DE69010552T2

DE69010552T2 - Atomkraftmikroskop.

Info

Publication number: DE69010552T2
Application number: DE69010552T
Authority: DE
Inventors: Yoshimitsu Tokyo Enomoto; Hiroshi Suginami-Ku Tokyo Kajimura; Toshiaki Hachioji-Shi Tokyo Matsuzawa; Shuzo Hachioji-Shi Tokyo Mishima; Hirofumi Hachioji-Shi Tokyo Miyamoto; Yuzo Hachioji-Shi Tokyo Nakamura; Hiroko Hachioji-Shi Tokyo Ohta; Takao Hachioji-Shi Tokyo Okada; Yasushi Hachioji-Shi Tokyo Satoh; Tsugiko Hachioji-Shi Tokyo Takase
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1990-04-24
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2010-04-25
Also published as: DE69010552D1; US5260824A; EP0394962B1; EP0394962A2; EP0394962A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rasterkraftmikroskop.
Wenn das spitz zulaufende Ende bzw. die Spitze einer Sonde, die von einem Ausleger getragen wird, sehr dicht an die Oberfläche einer Probe herangeführt wird, dann wirkt eine sehr kleine anziehende oder abstoßende Kraft zwischen dem spitz zulaufenden Ende der Sonde und den Atomen auf der Oberfläche der Probe. Als Folge dieser zwischen- bzw. interatomaren Kraft wird der Ausleger wenn auch nur geringfügig gekrümmt oder versetzt.
Ein Rasterkraftmikroskop, daß diese geringfügige Versetzung des Auslegers benutzt, wird vorgeschlagen. Das Rasterkraftmikroskop detektiert die Versetzung des Auslegers für die Vermessung der zwischen den Atomen des spitz zulaufenden Endes der Sonde und den Atomen der Oberfläche der Probe wirkenden atomaren Kraft. Das Rasterkraftmikroskop erlaubt weiterhin die Beobachtung der Niveaus Atome der Oberfläche der Probe, indem die Probenoberfläche mit der Sonde abgetastet wird, wobei die interatomare Kraft auf einen konstanten Wert gehalten wird. Ein Beispiel eines derartigen Rasterkraftmikroskopes wird in einer Abhandlung von G. Binnig, C. F. Quate, Ch. Gerber et al. beschrieben, vergleiche Physical Review Letters, Band LVI, Nummer 9, März 1986, Seiten 930 bis 933.
Bekannte Verfahren zum Detektieren der Versetzung des Auslegers umfassen: ein Verfahren, das ein Rastertunnelmikroskop (scanning tunnel microscope = STM) verwendet, ein elektrostatisches Kapazitätsverfahren, ein Fotodetektionsverfahren, etc.
In dem Verfahren, das ein Rastertunnelmikroskop verwendet, wird eine Tunnelsonde an einer Seite (der Vorderseite) eines Auslegers derart befestigt, daß der Abstand zwischen der Tunnelsonde und der anderen Seite (der Rückseite) des Auslegers ausreichend kurz ist, um zwischen ihnen den Fluß eines Tunnelstromes zu erlauben. Die Versetzung des Auslegers wird auf der Grundlage der Variationen in dem Tunnelstrom gemessen.
In dem elektrostatischen Kapazitätsverfahren wird ein Plattenkondensator derart ausgebildet, daß seine eine Polplatte durch die Rückseite eines Auslegers gebildet wird (wobei die Rückseite die Seite ist, die der gegenüberliegt, an der die Probe befestigt ist). Die Versetzung des Auslegers wird auf der Grundlage von Variationen der elektrostatischen Kapazität gemessen.
Gemäß dem Fotodetektionsverfahren wird die Rückseite eines Auslegers derart ausgebildet, daß sie eine optisch reflektierende Fläche aufweist. Diese optisch reflektierende Fläche wird mit einem Laserstrahl bestrahlt. Änderungen des Reflexionswinkel eines Laserstrahles in Übereinstimmung mit der Versetzung des Auslegers und Änderungen, die in den Interferenzringen entstehen können, wenn der Laserstrahl, der von der optisch reflektierenden Oberfläche in ein Interferometer zurückgeführt wird, werden detektiert. Auf der Grundlage dieser Detektion wird die Versetzung des Auslegers gemessen.
Von dem vorbekannten Dokument "Review of Scientific Instruments, Band 59, Nummer 11, 1. November 1989, NY, Seiten 2337 bis 2340; von D. Ruger et al.: "Force Microscope using..." ist ein Verfahren bekannt, daß dem zuvor beschriebenen Fotodetektionsverfahren ähnlich ist. Gemäß dieses vorbekannten Lösungsansatzes wird ein faseroptisches Interferometer als ein Auslegerversetzungssensor in einem Rasterkraftmikroskop verwendet. Genauer gesagt wird ein Lichtstrahl von einem Laser kommend mittels optischen Mitteln einschließlich Polarisatoren auf den Kernbereich einer optischen Single-Mode-Faser (single mode optical fiber) fokussiert. Die in einer 360º Schleife angeordnete Faser dient als ein Äquivalent für eine Viertel-Wellenplatte und sie läuft in senkrecht gespaltenen Facetten dicht bei dem Ausleger aus, der die Sonde des Rasterkraftmikroskopes trägt. Ein Teil des durch die Faser übertragenen Lichtes wird von dem Ausleger reflektiert und betritt erneut die Faser. Das sich rückwärts ausbreitende Lichte verläßt die Faser und wird von einem Fotodetektor analysiert, der die Versetzung des Auslegers infolge der atomaren Kräfte zwischen der Sonde und der Probe detektiert.
Aus dem vorbekannten Dokument "Journal of Applied Physics, Band 61, Nummer 10, vom 15. Mai 1987, NY, Seiten 4723 bis 4729, von Y. Martin et al.: Atomic Force" ist ein Kraftmikroskop bekannt, das die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist. Das Mikroskop erlaubt eine präzise Messung der Kraft zwischen einer Spitze und einer Probe. Die Spitze ist an dem Ende eines Auslegers befestigt, der seinerseits auf einem piezoelektrischen Wandler befestigt ist. Der Wandler vibriert die Anordnung aus Ausleger und Spitze bei ihrer Resonanzfrequenz. Die Amplitude der Vibration wird mittels eines Laser-Heterodyn-Interferometers gemessen. Das diesem Lösungsansatz zugrundeliegende Prinzip besteht darin, daß die atomare Kraft zwischen der Spitze und der zu vermessenden Probe das Resonanzverhalten des Auslegerarmes beeinflußt. Das beeinflußte Resonanzverhalten wird seinerseits von dem Interferometer detektiert.
Eine Kombination aus einem Rastertunnelmikroskop und einem optischen Mikroskop wird in der WO-A-8901603 diskutiert. Die Rastertunneleinheit des Mikroskops ist mit einer Sonde ausgestattet, die in einem vorherbestimmten Abstand von einer Probe gehalten wird. Ein Stellglied bewegt die Probe und die Sonde in einer axialen Richtung, um sie bis auf einen Tunnelbereich zusammenzuführen, und es treibt sie relativ und dreidimensional an. Die Objektivlinse des optischen Mikroskops und die Sonde sind derart angeordnet, daß die zentrale Achse der Sonde sich in Übereinstimmung mit der optischen Achse der Objektivlinse des optischen Mikroskops befinden. Das System wird durch die Bewegung der Objektivlinse in axialer Richtung fokussiert und ein Bildfeld auf der STM-Beobachtungsoberfläche wird als optisches Bild durch ein Okular des optischen Mikroskops beobachtet.
Ein anderes Rastertunnelmikroskop, das mit einem optischen Mikroskop kombiniert ist, ist von den Anmeldern vorgeschlagen worden. Um eine STM-Messung innerhalb des Bildfeldes des optisches Mikroskops zu ermöglichen, umfaßt das Rastertunnelmikroskop eine transparente Glasplatte, die in einer Ebene senkrecht zu der optischen Beobachtungsachse des optischen Mikroskops angeordnet ist. Eine STM-Sonde ist aufrecht auf der transparenten Glasplatte parallel zu der optischen Beobachtungsachse angeordnet worden.
Ein weiterer Lösungsansatz wird in "IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 30, Nummer 5, 1. Oktober 1987, NY, Seiten 369 bis 370, "Optically transparent tip for Tunnelling Microscope" diskutiert. Gemäß dieses Dokumentes wird eine optisch transparente Spitze und ein Halter für die Spitze zwischen der zu untersuchenden Probe und dem Objektiv eines an sich bekannten optischen Mikroskops plaziert. Die vorgeschlagene Tunnelspitze besteht aus einem sehr spitz zulaufenden Glas- oder Kristallkörper, der mit einem dünnen, halb-transparenten Metallfilm beschichtet ist, der als Tunnelelektrode dient. Indem man eine optisch transparente Spitze und Halter für die Spitze verwendet, wird das Bildfeld des optischen Mikroskops nicht blockiert und die Positionierung der Spitze kann genau durch das Mikroskop überwacht werden.
Die Technik des Ausrichtens einer Meßposition durch Verwendung eines optischen Endoskops ist nicht nur für ein STM, sondern auch für ein AFM vorteilhaft zu verwenden.
Indessen belegt, wenn die Versetzung des Auslegers detektiert wird, indem ein STM auf der Rückseite des Auslegers vorgesehen wird, das STM nichtstestotrotz einen bestimmten Teil des Beobachtungsfeldes des optischen Mikroskops. Wenn die Versetzung des Auslegers unter Verwendung des elektrostatischen Kapazitätsverfahrens detektiert wird, belegt der Plattenkondensator einen bestimmten Bereich des Auslegers, so daß die Fläche des Auslegers um einen bestimmten Umfang erhöht werden muß. Demnach wird ein großer Raum parallel zur Oberfläche der Probe benötigt.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, daß weder die Bereitstellung des STM's noch die Verwendung des elektrostatischen Kapazitätsverfahrens für die Detektion der Versetzung des Auslegers wünschenswert ist, da das Beobachtungsfeld des optischen Mikroskops bei beiden Lösungsansätzen erheblich abgeblockt wird.
Demnach ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rasterkraftmikroskop bereitzustellen, daß es erlaubt, einen Meßteil in einer zuverlässigen Weise durch Verwendung eines optischen Mikroskops visuell zu bestätigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Rasterkraftmikroskop nach dem Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung noch verständlicher, die in Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung zu sehen ist, in der zeigt:
Fig. 1 eine teilsweise ausgeschnittene Vorderansicht, in der ein Rasterkraftmikroskop gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
Fig. 2 eine teilweise ausgeschnittene Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellt Rasterkraftmikroskopes;
Fig. 3 eine Ansicht, in der ein System dargestellt ist, das für die Messung einer Sondenversetzung verwendet wird, sowie ein optisches System, das für die Beobachtung einer Probenoberfläche verwendet wird, wobei beide optische Systeme in dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Rasterkraftmikroskop eingesetzt werden;
Fig. 4 eine Ansicht, in der das kritische Winkelverfahren illustriert ist, das in dem in Fig. 3 dargestellten optischen Sondenversetzungs-Meßsystem verwendet wird;
Fig. 5 ein Schaltkreisblockdiagramm eines Signalverarbeitungsschaltkreises, der für das kritische Winkelverfahren verwendet wird, das in Fig. 4 illustriert ist;
Figuren 6A-6B jeweils Drauf- und Seitenansichten eines Auslegers, der in dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Rasterkraftmikroskop verwendet wird;
Fig. 7 eine Ansicht eines anderen Auslegertyps, der in dem Rasterkraftmikroskop eingesetzt werden kann, das in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist;
Figuren 8A-8C Ansichten, die den Vorgang illustrieren, gemäß dem der in Fig. 7 dargestellt Ausleger hergestellt wird;
Figuren 9A-9C Ansichten, die den Vorgang illustrieren, mit dem die in den Figuren 6B und 7 gezeigten Sonden hergestellt werden;
Fig. 10 eine Ansicht des Fadenkreuzes, das von dem optischen Sondenversetzungs-Meßsystem verwendet wird;
Fig. 11A-11B jeweils Schnitt- und Unteransichten, in denen jeweils eine Modifikation des Sondentreibersystemes dargestellt ist, das in dem Rasterkraftmikroskop verwendet wird, das in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist;
Fig. 12 eine Ansicht, in der eine weitere Modifikation des Auslegertreiberkreises dargestellt ist, der in dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Rasterkraftmikroskop verwendet wird;
Fig. 13 eine Ansicht, in der ein Typ eines Auslegers dargestellt ist, der in einem Rasterkraftmikroskop gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, wobei der Ausleger nicht nur eine Beobachtung der Probe unter Verwendung einer interatomaren Kraft erlaubt, sondern gleichfalls eine Beobachtung der Probe basierend auf den optischen Prinzipien; und
Fig. 14 eine Ansicht eines weiteren Typs von Ausleger, der in dem Rasterkraftmikroskop gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, wobei der Ausleger nicht nur die Beobachtung der Probe unter Verwendung einer interatomaren Kraft erlaubt, sondern auch die Beobachtung der Probe basierend auf den optischen Prinzipien.
Ein Rasterkraftmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 wird eine Vorrichtung 10 (d. h. ein Mikroskop) im wesentlichen mit einem Proben-Bühnen-Bewegungsmechanismus 12 ausgestattet, einem Sondentreibersystem 14, einem optischen Sonden-Versetzungs- Meßsystem 16 und einem optischen Proben-Oberflächen-Beobachtungssystem 18. Der Proben-Bühnen-Bewegungsmechanismus 12 wird auf einem vibrationssicheren Sockel 30 befestigt, der beispielsweise unter Verwendung einer Luftfeder druckgesteuert ist. Der Proben-Bühnen-Bewegungsmechanismus 12 umfaßt eine XY-Bühne 35. Diese XY-Bühne 35 ist in einem Raum angeordnet, der definiert wird durch: einen rechteckigen Sockelteil 31, der auf dem vibrationsgesicherten Sockel 30 plaziert ist, Stützpfähle 32a, 32b, die aufrecht auf den jeweiligen Ecken des Sockelteiles 31 stehen; und eine Stützsockelplatte 33, die an den Oberseiten der Stützpfähle 32a, 32b mittels Bolzen 34 befestigt ist.
Die XY-Bühne 35 enthält einen X-Achsen-Sockelsitz 36, auf dem eine Schlitten-bzw. Gleitplatte 37 zur Bestimmung einer X-Achsenposition derart vorgesehen ist, daß sie in Richtung einer X-Achse gleitend verschiebbar ist (angedeutet durch X in Fig. 1). Die XY-Bühne 35 enthält weiterhin einen Y-Achsen-Sockelsitz 38, auf dem eine Schlittenplatte 39 zum Bestimmen der Position einer Y-Achse derart vorgesehen ist, daß sie in Richtung der Y-Achse gleitend verschiebbar ist (angedeutet mit Y in Fig. 2). Wenn ein X-Achsentreibrad 40 gedreht wird, wird ein Treibstab 40a mittels eines Förderschneckenmechanismusses (nicht dargestellt) vorgeschoben bzw. zurückgezogen, mit dem Ergebnis, daß die Schlittenplatte 37 zur Bestimmung einer X- Position für die Grobjustage verschoben wird. Auf ähnliche Weise wird, wenn eine Y-Achsentreibrad 41 gedreht wird, ein Treibstab 41a mittels eines Förderschneckenmechanismusses (nicht dargestellt) vorgeschoben bzw. zurückgezogen, mit dem Ergebnis, daß die Schlittenplatte 39 zur Bestimmung einer Y-Achsenposition für eine Grobjustage verschoben wird.
Ein piezoelektrisches Stellglied 42 vom Laminationstyp, das für die Abtastung in der Richtung der Y-Achse verwendet wird, wird auf der Schlittenplatte 39 befestigt. Mit einer treibenden Kraft, die von dem Stellglied 42 erzeugt wird, wird ein Y-Tisch 43 für die Feinjustage in Richtung der Y- Achse entlang der Oberfläche der Schlittenplatte 39 bewegt. Ein piezoelektrisches Stellglied 44 vom Laminationstyp, das für eine Abtastung in Richtung der X-Achse verwendet wird, wird auf dem Y-Tisch 43 befestigt. Mit einer treibenden Kraft, die von dem Stellglied 44 erzeugt wird, wird ein X- Tisch 45 für die Feinjustage in Richtung der X-Achse entlang der Oberfläche des X-Tisches 45 bewegt. Die maximale Entfernung, in der der X-Tisch 45 und der Y-Tisch 43 positionsgesteuert werden, beträgt 50um.
Eine sogenannte Tripode bzw. ein Dreibein 46 (d. h. ein Feinjustageelement), das drei piezoelektrische Körper 46a vom Laminationstyp aufweist, die senkrecht zueinander angeordnet sind, wird auf dem X-Tisch 45 angeordnet. Eine Probenbühne 51, auf der eine Probe 20 zu plazieren ist, wird mit der Tripode 46 verbunden, mit einem dazwischen gelagerten Trageteil 46b. Die drei piezoelektrischen Körper 46a des Dreibeins 46 erstrecken sich jeweils in Richtung der X- Achse, der Y-Achse und der Z-Achse. Sie sind mit einem Ende an dem Trageteil 46b befestigt (das an der unteren Seite des Probenbühne 51 befestigt ist) und sie sind mit ihrem anderen Ende jeweils mit drei Wandteilen (die sich senkrecht zueinander befinden) des Sockelteiles 46c des Dreibeins 46 verbunden. Durch Verwendung einer treibenden Kraft, die von dem Dreibein 46 erzeugt worden ist, wird die Probenbühne 51 relativ zu dem X-Tisch 55 jeweils in Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse bewegt, und zwar innerhalb eines Abstandes von weniger als 15um. Die obere Seite der Probenbühne 51 ist innerhalb einer Öffnung in dem Zentrum der Stützsockelplatte 53 ausgebildet und die Probe 20 wird auf der oberen Seite der Probenbühne 51 plaziert.
Eine Säule 53, die auf ihrer Oberseite eine sich horizontal erstreckende Motortrageplatte 54 aufweist, wird an dem Teil der Stützsockelplatte 33 befestigt, der sich oberhalb des Stützpfahles 32b befindet. Ein Motor 55 wird an der Motortrageplatte 54 befestigt, wobei sich sein Rotationsschaft vertikal erstreckt. Eine manuelle Drehscheibe 56, die einen sich von einem umfangsseitigen Teil von ihr erstreckenden Antriebsstift 57 aufweist und die für die Grobjustage verwendet wird (d. h. für die Schnellzuführungsjustage), wird an dem sich nach oben erstreckenden Teil des Rotationsschaftes des Motors 55 befestigt. Der sich nach unten erstreckende Teil des Rotationsschaftes des Motors 55 erstreckt sich durch eine Reibkupplung 58, er wird vertikal von einem Haltestück 53a der Säule 53 drehbar gehaltert und er wird mit einem Schaft 59 gekoppelt. Dieser Schaft 59 weist einen Förderschneckenteil auf, der mit der Zuführungsnut 60a eines Halters 60 für das optische System in Dreheingriff steht. Der optische Systemhalter 60 weist ein Haltestück 60b auf, das mit einem proximalen Endteil einer optischen Kopfbefestigungsplatte 62 verbunden ist. Die Seitenteile dieser Befestigungsplatte sind mit jeweiligen linearen Schlittenlagermechanismen 64 verbunden, die auf der Oberseite der Stützpfähle 63 vorgesehen sind, die aufrecht auf der Stützsockelplatte 33 stehen. Jeder lineare Schlittenlagermechanismus 64 besteht aus einem Gehäuse bzw. einer Ummantelung, die mit der Befestigungsplatte 62 verschraubt ist, sowie einem Schlittenlager, das innerhalb der Ummantelung angeordnet ist. Jeder lineare Schlittenlagermechanismus 64 ist um die äußere Wand des entsprechenden Stützpfahles 63 herum eingepaßt. Das untere Ende eines jeden linearen Schlittenlagermechanismusses 64 ist mit dem Stützpfahl 63 mittels einer Gegenschraube 65 verbunden.
Ein optisches System 18 zum Beobachten der Probenoberfläche (das einen Mikroskop-Okularbereich 66, einen Videokamera-Befestigungszylinder 67, ein Beleuchtungselement 68 zur Beobachtung, etc. enthält) wird mit der oberen Seite der Befestigungsplatte 62 verbunden. Ein optisches System 16 zur Messung einer Sondenversetzung (das eine Objektivlinse 83 enthält) und ein Sondentreibersystem 14 werden unterhalb der Befestigungsplatte 62 angeordnet. Das optische Probenversetzungs-Meßsystem 16 ist mit dem Befestigungsblock 81 einer Feinjustage-Treibereinrichtung 80, die entlang einer Achse bewegbar ist, verbunden und ist von ihr lösbar. Der Befestigungsblock 81 kann mittels eines piezoelektrischen Stellgliedes 82 vom Laminationstyp vertikal bewegt werden, das mit der vertikalen Platte 60c des optischen Systemhalters 60 verbunden ist. Demgemäß kann das optische Sonden-Versetzungsmeßsystem 16 von dem piezoelektrischen Stellglied 82 von Laminationstyp geringfügig in vertikaler Richtung bewegt werden.
Das optische Probenoberflächen-Beobachtungssystem 18 und das optische Sondenversetzungs-Meßsystem 16 werden nun unter Bezugnahme auf die Fig. 3 beschrieben.
Das beleuchtende Licht, das von der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 68 emittiert worden ist, wird zunächst von einer Linse 97 kollimiert und dann mittels eines Halbspiegels bzw. Strahlteilers 92 nach unten reflektiert. Das von dem Halbspiegel 92 reflektierte beleuchtende Licht tritt durch einen Filter 91 hindurch, einen Halbspiegel 85 und eine λ/4-Wellenplatte 84 und es fällt dann auf eine Objektivlinse 83. Durch das auf die Objektivlinse 83 fallende Licht wird die gesamt Probe 20 beleuchtet. Das von der Probe 20 reflektierte Licht tritt durch die Objektivlinse 83 durch, durch die λ-Viertelplatte 84, den Halbspiegel 85 und den Halbspiegel 92, um dann auf eine lichtfokussierende Linse 93 zu fallen. Durch diese lichtfokussierende Linse 93 trifft das Licht auf ein Prisma 94 auf. Ein Teil des Lichtes, das auf das Prisma 94 auftrifft, wird von einer Oberfläche des Prismas 94 reflektiert, so daß es ein Okular 95 betritt, der verbleibende Teil des Lichtes tritt durch das Prisma 94 hindurch, so daß es eine Videokamera 98 betritt, die ein CCD-Element oder ähnliches beherbergt. In der Videokammer 98 wird das Licht in ein Videosignal konvertiert, und dieses Videosignal wird an einen Videomonitor 99 zur Sichtbarmachung des Videosignales angelegt. Im übrigen ist die λ-Viertelplatte 84 leicht bezüglich des optischen Pfades verkippt, so daß das von der Probe 20 reflektierte Licht nicht direkt das optische Oberflächenbeobachtungssystem 18 betritt. Demgemäß ist das Bild innerhalb des Bildfeldes klar und frei von Streulicht.
Zwischenzeitlich wird der von der Laserdiode 87 emittierte Laserstrahl zunächst mittels einer Kollimationslinse 90 kollimiert und er trifft dann auf einen Polarisationsstrahlteiler 86. Der von diesem Strahlteiler 86 reflektierte Laserstrahl wird dann weiter von dem Halbspiegel 85 reflektiert und trifft auf die λ-Viertelplatte 84. Beim Hindurchtreten durch die λ-Viertelplatte 84 wird der Laserstrahl von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht konvertiert. Der derart konvertierte Laserstrahl wird auf die obere Seite des Auslegers 22 mittels der Objektivlinse 83 abgebildet, so daß der Konvergenzpunkt bei der Sonde 21 liegt. Der von der oberen Seite des Auslegers 22 reflektierte Laserstrahl tritt durch die Objektivlinse 83 hindurch, sowie durch die λ-Viertelplatte 84 und er wird von dem Halbspiegel 85 in Richtung des Polarisationsstrahlteilers 86 reflektiert. Beim Hindurchtreten durch die λ-Viertelplatte 84 wird der von dem Ausleger 22 reflektierte Laserstrahl in linear polarisiertes Licht zurückkonvertiert, so daß die Vibrationsebene des Laserstrahles, der die λ-Viertelplatte 84 verläßt, um 90º im Vergleich zu der des Laserstrahls gedreht ist, der in die λ-Viertelplatte 84 eingegeben wird. Der von dem Halbspiegel 85 reflektierte und den Polarisationsstrahlteiler 86 betretende Laserstrahl wird in zwei Laserstrahlen aufgeteilt. Einer von diesen zwei Laserstrahlen trifft auf ein erstes lichtempfangendes Element 89a mit zwei Komponenten, nachdem es durch ein erstes Prisma unter kritischem Winkel 88a hindurchgetreten ist, während der andere Laserstrahl auf ein zweites lichtempfangendes Element 89b mit zwei Komponenten trifft, nachdem es durch ein zweites Prisma 88b unter kritischem Winkel hindurchgetreten ist.
Das Verfahren des kritischen Winkels wird verwendet, um die Position des Auslegers 22 zu detektieren. Die Prinzipien, die dem kritischen Winkelverfahren zugrundeliegen, werden kurz unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 erläutert.
Bei dem kritischen Winkelverfahren wird ein kritisches Winkelprisma c derart angeordnet, daß seine reflektierende Oberfläche einen kritischen Winkel bezüglich den von einer Linse b kommenden kollimierten Lichtstrahlen bildet.
Wenn die reflektierende Oberfläche a eines gegebenen Objektes bei der Position angeordnet ist, die in Fig. 4 mit der durchgezogenen Linie B angedeutet ist (d. h. wenn sich der Strahl im Fokus befindet), dann wird der von der reflektierenden Oberfläche a reflektierte Lichtstrahl von der Linse b kollimiert und er trifft dann auf das kritische Winkelprisma c. Der Lichtstrahl wird von der reflektierenden Oberfläche des Prismas c totalreflektiert und der gleiche Lichtbetrag wird zu einer jeden Fotodiode eines lichtempfangenden Elementes mit zwei Komponenten geführt.
Wenn sich die reflektierende Oberfläche a bei einer Position befindet, die in Fig. 4 durch die gestrichelte Linie c angedeutet ist (d. h., wenn die reflektierende Oberfläche a sich dichter an der Linse b befindet, als der Brennpunkt der Linse b), dann wird der von der reflektierenden Oberfläche a reflektierte Lichtstrahl zu einem divergenten Lichtstrahl, wenn er durch die Linse b hindurchtritt, wobei er dann auf das kritische Winkelprisma c auftrifft. Umgekehrt wird, wenn die reflektierende Oberfläche a bei einer Position angeordnet ist, die durch die gestrichelte Linie A in Fig. 4 angedeutet ist (d. h. wenn sich die reflektierende Oberfläche weiter von der Linse b entfernt befindet als der Brennpunkt der Linse b), der von der reflektierenden Oberfläche a reflektierte Lichtstrahl zu einem konvergenten Lichtstrahl, wenn er durch Linse b hindurchtritt und er trifft dann auf das kritische Winkelprisma c. In beiden Fällen ist der auf das kritische Winkelprisma c einfallende Lichtstrahl kein kollimierter Lichtstrahl. Daher treffen nur die Zentralstrahlen des Lichtstrahles auf das Prisma c unter dem kritischen Winkel auf. Die Strahlen, die entlang einer Seite des Zentralstrahles laufen, treffen auf das Prisma c unter einem Winkel auf, der enger ist als der kritische Winkel, so daß ein Teil von ihnen zu der Außenseite des Prismas c geführt wird, wobei der verbleibende Teil von dem Prisma c reflektiert wird. Die Strahlen, die entlang der anderen Seite der Zentralstrahlen laufen, treffen auf das Prisma c unter einem Winkel auf, der größer ist als der kritische Winkel, so daß sie von dem Prisma c totalreflektiert werden. Als ein Ergebnis hiervon unterscheidet sich die Lichtmenge, die eine Fotodiode empfängt, von der Lichtmenge, die die andere empfängt. Demgemäß wird ein Signal entsprechend der Differenz des Lichtbetrages von einem Ausgangsanschluß f erzeugt, nachdem es von einem Differenzverstärker e verstärkt worden ist. Dies bedeutet, daß die Position der reflektierenden Oberfläche a als Lichtbetragsdifferenz zwischen den Detektorteilen des lichtempfangenden Elementes d mit zwei Komponenten detektiert wird.
Wie aus dem obigen deutlich wird, werden Lichtstrahlen, die auf ein kritisches Winkelprisma unter einem Winkel fallen, der kleiner ist als ein kritischer Winkel, teilweise zur Außenseite des Prismas geführt, und zwar jedesmal, wenn sie auf eine reflektierende Oberfläche treffen. Als ein Ergebnis hiervon wird die Lichtmenge erheblich reduziert. Daher wird der Unterschied im Lichtbetrag zwischen den Lichtstrahlen, die unter einem Winkel auftreffen, der kleiner ist als der kritische Winkel und den Lichtstrahlen, die unter einem Winkel auftreffen, der größer ist als der kritische Winkel, immer größer, und zwar jedesmal, wenn die Lichtstrahlen auf eine reflektierende Fläche treffen. Um die Meßgenauigkeit zu verbessern, ist es daher wünschenswert, daß die Lichtstrahlen von der reflektierenden Oberfläche des kritischen Winkelprismas mehrfach reflektiert werden. In dem Fall dieser Ausführungsform wird das Detektionslicht innerhalb des kritischen Winkelprismas zweimal reflektiert. Ein Ausgang von einer Fotodiode PD1 des ersten lichtempfangenden Elementes wird an den invertierten Eingangsanschluß eines Komparators 102 angelegt, und ein Ausgang der anderen Fotodiode PD2 wird an den nicht-invertierten Eingangsanschluß des gleichen Komparators 102 angelegt. Demgemäß erzeugt der Komparator 102 ein Signal, das der Differenz zwischen den Ausgängen der Fotodioden PD1 und PD2 entspricht. Auf ähnliche Weise wird ein Ausgang von einer Fotodiode PD3 des zweiten lichtempfangenden Elementes an den invertierten Eingangsanschluß eines Komparators 104 angelegt, und ein Ausgangsanschluß der anderen Fotodiode PD4 wird an den nicht-invertierten Eingangsanschluß des gleichen Komparators 104 angelegt. Demgemäß erzeugt der Komparator 104 ein Signal, daß dem Unterschied zwischen den Ausgängen der Fotodioden PD3 und der Fotodiode PD4 entspricht. Die von dem Komparatoren 102 und 104 erzeugten Signal werden addiert und ein durch diese Addition erhaltenes Signal wird an einen der paarigen Eingangsanschlüsse eines Komparators 106 angelegt, wo es mit einem Referenzwert verglichen wird. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird von dem Komparator 106 ausgegeben. Auf diese Weise wird ein Signal entsprechend der Lichtbetragsdifferenz zwischen dem Bereich auf der einen Seite des Strahlspots auf dem lichtempfangenden Element mit zwei Komponenten und dem Bereich auf der anderen Seite des Strahlspots (das Signal stellt die Position des Auslegers 22 dar) von einem Eingangsanschluß 108 ausgegeben.
Unter erneuter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ist das Sondentreibersystem 14 des optischen Sondenverschiebungsmeßsystems 16 aufgebaut aus:
einem Ausleger 23, der auf sich eine Sonde 21 aufweist; einem Dreibein 23, um den Ausleger 22 geringfügig zu bewegen; und einem Mechanismus zur Einführung des Auslegers 22 in den Bereich zwischen der Objektivlinse 83 und der Probe 20 und zum Herausziehen des Auslegers 22 aus dem Bereich. Die Sonde 21 ist an dem freien Ende des Auslegers 22 angeordnet und das andere Ende des Auslegers 22 wird durch ein Trageteil 23b eines Dreibeins 23 (das piezoelektrische Körper 23a senkrecht zueinander enthält) getragen. Das Dreibein 23 wird an seinem Sockelteil 23c vom einem Teil 24 getragen, das für einen Halter 25 gleitend bereitgestellt ist. Das Dreibein 23 kann in lateraler Richtung bewegt werden, wie man der Fig. 1 entnehmen kann, und zwar durch einen Treiberstab 27, der von einem Schrittmotor 26 bewegt wird. Mit dieser Konstruktion kann die Sonde 21 in den Bereich zwischen der Objektivlinse 83 und der Probe 20 eingeführt werden, oder aus diesem Bereich herausgezogen werden.
Wie man den Figuren 6A und 6B entnehmen kann, weist der Ausleger 22 einen Diamant- oder Wolframtaster an einer seiner Seiten auf, und dieser Taster dient als die oben erwähnte Sonde 21. Auf der anderen Seite des Auslegers 22 wird unter Verwendung von Lithographietechniken eine Markierung 28 gebildet, um den Punkt der Spitze der Sonde 21 anzudeuten.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines anderen Types von Ausleger, der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In dem Fall dieses Beispieles ist der Ausleger 22 aus Si gebildet und die Sonde 21 und die Markierung 28, die sich auf den jeweiligen Seiten des freien Endes des Auslegers 22 befinden, werden unter Verwendung der Mikrofabrikation hergestellt. Die "Mikrofabrikation" wird auch als Mikrobearbeitung (micro machining) oder Mikrodynamik (micro dynamics) bezeichnet und sie betrifft eine Technik, die auf der Grundlage der Technologie zur Herstellung von Halbleitereinrichtungen entwickelt worden ist. Wenn der Ausdruck "Mikrofabrikation" verwendet wird, dann betrifft er nicht eine Technik zur Herstellung einer rein elektrischen Einrichtung, wie einen IC, sondern er deutet eine Technik zur Herstellung einer Einrichtung an, von der mechanische Bewegungen verlangt werden, oder deren mechanische Form eine wichtige Rolle spielt. Beispielsweise kann die Technik, die von Kurt E. Petersen, in "Silicon As a Mechanical Material, Proceedings of the ITTT", 70 (1982) 420 als Mikrofabrikation betrachtet werden. Das anisotrope Ätzen und das isotrope Ätzen sind typische Beispiele für die Hauptprozessen, die in der Mikrofabrikation verwendet werden.
Der in dem Rasterkraftmikroskop verwendet Ausleger 22 sollte dünn und leichtgewichtig sein, um den Großteil der Bewegung der Sonde 21 mitzumachen. Gleichzeitig sollte indessen sein Trageteil 22a eine bestimmte mechanische Stärke aufweisen, und zwar für die leichte Befestigung des Auslegers 22 an dem Mikroskop oder für das leichte Ersetzen des Auslegers 22 gegen einen anderen. Um diese Bedingungen zu erfüllen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Auslegertrageplatte eingesetzt. Die Dicke dieser Auslegertrageplatte entspricht nahezu der Dicke eines Si-Wafers, der für die Bildung des Auslegers verwendet wird.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren 8A bis 8B eine Beschreibung des Herstellungsvorgangs des Auslegers 22 gegeben. Zunächst wird die untere Seite (d. h. die hintere Seite) eines Si-Wafers 70 anisotrop geätzt, und zwar unter Verwendung von Si&sub3;N&sub4; als Maske (Fig. 8A). Daran anschließend wird ein optischer Reflexionsfilm 29 auf der oberen Seite des Si-Wafers 70 gebildet. Zwischenzeitlich oxidiert die untere Seite des Si-Wafers 70 in der umgebenden Atomsphäre, so daß sich ein SiO&sub2;-Film 71 an der unteren Seite bildet. Eine Markierung 28 und eine Sonde 21 werden auf einem dünnen Teil gebildet, der durch das anisotrope Ätzen erhalten worden ist, und zwar derart, daß sich die Markierung 28 auf der oberen Seite und die Sonde 21 auf der unteren Seite befindet (vergl. Fig. 8B). Schließlich wird der Si-Wafer 70 von der unteren Seite unter Verwendung eines reaktionsfreudigen Ionenplasmas geätzt, um einen Auslegerteil aus dem Si-Wafer 70 zu schneiden. Auf diese Weise wird der in Fig. 7 gezeigte Ausleger 22 hergestellt.
Wie zuvor erwähnt, kann die Sonde und die Markierung simultan in dem gleichen Vorgang hergestellt werden. Da somit die Probe und die Markierung genau in der vertikalen Richtung ausgerichtet werden können, ist es dem Ausleger erlaubt, die beabsichtigten Dimensionen aufzuweisen. Darüber hinaus können Ausleger mit einer einheitlichen Qualität für die Verwendung als Ersatzteil hergestellt werden.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren 9A bis 9C eine Beschreibung gegeben, wie die Sonde 21 und die Markierung 28 gebildet werden. Um die Sonde 21 oder die Markierung 28 zu bilden, wird ein Maskenmuster 73 vorbereitet, das eine Öffnung 74 aufweist. Dieses Maskenmuster 73 wird dicht benachbart zu der Seite des Si-Wafers 70 angeordnet, auf der die Sonde 21 oder die Markierung 28 gebildet werden soll, wie in Fig. 9A dargestellt. Daran anschließend wird ein leitendes Material auf den Si-Wafer 70 von der Richtung her abgeschieden, die in Fig. 9B mit den Pfeilen angedeutet ist. Eine Markierung 28 wird auf dem Si- Wafer 70 gebildet, indem die Abscheidung gestoppt wird, wenn das auf dem Si-Wafer 70 abgeschiedene leitende Material 76 noch in der Form eines Kegelstumpfes vorliegt (vergl. Fig. 9B). Um die Sonde 21 zu bilden wird die Abscheidung fortgesetzt, bis das Loch 74 vollständig mit dem leitenden Material 76 gefüllt ist, das über der Maske 73 abgeschieden wird. In dem man so verfährt wird eine Sonde 21 gebildet, die eine konische Form aufweist, wie in Fig. 9C dargestellt.
Das Material des Auslegers ist nicht auf Si beschränkt, es kann in Übereinstimmung mit dem Anwendungsgebiet bestimmt werden, in dem das Mikroskop verwendet werden soll. Oben ist ein Ausleger beschrieben worden, der durch das Ätzen des Si-Wafers 70 erzeugt worden ist. Indessen kann der Sockelteil des Si-Wafers 70 weiter in einer derartigen Weise geätzt werden, daß der Ausleger durch einen dünnen Film aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, polykristallinem Si, Al , etc. gebildet wird, die durch die Kombination von sowohl einer Ätztechnik als auch einer Filmabscheidungstechnik erhalten werden (wie beispielsweise CVD, Abscheidung, Zerstäubung oder ähnliches).
Im folgenden wird eine Beschreibung gegeben, wie eine Probe zu vermessen ist. Zunächst wird der Ausleger 22 in den Bereich innerhalb des Sichtfeldes des optischen Mikroskopes unter Verwendung des Schrittmotors 26 und des Dreibeines 23 bewegt. Dann wird der Ausleger 22 derart justiert, daß seine Markierung 28 sich in dem Zentrum der gekreuzten Linien 78 des Fadenkreuzes 77 (vergl. Fig. 10) des optischen Mikroskopes befindet, und die justierte Position des Auslegers wird auf der Grundlage der Schrittzählung des Schrittmotors und/oder der an dem Dreibein 23 angelegten Spannung aufgezeichnet. In dem Fall, in dem eine Videokammer 98 verwendet wird, wird der Ausleger 22 derart justiert, daß seine Markierung 28 sich in dem Zentrum des kreuzförmigen Cursors des Videomonitors 99 befindet. Dann wird der Ausleger 22 aus dem Sichtfeld des optischen Mikroskopes unter Verwendung des Schrittmotors 26 entfernt. Dann wird, wobei die Probe 20 (bezüglich der sich das optische Mikroskop im Fokus befindet) durch das Okular 95, die Videokamera 98 oder den Videomonitor 99 beobachtet wird, die XY-Bühne 35 angetrieben, bis sich ein Meßteil (d. h. ein zu vermessender Teil) der Probe 21 im Zentrum der kreuzförmigen Linien 78 oder des kreuzförmigen Cursors befindet. Nachdem die Probe 20 auf diese Weise positioniert worden ist, werden das Dreibein 46 und der Proben-Bühnenbewegungsmechanismus 12 verriegelt gehalten, bis die AFM-Messung (d. h. die Messung, die ein Rasterkraftmikroskop einsetzt) durchgeführt worden ist. Daran anschließend wird unter Verwendung des Schrittmotors 26 und des Dreibeins 23 die Markierung 28 des Auslegers 22 erneut auf das Zentrum der kreuzförmigen Linien 78 justiert, und zwar auf Grundlage der aufgenommenen Pulszählung und/oder der aufgenommenen Spannung. Indem man dieser Prozedur folgt, kann das Ende der Spitze der Sonde 21 des Auslegers 22 auf den Meßteil der Probe 20 justiert werden. Während der AFM-Messung wird eine zwei-dimensionale Abtastung unter Verwendung der Dreibeine 23 oder 46 durchgeführt. Während dieser zwei-dimensionalen Abtastung wird die Verschiebung des Auslegers 22 (und zwar die Verschiebung, die durch die Kraft bedingt ist, die zwischen den Atomen des Endes der Spitze der Sonde 21 und einem Atom der Probe 20 wirkt) durch das optische Sondenverschiebungsmeßsystem 16 gemessen. Die gemessene Verschiebung wird auf einem CRT-Monitor dargestellt.
Der Ausleger 22 kann aus dem Bereich zwischen der Objektivlinse 83 und der Probe 20 nicht nur durch den oben erwähnten Mechanismus eingeführt oder herausgezogen werden, sondern gleichfalls durch die in den Figuren 11A und 11B dargestellten Mechanismen. Unter Bezugnahme auf die Figuren 11A und 11B weist ein Ausleger 23 eine Markierung 28 und eine Sonde 21 auf, die auf seinen jeweiligen Seiten ausgebildet sind. Der Ausleger 22 weist einen Trageteil 115 auf, der durch die Verwendung von drei dünnen Platten 116, 117 und 118 eingeklemmt wird, sowie durch einen Armteil 112, der sich von den dünnen Platten 116, 117 und 118 erstreckt. Die dünnen Platten 116, 117 und 118 weisen eine gemeinsame Öffnung 119 auf, durch die ein Schaft 121, der sich durch die Öffnung 119 von einem fixierten Ring 120 erstreckt, eingeführt wird. Ein Schleifring 126 wird um den Schaft 121 herum eingepaßt und dieser Schleifring 126 trägt die dünnen Platten 116, 117 und 118 derart, daß der Ausleger 22 gedreht werden kann. Der fixierte Ring 120 weist einen federnden Anschlag 123 auf, um eine L-förmige Feder 122 zu befestigen. Ein Ende der L-förmigen Feder 122 stößt an einen Stopperblock 124 an, und der Ausleger 22 wird daran gehindert, sich über eine bestimmte Position in Uhrzeigerrichtung hinaus zu drehen, die in Fig. 11A durch den Pfeil R angedeutet ist. Der fixierte Ring weist weiterhin einen Positionierblock 125 auf. Dieser Positionierblock 125 stößt an den Ausleger 22 an, so daß die Position des Auslegers 22 genau unter Bezugnahme zu der Drehung im Gegenuhrzeigersinn (in Fig. 11A durch den Pfeil L angedeutet) der L-förmigen Feder 122 bestimmt werden. Der fixierte Ring 120 weist einen Außenschraubenteil 127 auf, der sich senkrecht zu dem Ausleger 22 erstreckt, und dieser Außenschraubenteil 127 steht mit einem Innengewindeteil 128 der Objektivlinse 83 in Eingriff. Wenn der Ausleger 22 gegen den Positionierblock 125 stößt, ist seine Markierung 28 in dem Zentrum der kreuzförmigen Linien des Fadenkreuzes angeordnet. Der Ausleger 22 gemäß dieser Ausführungsform kann leicht aus dem Sichtfeld gedreht werden, indem man die Endteile der dünnen Platten 116 bis 118 (die sich auf einer Linie befinden, die sich von dem Trageteil 115 erstreckt) im Uhrzeigersinn mit Fingern dreht, oder indem man geeignete Mittel verwendet.
Fig. 12 zeigt einen weiteren Mechanismus, der für die Einführung des Auslegers 22 in den Bereich zwischen der Objektivlinse 83 und der Probe 20 verwendet werden kann, oder für das Herausziehen des Auslegers 22 aus dem Bereich. In diesem Mechanismus wird eine Feder 129 zwischen dem Ausleger 22 und dem Dreibein 23 angeordnet. Die Feder 129 ist dünn, wenn man sie von oben betrachtet, und sie kann in einer horizontalen Richtung gekrümmt sein. Demgemäß wird es dem Ausleger 22 erlaubt, mit dem Dreibein 23 als Zentrum horizontal zu schwingen. Da es der Feder 129 nicht erlaubt ist, sich in vertikaler Richtung zu krümmen, übt sie auf die Verschiebung des Auslegers 22 keinen nachteiligen Einfluß aus. Die Sonde 21 kann aus dem Sichtfeld des optischen Systemes herausbewegt werden, indem man eine externe Kraft auf die Feder 129 in ihrer Krümmungsrichtung anwendet, und zwar unter Verwendung eines geeigneten Mittels (nicht dargestellt). Die Sonde 21 kehrt elastisch zu ihrer ursprünglichen Position zurück, wenn man die Feder von der externen Kraft entlastet.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben, bei der eine Probe optisch beobachtet werden kann, und zwar simultan zu der Beobachtung der Probe unter Verwendung einer interatomaren Kraft.
Der Ausleger 22 und die Sonde 21, die in dieser alternativen Ausführungsform verwendet werden, sind in Fig. 13. dargestellt. Der Ausleger 22 weist eine spiegelnd polierte Oberfläche auf der oberen Seite seines distalen Endteiles auf. Von der unteren Seite des distalen Endteiles des Auslegers 22 erstreckt sich die Sonde 21 geneigt in die untere Richtung derart, daß ihr Spitzenende von dem distalen Ende des Auslegers 22 hervorschaut, wenn man ihn von oben betrachtet. Das beleuchtende Licht des optischen Proben-Oberflächen-Beobachtungssystemes 18 wird veranlaßt, auf das Spitzenende der Sonde 21 zu fallen, während der Laserstrahl des optischen Sondenverschiebungsmeßsystemes 16 veranlaßt wird, auf den freien Endteil (d. h. dem distalen Endteil) des Auslegers 22 zu fallen. Anders ausgedrückt ist der optische Pfad des beleuchtenden Lichtes des optischen Systemes 18 von dem des Laserstrahles des optischen Systemes 16 verschieden. Mit dieser Konstruktion kann eine Probe 20 optisch beobachtet werden, und zwar simultan zu der Detektion der Verschiebung der Sonde 21.
Das Sondentreibersystem 14 der obigen Ausführungsform muß keinen Mechanismus zur Einführung des Auslegers 22 oder für sein Zurückziehen aus dem Bereich zwischen der Objektivlinse 83 und der Probe 20 einsetzen. In dem Fall, in dem das Sondentreibersystem 14 kein derartiges System einsetzt, kann der Ausleger 22 bei einem Bereich nahe eines Loches 52 durch Verwendung eines piezoelektrischen Teiles befestigt werden.
Der Weg zur Beobachtung einer Probe 20 wird beschrieben. Die Probe 20 wird zunächst auf der Probenbühne 51 angeordnet und daran anschließend wird das optische Proben- Oberflächen-Beobachtungssystem 18 auf die Probe 20 fokussiert, indem der Grobjustage-Operationspin 57, die manuelle Drehscheibe 56, der Motor 55 etc. betrieben werden. Dann wird das optische Verschiebungsmeßsystem 16 angeschaltet, um die piezoelektrischen Körper zu treiben und es wird auf die obere Seite des Auslegers fokussiert. Daran anschließend wird das Dreibein betrieben, um die Proben-Bühne 51 nach oben zu bewegen. Wenn der Ausleger infolge der interatomaren Kräfte, die zwischen der Sonde und der Probe erzeugt worden sind, verschoben wird, variiert der Ausgang des optischen Meßsystemes 16 geringfügig. Zu diesem Zeitpunkt wird die nach oben gerichtete Bewegung des Dreibeins gestoppt, um so einen Zustand aufrechtzuerhalten, in dem der Ausleger angewendet bleibt, mit der aus der interatomaren Kraft entstehenden Kraft. In diesem Zustand wird die Probe 20 abgetastet.
Eine Signalspannung zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung wird an den piezoelektrischen X-Achsen-Richtungskörper des Dreibeins 46 angelegt, und eine Spannung zur Erzeugung einer linearen Bewegung wird an den piezoelektrischen Y-Achsen-Richtungskörper des Dreibeins 46 angelegt. Als ein Ergebnis der Anlegung dieser Signalspannungen wird die Probe 20 XY-rasterabgetastet. Die Messung wird fortgeführt, bis ein vorherbestimmter Bereich der Probe 20 abgetastet ist. Während des Abtastvorganges wird der piezoelektrische Z-Achsen-Richtungskörper des Dreibeins 46 rückkopplungsgesteuert, so daß die Inklination bz. die Höhe des Ausleger auf einen konstanten Wert gehalten wird. Auf der Grundlage des Rückkopplungssignales und des XY-Abtastsignales wird ein Feinprofil der Oberfläche der Probe vermessen.
Fig. 14 zeigt einen anderen Typ eines Auslegers 22 und einen anderen Typ einer Sonde 21, die in der obigen Ausführungsform eingesetzt werden können. Um den in Fig. 14 gezeigten Ausleger 22 und die Sonde 21 zu verwenden, muß weder der Proben-Bühnenbewegungsmechanismus 12, das optische Verschiebungsmeßsystem 16, noch das optische Proben-Oberflächenbeobachtungssystem 18 besonders modifiziert werden, und ein Feinprofil der Probenoberfläche kann gemessen werden, indem man im wesentlichen der gleichen Prozedur folgt, die bereits zuvor beschrieben worden ist. Wie man der Fig. 14 entnehmen kann, weist der Ausleger 22 einen sich verjüngenden distalen Endteil auf. Die Sonde 21, mit der die Probenoberfläche zu untersuchen ist, wird auf der unteren Seite des sich verjüngenden distalen Endes getragen und erstreckt sich geneigt in die untere Richtung. Im Fall der in Fig. 14 gezeigten Modifikation breiten sich das beleuchtende Licht des optischen Systemes 18 und der Laserstrahl des optischen Systemes 16 entlang dem gleichen optischen Pfad aus und der Laserstrahl wird auf die obere Seite des Auslegers 22 derart konvergiert, daß der Konvergenzpunkt unmittelbar oberhalb des Spitzenendes der Sonde 21 liegt. Mit dieser Konstruktion reflektiert die Verschiebung des distalen Endteiles des Auslegers genau die Verschiebung des Spitzenendes der Sonde, so daß es nicht notwendig ist, einen korrigierenden Vorgang durchzuführen. Obgleich das beleuchtende Licht von dem distalen Ende des Auslegers 22 eingefangen wird, kann ein Beobachtungsbild ausreichend klar sein, da das distale Ende des Auslegers 22 sich verjüngt und nur eine kleine Fläche aufweist.

Claims

1. Ein Rasterkraftmikroskop (10), das ein Objektiv (83) aufweist, wobei das genannte Mikroskop (10) die Beobachtung eines Oberflächenprofiles einer Probe (20) unter Verwendung von interatomaren Kräften erlaubt, mit:

a) einem Abtastmechanismus (12, 14), um eine Sonde (21) über die Probe (20) abtastend zu führen, indem die Sonde (21) und die Probe (20) relativ zueinander bewegt werden;

b) einem Sondentragesystem (14), das einen Ausleger (22) enthält, der einen freien Endteil aufweist, der zwischen dem genannten Objektiv (83) und der Probe (20) angeordnet ist und der die genannte Sonde (21) dicht an der Oberfläche der Probe (20) trägt, wobei der genannte Ausleger (22) elastisch deformierbar ist, um sein freies Endteil in Übereinstimmung mit interatomaren Kräften zwischen der genannten Sonde (21) und der genannten Probe (20) zu verschieben;

c) einem optischen Detektionssystem (16), um den Ausleger (22) durch das genannte Objektiv (83) hindurch mit Detektionslicht zu bestrahlen, um die Verschiebung des Auslegers (22) zu detektieren; gekennzeichnet durch

d) ein optisches Beobachtungssystem (18), das gegenüberliegend zu der Probe (20) angeordnet ist, wobei das genannte optische Beobachtungssystem (18) und das genannte Objektiv (83) eine optische Beobachtung der Oberfläche der Probe (20) erlauben, wobei

e) ein freier Endteil des Auslegers (22) innerhalb des Bildfeldes des genannten optischen Beobachtungssystemes (18) angeordnet ist, ohne dabei wenigstens einen Teil des von der Probe reflektierten Lichtes abzufangen, um die optische Beobachtung der Oberfläche der Probe (20) zu erlauben.

2. Ein Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte optische Detektionssystem (16) enthält:

eine Lichtquelle (87) zum Emittieren des Detektionslichtes;

optische Mittel (84, 85, 86, 90) zum Bündeln des Detektionslichtes und zum Führen des gebündelten Lichtes auf den freien Endteil des Auslegers (22);

ein Prisma (88a, 88b), das derartig angeordnet ist, daß der Zentralstrahl des Lichtes, das von dem freien Endteil des Auslegers (22) reflektiert worden ist, auf eine reflektierende Oberfläche des Prismas (88a, 88b) unter dem kritischen Winkel der Totalreflexion fällt; und

einen Photodetektor (89a, 89b), um den Betrag des von dem Prisma (88a, 88b) reflektierten Lichtes zu messen.

3. Das Rasterkraftmikroskop nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

der genannte Ausleger (22) eine Markierung (28) aufweist, die bei einer Position ausgebildet ist, die dem Spitzenende der Sonde (21) entspricht;

das genannte Sondentragesystem (14) es der Sonde (21) erlaubt, in das Bildfeld des optischen Beobachtungssystemes (18) eingeführt und aus dem Bildfeld herausbewegt zu werden, wobei das optische Beobachtungssystem (18) ein Fadenkreuz (77) aufweist, das für die Positionierung der Markierung (28) des Auslegers (22) verwendet wird.

4. Das Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Markierung (28) des Auslegers (22) ein Material enthält, das auf einer Oberfläche des freien Endteiles des Auslegers (22) abgeschieden worden ist.

5. Das Rasterkraftmikroskop nach einem der vorigen Ansprüche, dadruch gekennzeichnet, daß die genannte Sonde (21) von dem Ausleger (22) hervorragt und bezüglich der Hauptlichtstrahlen des optischen Systemes (18) geneigt ist.

6. Das Rasterkraftmikroskop nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Ausleger (22) bei einem peripheren Teil eines Bildfeldes des optischen Beobachtungssystemes (18) angeordnet ist.

7. Das Rasterkraftmikroskop nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte frei Endteil des Auslegers (22) ein sich verjüngendes distales Ende enthält.