 26 und der Stufe 60. Insbesondere ist die verstrichene
Zeit lange genug, damit das aktive Kragarmrückkopplungssystem 20 eine
im wesentlichen zurückstellende
mechanische Reaktion erzeugt, aber nicht lange genug, damit das
aktive Probentischrückkopplungssystem 22 eine
im wesentlichen zurückstellende
mechanische Reaktion erzeugt. Das aktive Kragarmrückkopplungssystem 20 erzeugt
eine schnellere mechanische Reaktion als das aktive Probentischrückkopplungssystem 22,
weil der Kragarm 14 und der piezoelektrische Treiber 50 viel
leichter sind als der Probentisch 18 und der piezoelektrische Treiber 50 starrer
ist als die piezoelektrischen Treiber 40. Der piezoelektrische
Treiber 50 hat vertikal auf eine Höhe E expandiert, wodurch eine
Verschiebung des befestigten Endes des Kragarms 14 erzeugt wird,
die fast ausreicht, um den Kragarm in seine Gestalt vor dem Zusammenstoß zwischen
der Spitze 26 und der Stufe 60 zurückzuführen. Die Änderung
am mechanischen Zustand des piezoelektrischen Treibers 50 hat
aus einer Ansteuerspannung resultiert, die der aktive elektronische
Kragarmcontroller 44 als Reaktion auf die Fehlerspannung
von dem Kragarmkraftdetektionssystem 16 produziert hat.
Aufgrund der Änderung
an dem mechanischen Zustand des Kragarms 14 wird der vom
Spiegel 30 auf die Rückseite
des Kragarms 14 einfallende Lichtstrahl nun in fast der
gleichen Richtung β reflektiert,
wie in 6 gezeigt. Somit wird nach der kurzen Zeit für die zurückstellende
Verschiebung durch das feste Ende des Kragarms 14 das Kragarmkraftdetektionssystem 16 wieder
nur eine sehr kleine Ablenkung des Kragarms 14 detektieren
und wird eine Ablenk- oder Kraftfehlerspannung am Ausgangsport 36 mit
einer kleinen und langsam variierenden Größe ausgeben.
-
9 veranschaulicht
die mechanische Konfiguration der Spitze 26, des Kragarms 14 und des
piezoelektrischen Treibers 40 bei einer viel längeren verstrichenen
Zeit nach dem Zusammenstoß zwischen
der Spitze 26 und der Stufe 60. Insbesondere ist
die verstrichene Zeit lange genug, damit das aktive Probentischrückkopplungssystem 22 durch den
schwereren Probentisch 18 eine substantielle rückstellende
mechanische Reaktion erzeugt. Während
der längeren
Zeit hat sich der piezoelektrische Treiber 50 des Kragarms
allmählich
in seinen Anfangszustand entspannt, wie durch die Abwesenheit von
Null- und niederfrequenten Komponenten in der Antriebsspannung zu
dem piezoelektrischen Treiber 50 erforderlich ist, d.h.
aufgrund des Hochpaßfilters 46.
Da sich der piezoelektrische Treiber 50 aufgrund der Wechselstromnatur
seiner Ansteuerspannung langsam entspannt hat, steuert der aktive
elektronische Probentischcontroller 54 die piezoelektrischen Treiber 40 an,
die Höhe
der oberen Oberfläche
des Probentischs 18 oder der Probenplattform 38 anzuheben.
Die Reaktion des Probentischs 18 holt die des Kragarms 14 und
die des piezoelektrischen Treibers 50 des Kragarms über die
längere
verstrichene Zeit ein. Der Probentischcontroller 54, der
die Ablenkfehlerspannung im wesentlichen integriert, steuert die piezoelektrischen
Einrichtungen 40 an. Aus diesem Grund verschiebt das aktive
Probentischrückkopplungssystem 22 die
obere Oberfläche
des Probentischs 18 nicht mehr vertikal, wenn sich der
Kragarm 14 in seiner ursprünglichen Ablenkung befindet,
wie in 6 gezeigt.
-
In
jedem AFM 8, 8', 8'', 8''' der 1, 4, 5A und 5B waren
die Kragarm- und Tischrückkopplungssysteme 20, 22 als
elektrisch parallele Schaltungselemente geschaltet. Aus diesem Grund wurden
beide Rückkopplungssysteme 20, 22 von
der gleichen Kraftfehlerspannung angesteuert, die von dem Kraftdetektionssystem 16 erzeugt
wurde. Wie durch die 6-9 dargestellt
ist das von Null verschiedene Frequenzspektrum der Kraftfehlerspannung
in der Regel klein, mit Ausnahme von kurzen Zeiten nach mechanischen
Störungen
des AFM 8, 8', 8'', 8'''. Solche mechanischen
Störungen
ergeben sich aus einem Zusammenstoß zwischen der Spitze 26 und
einer Stufe, einem Höcker
oder Tal auf der Oberfläche 10 oder
von Umgebungslärm,
der eine AFM-Komponente wie etwa den Probentisch 18 in
Schwingungen versetzt. Insbesondere bewirkt das aktive Kragarmrückkopplungssystem 20 eine
schnelle mechanische Reaktion auf solche mechanischen Störungen,
indem der Biegungszustand des Kragarms 14 auf einen Wert
in der Nähe
des Biegungszustands des Kragarms vor der mechanischen Störung zurückgeführt wird.
Die schnelle mechanische Reaktion senkt die nachfolgende Größe der von
Null verschiedenen Frequenzkomponente der Fehlerspannung, d.h. der
Fehlerspannung bis zu einem konstanten Sollwert. Mit Ausnahme der
kurzen Reaktionsperioden sollten deshalb kleinere Fehlerspannungen das
aktive Probentischrückkopplungssystem 22 bei von
Null verschiedenen Frequenzen ansteuern.
-
Für verschiedene
Abtastfrequenzen wird viel von dem Leistungsspektrum der von Zusammenstößen zwischen
der Spitze 26 und Höckern,
Tälern
und Stufen auf der Oberfläche 10 erzeugten
Kraftfehlerspannung gedämpft.
Insbesondere sollte die Reaktion des aktiven Kragarmrückkopplungssystems 20 den
Teil des Spektrums bei niedrigen Frequenzen dämpfen, zum Beispiel bei Frequenzen
in der Nähe mechanischer
Resonanzen des Probentischs 18. Aus diesem Grund sollte
dieser Teil des Frequenzspektrums der Ablenkfehlerspannung auch
signifikant während
der Periode gedämpft
werden, in der der Probentisch 18 substantielle zurückstellende
Verschiebungen als Reaktion auf solche mechanischen Störungen vornimmt.
Somit sollte der aktive elektronische Probentischcontroller 54 eine
Ausgangsspannung erzeugen, deren Leistungsspektrum bei mechanischen
Resonanzfrequenzen des Probentischs 18 stärker gedämpft ist
als das Leistungsspektrum des Probentischcontrollers in einem vergleichbaren AFM
mit entweder keinem piezoelektrischen Kragarmtreiber oder mit verschachtelten
Kragarm- und Probentischrückkopplungsschleifen.
-
Analog
sollte das Dämpfen
der Kraftfehlerspannung bei den mechanischen Resonanzen des Probentischs
auch die mit Umgebungsschwingungslärm assoziierten unerwünschten
Effekte reduzieren. Der Umgebungsschwingungslärm könnte ansonsten durch das aktive
Probentischrückkopplungssystem 22 verstärkt werden
und eine Bewegung des Probentischs 18 erzeugen. Bei Resonanzfrequenzen
würde eine
solche Bewegung Korrelationen zwischen gemessenen Ansteuerspannungen
und den tatsächlichen
Bewegungen der oberen Oberfläche
des Probentischs 18 reduzieren. Dies würde die Genauigkeit topographischer
Bilder reduzieren, die auf dem Bestimmen der y-Richtung-Position der oberen
Oberfläche
des Probentischs 18 für
das AFM 8, 8', 8'', 8''' basieren.
-
Unter
Bezugnahme auf die 1, 4, 5A und 5B implementieren
einige Ausführungsformen
der AFMs 8, 8', 8'', 8''' Subtrahierer 34, Kragarmcontroller 44,
Hochpaßfilter 46,
Bildprozessor 24 und/oder Probentischcontroller 54 digital
in softwaregesteuerter Hardware.
-
10 veranschaulicht
ein Verfahren 70 zum Betreiben eines AFM, z. B. des AFM 8, 8', 8'', 8''' von 1, 4, 5A oder 5B.
-
Das
Verfahren 70 beinhaltet das seitliche Führen einer Spitze eines flexiblen
mechanischen Kragarms über
eine Oberfläche
einer Probe (Schritt 72). Die Spitze kann z.B. die Spitze 26 des
Kragarms 14 von 1, 4, 5A oder 5B sein.
Der Abtastschritt kann beinhalten, einen piezoelektrischen Treiber
so anzusteuern, daß der
Probentisch die mit dem Abtasten assoziierten seitlichen Verschiebungen
vornimmt, z.B. da die piezoelektrischen Treiber 40 und
der aktive elektronische Probentischcontroller 54 den Probentisch 18 oder
die Probenplattform 38 antreiben. Beispielhafte Modi zum Durchführen des
Abtastschritts beinhalten Modi, wobei die Spitze in Kontakt mit
der Probe bleibt, Modi, wobei die Spitze regelmäßige Schwingungen über der
Probe in der x-Richtung oder z-Richtung durchführt, und Modi, wobei die Spitze
regelmäßig die Oberfläche der
Probe antippt.
-
Das
Verfahren 70 beinhaltet das Erzeugen eines Fehlersignals,
das die von der Probe des Kragarms während des Abtastens (Schritt 74)
ausgeübte vertikale
Kraft im wesentlichen darstellt. Das beispielhafte Ablenkdetektionssystem 16 erzeugt
ein derartiges Fehlersignal am Ausgangsport 36.
-
Das
Verfahren 70 beinhaltet das elektromagnetische Antreiben
des mechanischen Kragarms mit einem elektromechanischen Treiber
als Reaktion auf das Fehlersignal während des Abtastens (Schritt 76). Die
antreibende Bewegung erzeugt eine Verschiebung ohne eine Nullfrequenzkomponente.
Beispielsweise erzeugen der aktive elektronische Kragarmcontroller 44,
das Hochpaßfilter 46 und
der Verstärker 48 und
der piezoelektrische Treiber 50 zusammen eine Verschiebung
ohne eine Nullfrequenzkomponente. Insbesondere weist die Verschiebung
keine Nullfrequenzkomponente auf, weil die an den piezoelektrischen
Treiber 50 angelegte Spannung gefiltert worden ist, um
ihre Nullfrequenzkomponente zu entfernen.
-
Das
Verfahren 70 beinhaltet das vertikale Verschieben eines
die Probe tragenden Probentischs zum Anlegen niederfrequenter Komponenten
der rückstellenden
Bewegung an den Kragarm während des
Abtastens (Schritt 78). Beispielsweise erzeugt das aktive
Probentischrückkopplungssystem 22 eine vertikale
Verschiebung an der oberen Oberfläche der Probenplattform 38 mit
einer Nullfrequenzkomponente.
-
Aus
der Offenbarung, den Zeichnungen und Ansprüchen ergeben sich dem Fachmann
weitere Ausführungsformen
der Erfindung.