DE69019913T2 - Atomkraftmikroskop. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Atomkraftmikroskop (AFM, Atomic Force Mikroskope).
• Das Atomkraftmikroskop ist ein Mikroskop, welches die Beobachtung des Oberflächenprofils einer Probe unter Ver- wendung einer Interatomaren Kraft ermöglicht. Ein Beispiel eines derartigen Mikroskops ist in der Druckschrift von G. Binnig, C.F. Quate, "Atomic Farce Mikroskope", Physical Review Letters, Band 56, No. 9, Seiten 930-933 (1986) beschrieben.
• Wenn die an einem Ausleger gehaltene spitzulaufende Spitze eines Tasters sehr nahe an die Oberfläche einer Probe gebracht wird, wirkt zwischen den Atomen der Spitze und der Oberfläche eine sehr kleine Anziehungs- oder Abstoßungskraft. Als Ergebnis dieser interatomaren Kraft wird der Ausleger gebogen oder in Übereinstimmung mit der Kraft verschoben, die auf das Atom der Spitze des Tasters ausgeübt wird. Der Ausleger und/oder die Probe sind an einem Mechanismus für feinste Bewegung wie einem piezoelektrischen Element befestigt, wobei eine relative Bewegung zwischen dem Taster und der Probe erzeugt wird. Um die Probe zu beobachten, wird der Taster entlang der Oberfläche der Probe bewegt, wobei der Abstand zwischen der Spitze und der Oberfläche auf einem konstanten Wert gehalten wird. Insbesondere wird die Verschiebung des Auslegers überwacht, und der Abstand zwischen der Spitze und der Oberfläche wird einer Rückkopplungssteuerung derart unterworfen, daß die Verschiebung des Auslegers auf einem konstanten Wert gehalten wird. Der Taster wird beispielsweise derart bewegt, daß die Oberfläche der Probe in einem Raster abgetastet wird, wobei die Verschiebung des Auslegers auf einem konstanten Wert gehalten wird. Als Ergebnis bewegt sich die Spitze des Tasters auf einer gekrümmten Ebene, die parallel zu der Oberfläche der Probe ist (d.h. es wird das Oberflächenprofil der Probe wiedergegeben). Während der Abtastoperation werden Positionsdaten, welche die Position der Spitze darstellen, aus der an das piezoelektrische Element angelegten Spannung berechnet, und es wird ein Bild, welches das Oberflächenprofil der Probe darstellt, auf der Grundlage der Positionsdaten gebildet.
• Der Ausleger, welcher darauf den Taster trägt, muß so flexibel wie möglich sein, so daß er sogar im Ansprechen auf eine sehr kleine interatomare Kraft stark gebogen oder verschoben werden kann. Darüber hinaus muß der Ausleger eine hohe Resonanzfrequenz besitzen, so daß seine Empfindlichkeit auf Vibrationen von Hunderten von Hz (die auf den Ausleger von einer gewöhnlichen Konstruktion übertragen werden kann) minimiert werden kann. Im allgemeinen gilt für die Resonanzfrequenz f&sub0; eines elastischen Teils:
• f&sub0; = (1/2π) [k/m&sub0;]
• wobei k den Elastizitätsmodulus und m&sub0; die effektive Masse des elektrischen Teils darstellen.
• Aus dieser obigen Formel ist ersichtlich, daß die Resonanzfrequenz des Auslegers optimal auf der Grundlage der Beziehung zwischen der Empfindlichkeit und externem Rauschen bestimmt wird. Damit der Ausleger sowohl einen kleinen Elastizitätskoeffizienten k (um flexibel zu sein) als auch eine hohe Resonanzfrequenz f&sub0; besitzt, muß die effektive Masse m&sub0; des Auslegers auf den möglichen Betrag reduziert werden. Bei dem Stand der Technik wird vorgeschlagen, die effektive Masse eines Auslegers auf 10&supmin;¹&sup0; kg unter Verwendung einer Mikroherstellungstechnologie zu verringern. Wenn die effektive Masse des Auslegers auf diesen Betrag verringert wird, kann eine Resonanzfrequenz von 2 kHz erzielt werden. In der Realität ist dieser Vorschlag jedoch vielen Beschränkungen unterworfen.
• Bei einem Verfahren zum Erfassen der Verschiebung des Auslegers wird ein Tunnelstrom verwendet. Entsprechend diesem Verfahren wird ein Taster zum Erfassen eines Tunnelstroms (hiernach als STM-Taster bezeichnet) sehr nahe an die Rückseite des Auslegers - jedoch von ihr getrennt - gebracht (die Rückseite liegt gegenüber der Seite, an welcher der Taster gehalten wird). Eine Vorspannung wird an den STM-Taster und den Ausleger angelegt, so daß ein Tunnelstrom erzeugt wird, der im Ansprechen auf den dazwischen befindlichen Abstand sich verändert. Der Tunnelstrorn wird konstant gemessen, und die Verschiebung des Auslegers wird auf der Grundlage der Veränderungen des Tunnelstroms erfaßt.
• Ein anderes bekanntes Verfahren zum Erfassen der Verschiebung des Auslegers ist ein elektrostatisches Kapazitätsverfahren. In Übereinstimmung mit dem elektrostatischen Kapazitätsverfahren wird ein Plattenkondensator derart gebildet, daß ein Plattenpol durch die Rückseite des Auslegers gebildet wird. Die Verschiebung des Auslegers wird durch Messen einer Änderung der elektrostatischen Kapazität erfaßt.
• Die durch eine interatomare Kraft hervorgerufene Verschiebung des Auslegers ist sehr klein; die interatomare Kraft liegt in einem Bereich von 10&supmin;&sup9; bis 10&supmin;¹² N. Damit muß ein Verschiebungserfassungssystem sehr sensitiv auf eine derartige Verschiebung sein, und gleichzeitig sollte es nicht von einem externen Rauschen ungünstig beeinflußt werden. Die oben erwähnten Verfahren arbeiten bezüglich eines internen Rauschens wie Vibrationen nicht zuverlässig, und unter Verwendung dieser Verfahren durchgeführte Messungen neigen dazu, einen Fehler zu beeinhalten.
• Aus Physical Review Letters, Band 56, Nr. 9, 3. März 1986, Seiten 930-933, G. Binnig et al.: Atomic force microscope" ist ein Atomkraftmikroskop (AFM) zum Erfassen des Oberflächenprofils einer Probe bekannt, das einen nahe der Oberfläche der Probe angeordneten Taster, einen Ausleger, der ein freies Ende besitzt und den Taster auf einer Seite trägt, und eine Abtasteinrichtung aufweist, bei welcher der Taster die Oberflächen der Probe abtastet. Der Artikel aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 32, Nr. 2, Juli 1989, Seiten 416-417, New York, US, Cornpact interferometric atomic force sensor" bezieht sich auf Physical Review Letters und kombiniert das AFM, wie es in Physical Review Letters beschrieben ist, mit der sensitiven interferometrischen Signalerfassung, wodurch ein kompakter interferometrischer Atomkraftsensor gebildet wird. Diese Vorrichtung ist unempfindlich auf mechanische Vibrationen, wenn die Eigenfrequenz des Auslegers auf den oberen khz-Bereich bestimmt ist. Wenn jedoch die Eigenfrequenz des Auslegers nicht auf den oberen khz-Bereich bestimmt ist, ist die Anordnung empfindlich auf mechanische Vibrationen und daher vergleichsweise unempfindlich für das Erfassen des Oberflächenprofils einer Probe.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die mechanischen Vibrationen innerhalb eines Atomkraftmikroskops zu kompensieren und dadurch die Meßempfindlichkeit zu verbessern.
• Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung in Übereinstimmung mit den Ansprüchen 1 und 2 gelöst.
• Ein Atomkraftmikroskop in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist folgende Komponenten auf: einen nahe an der Oberfläche der Probe angeordneten Taster; einen Ausleger, der ein Ende besitzt, welches den Taster an einer Seite trägt, und der an der gegenüberliegenden Seite eine reflektierende Oberfläche besitzt, wobei der Ausleger in Übereinstimmung mit der Größe einer zwischen den Atomen der Spitze des Tasters und eines Oberflächenteils der Probe wirkenden interatomaren Kraft elastisch deformierbar ist; eine Einrichtung zum Bewegen des Tasters entlang der Oberfläche der Probe; eine Einrichtung zum Aufspalten eines kohärenten Lichtstrahls auf zwei Lichtstrahlen; eine Bezugsspiegelseite, die in einem Vibrationssystem gebildet ist, in welchem die Probe vorgesehen ist; eine Einrichtung zum Führen eines der zwei Lichtstrahlen auf die Bezugspiegel- Seite; eine Einrichtung zum Führen des anderen Lichtstrahls auf die reflektierende Oberfläche des Auslegers; eine Einrichtung zum Erfassen einer Verschiebung des Auslegers durch Zusammenfügen des von der Bezugsspiegelseite reflektierten Lichtstrahls und des von der reflektierenden Oberfläche des Auslegers reflektierten Lichtstrahls miteinander, um eine Interferenz dazwischen hervorzurufen; und eine Einrichtung zum Bilden eines Bildes des Oberflächenprofils der Probe auf der Grundlage eines von der Tasterbewegungseinrichtung ausgegebenen Signals und eines von der Erfassungseinrichtung ausgegebenen Signals.
• Ein anderes Atomkraftmikroskop in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist folgende Komponenten auf: einen Taster, der eine nahe an der Oberfläche der Probe angeordnete Spitze besitzt; einen ersten Ausleger, der ein Ende besitzt, welches den Taster an einer Seite trägt, wobei der erste Ausleger in Übereinstimmung mit der Größe einer zwischen den Atomen der Spitze und eines Oberflächenteils der Probe wirkenden interatomaren Kraft elastisch deformierbar ist; eine Einrichtung zum Bewegen des Tasters entlang der Oberfläche der Probe; einen zweiten Ausleger, der eine Eigenfrequenz gleich derjenigen des ersten Auslegers besitzt und nahe dem ersten Ausleger angeordnet ist; eine erste Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Bewegung des Endes des ersten Auslegers und Ausgeben eines Signals entsprechend der erfaßten Bewegung; eine zweite Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Bewegung des Endes des zweiten Auslegers und zum Ausgeben eines Signals entsprechend der erfaßten Bewegung; und eine Einrichtung zum Ausgeben eines Unterschieds zwischen den von der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung ausgegebenen Signalen.
• Die Erfindung wird anhand der folgenden detaillierten beschreibung in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung nahegebracht.
• Fig. 1 zeigt eine Ansicht, welche die Struktur eines Atomkraftmikroskops in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
• Fig. 2 zeigt eine Ansicht, welche die Struktur eines Atomkraftmikroskops in Übereinstimmung mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
• Figuren 3A und 3B zeigen eine Draufsicht auf bzw. einen Querschnitt durch einen Typ eines in einem Atomkraftmikroskop verwendeten Auslegers in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf einen anderen Typ eines Auslegers;
• Fig. 5 stellt die Struktur eines Systems dar, bei welchem die Verschiebung des Auslegers erfaßt wird;
• Fig. 6 stellt eine Schaltungsanordnung dar, welche für das Entfernen externen Rauschens verwendet wird;
• Fig. 7 veranschaulicht die der Erfassung der Verschiebung des Auslegers unterliegenden Prinzipien;
• Fig. 8 stellt die Struktur eines Verschiebungserfassungsabschnitts eines Typs dar;
• Fig. 9 stellt die Struktur eines Verschiebungserfassungsabschnitts eines anderen Typs dar;
• Fig. 10 veranschaulicht den Betrieb des in Fig. 9 dargestellten Verschiebungserfassungsabschnitts; und
• Fig. 11 stellt ein Beispiel eines in Fig. 1 dargestellten Interferenzstreifenberechnungsabschnitts dar.
• Im folgenden wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben, in der zur Vereinfachung lediglich die Mittenstrahlkomponente des Lichts angezeigt wird.
• Wie Fig. 1 dargestellt, wird ein linear polarisierter Lichtstrahl L, der von einer Lichtquelle 12 emittiert wird (beispielsweise einer Laserdiode), in einen zirkular polarisierten Strahl durch eine 1/4-Wellenlängen-Platte 14 umgewandelt und trifft danach auf eine Polarisationsstrahllaufspalteinrichtung 16 auf. Auf der Strahlaufspaltungsseite dieser Strahlaufspalteinrichtung 16 wird der Lichtstrahl L in einen Bezugslichtstrahl Lr und einen Testlichtstrahl Lt unterteilt.
• Der Bezugslichtstrahl Lr ist ein S-polarisierter Lichtstrahl, der von der Strahlaufspalteinrichtung 16 reflektiert wurde. Er wird in einen zirkular polarisierten Strahl von einer 1/4-Wellenlängen-Platte 18 umgewandelt und fällt danach auf einen Bezugsspiegel 20. Nach einer Reflektion durch diesen Spiegel 20 wird der Bezugslichtstrahl Lr in einen P-polarisierten Strahl von der 1/4-Wellenlängen-Platte 18 umgewandeLt, tritt durch die Strahlaufspalteinrichtung 16 hindurch und wird von einem Prisma 22 reflektiert. Der von diesem Prisma 22 reflektierte Bezugslichtstrahl Lr wird von einem anderen Prisma 24 reflektiert. Nach der Reflektion durch das Prisma 24 tritt der Bezugslichtstrahl Lr sowohl durch eine Polarisationsstrahlaufspalteinrichtung 26 als auch durch eine 1/4-Wellenlängen-Platte 28 hindurch. Nach Umwandlung in einen zirkular polarisierten Strahl durch die 1/4-Wellenlänge-Platte 28 fällt der Bezugslichtstrahl Lr auf einen Bezugsspiegel 30. Nach einer Reflektion durch diesen Bezugsspiegel 30 tritt der Bezugslichtstrahl Lr durch die 1/4-Wellenlängen-Platte 28 hindurch, durch welche er in einen S-polarisierten Strahl umgewandelt wird. Danach wird der Bezugslichtstrahl Lr von der Strahlaufspalteinrichtung 26 reflektiert und trifft danach auf einen Interferenzstreifenberechnungsabschnitt oder einen Detektor 34. Die oben erwähnten Bezugspiegel 20 und 30 sind hinsichtlich des Taster 46 symmetrisch und derart angeordnet, einen sogenannten Abbe-Fehler zu reduzieren. Die Bezugsspiegel 20 und 30 wurden oben dahingehend beschrieben, daß sie unabhängig zueinander vorgesehen sind, sie können jedoch auch als einziger Bezugsspiegel gestaltet werden, der ringförmig auf einen Aluminiumblock 32 angeordnet ist.
• Der Testlichtstrahl Lt ist ein P-polarisierter Strahl, der durch die Strahlaufspalteinrichtung 16 übertragen wird. Er wird in einen S-polarisierten Strahl durch eine 1/2- Wellenlängen-Platte 36 umgewandelt und von einer Polarisationsstrahlaufspalteinrichtung 38 auf eine 1/4-Wellenlängen-Platte 40 reflektiert. Nach der Umwandlung in einen zirkular polarisierten Strahl durch die 1/4-Wellenlängen-Platte 40 wird der Testlichtstrahl Lt von einer Linse 42 derart abgelenkt und kondensiert, so daß ein Lichtstrahlfleck auf der oberen Oberfläche des distalen Endteils eines Auslegers 44 gebildet wird. Der Ausleger 44 besitzt einen Taster 46, der an der unteren Seite des distalen Endteils davon befestigt ist und auf die Oberfläche einer Probe 48 wirkt. Der Ausleger ist an dem Aluminiumblock mit einem dazwischen angeordneten piezoelektrischen Teil 50 befestigt. Die obere Seite des Auslegers 44 ist beispielsweise mit Gold überzogen und besitzt ein hohes Reflektionsvermögen. Die obere Seite des Auslegers 44 befindet sich im wesentlichen auf demselben Niveau wie die Reflektionsseiten der Bezugsspiegel 20 und 30. Die Probe 48 ist auf einer XYZ-Abtasteinrichtung 51 angebracht und kann dreidimensional bewegt werden. Der auf den Ausleger 44 fallende Testlichtstrahl Lt wird dadurch reflektiert und tritt sowohl durch die Linse 42 als auch durch die 1/4-Wellenlängen- Platte 40 hindurch. Nach der Umwandlung in einen P-polarisierten Strahl durch die 1/4-Wellenlängen-Platte 40 tritt der Testlichtstrahl Lt durch eine Polarisationsstrahlaufspalteinrichtung 52 hindurch und trifft danach auf ein Prisma 54. Nach zweimaliger Reflektion in dem Prisma 54 trifft der Testlichtstrahl Lt wiederum auf der Polarisationsstrahlaufspalteinrichtung 38 auf. Nach Hindurchtreten durch die 1/4-Wellenlängen-Platte 40 und die Linse 42 wird der Testlichtstrahl Lt von dem Ausleger 44 reflektiert. Der an dem Ausleger 44 reflektierte Testlichtstrahl tritt sowohl durch die Linse 42 als auch die 1/4- Wellenlängen-Platte 40 hindurch und trifft auf die Polarisationstrahlaufspalteinrichtung 42. Der auf die Polarisationsstrahlaufspalteinrichtung 52 auftreffende Testlichtstrahl Lt ist ein S-polarisierter Strahl, da er zweimal durch die 1/4-Wellenlängen-Platte 40 hindurchgetreten ist. Daher wird er von der Strahlaufspalteinrichtung 52 reflektiert. Der an der Strahlaufspalteinrichtung 52 reflektierte Testlichtstrahl wird von einer 1/2-Wellenlängen-Platte 56 in einen P-polarisierten Strahl umgewandelt, tritt durch die Strahlaufspalteinrichtung 26 hindurch und trifft auf den Interferenzstreifenberechnungsabschnitt 34.
• Die Position des Prismas 54 wird derart bestimmt, daß der optische Pfad des Bezugslichtsstrahls Lr und der optische Pfad des Testlichtstrahls Lt diesselbe Länge besitzen, wenn sich der Ausleger in seiner Normalposition befindet, d.h. wenn die oberen Seiten der Bezugsspiegel 20 und 30 und die untere Seite des Auslegers 44 sich in derselben Ebene befinden. Der Interferenzstreifenberechnungsabschnitt 34 erfaßt die Verschiebung des Auslegers 44 auf der Grundlage der Interferenzstreifen. Insbesondere wenn der Ausleger 44 verschoben ist, unterscheidet sich der optische Pfad des Bezugslichtstrahls Lr von dem optischen Pfad des Testlichtstrahls Lt, woraus sich das Ergebnis ergibt, das Interferenzringe gebildet werden. Der Berechnungsabschnitt 34 berechnet diese Interferenzringe zur Erfassung der Verschiebung des Auslegers 44. Der Berechnungsabschnitt 34 kann durch ein bekanntes Längenmessungsinterferometer eines Typs gebildet werden, das zur Erfassung der Verschiebungsrichtung auf der Grundlage einer Polarisationscharakteristik geeignet ist. Ein Beispiel eines Falls, bei welchem ein derartiges Interferometer verwendet wird, wird unter Bezugnahme auf Fig. 11 beschrieben.
• Wie in Fig. 11 dargestellt, wird ein Lichtstrahl 212, der durch Interferenz zwischen dem Bezugslichtstrahl Lr und dem Testlichtstrahl Lt erlangt wird, in zwei Lichtstrahlen von einer Strahlaufspalteinrichtung 200 geteilt. Aus einem der zwei Lichtstrahlen wird ein Interferenzsignal, dessen Phase um π verschoben ist, unter Verwendung eines π/4-Rotators 207, einer Polarisationsstrahlaufspalteinrichtung 202 und Fotodioden 203 und 204 abgeleitet. Das auf diese Weise abgeleitete Interferenzsignal wird differentiell einem Verstärker 205 zugeführt, um ein Signal (beispielsweise sinus θ) eines Paars von zwei Phaseninterferenzsignalen zu erlangen. Der andere Lichtstrahl wird von den inneren Seiten eines Prismas 206 vollständig derart reflektiert, daß zwischen den senkrecht polarisierten Strahlkomponenten ein Phasenunterschied von π/2 gebildet wird, und danach wird ein Interferenzsignal, dessen Phase um π verschoben ist, unter Verwendung des π/4-Rotators 207, einer Polarisationsstrahlaufspalteinrichtung 208 und von Fotodioden 209 und 210 abgeleitet. Das auf diese Weise abgeleitete Interferenzsignal wird einem Verstärker 211 zugeführt, um das andere Signal (beispielsweise cos θ) des Paars von Zweiphaseninterferenzsignalen zu erlangen. Auf diese Weise werden die Signale erlangt, mit welchen die Richtung des Voranschreitens/Zurückziehens des Auslegers erfaßt wird und welche zum reversiblen Zählen verwendet werden. Um die Auflösung zu verbessern, werden die sin θ- und cos θ-Signale zuerst auf bekannte Weise einem Brechungsteiler zugeführt, und sie werden danach einer Schmittriggerschaltung und einer Gatterschaltung zugeführt, wodurch ein reversibler Zählpuls erlangt wird. Dieser reversible Zählpuls wird einem Zähler eines reversiblen Zähltyps zugeführt, welcher wiederum ein Signal entsprechend dem Absolutwert der Verschiebung ausgibt.
• In der oben erwähnten ersten Ausführungsform sind Bezugsspiegel 20 und 30, die als Bezugspunkt bei der Erfassung der Verschiebung des Auslegers 44 verwendet werden, in demselben Vibrationssystem wie die Probe 48 angeordnet. Daher kann die Messung verläßlich ohne Beeinträchtigung durch externes Rauschen wie Vibrationen durchgeführt werden. Da der Testlichtstrahl Lt zweimal an dem Ausleger 44 reflektiert wird, wird darüber hinaus die Empfindlichkeit bezüglich der Verschiebung verdoppelt.
• Bei der ersten Ausführungsformen sind die Bezugsspiegel 20 und 30 auf dem Aluminiumblock 32 befestigt. Sie können jedoch auch auf der XYZ-Abtasteinrichtung 51 befestigt oder gesichtert werden, wenn es gewünscht wird.
• Fig. 2 stellt die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In Fig. 2 wird ebenso wie in Fig. 1 lediglich die Mittenstrahlkomponente des Lichts angezeigt.
• Wie in Fig. 2 dargestellt tritt ein aus einer Lichtquelle 62 emittierter kohärenter Lichtstrahl 11 durch eine Strahlerweiterungseinrichtung 64 hindurch und trifft danach auf eine Polarisationstrahlaufspalteinrichtung 16. Durch diese Polarisationstrahlaufspalteinrichtung 64 wird der Lichtstrahl 11 in einen Referenzlichtstrahl Lr und einen Testlichtstrahl Lt unterteilt.
• Der Bezugslichtstrahl Lr ist ein Lichtstrahl, der von der Strahlaufspalteinrichtung 66 reflektiert wird. Er wird von einem Prisma 68 reflektiert und danach in einen P-polarisierten Strahl durch eine 1/2-Wellenlängen-Platte 70 umgewandelt. Danach wird der Bezugslichtstrahl Lr von einer Hologrammlinse 72 abgelenkt und konzentriert. Diese Hologrammlinse 72 besitzt in der Mitte eine kreisförmige Öffnung und eine Linsenoberfläche an dem Rand. Eine Ablenkungsschicht 74 ist an der Position angeordnet, die nicht dem Brennpunkt der Hologrammlinse sondern dem Brennpunkt einer Objektlinse 76 entspricht. Nach dem Hindurchdurchtreten durch die Ablenkungsschicht 74 trifft der Bezugslichtstrahl Lr auf der Objektlinse 76 auf. Durch diese Objektlinse 76 wird der Bezugslichtstrahl Lr gebrochen und parallel gerichtet. Danach tritt der Bezugslichtstrahl Lr durch eine 1/4-Wellenlänge-Platte 78 hindurch und trifft auf einen Bezugsspiegel 80. Der an dem Bezugsspiegel 80 reflektierte Bezugslichtstrahl Lr tritt wiederum durch die 1/4-Wellenlängen-Platte 78 hindurch, so daß er in einen S- polarisierten Strahl umgewandelt wird. Danach wird er von der Objektlinse 76 gebrochen und auf die Ablenkungsschicht 74 gebündelt. Der Bezugslichtstrahl Lr, welcher danach ein P-polarisierter Strahl ist, tritt durch die Ablenkungsschicht 74 hindurch und erreicht die Hologrammlinse 72. Durch diese Hologrammlinse 72 wird der Bezugslichtstrahl Lr gebrochen und parallel gerichtet. Danach tritt der Bezugslichtstrahl Lr durch eine Polarisationsstrahlaufspalteinrichtung 86 hindurch und trifft auf einen Interferenzringberechnungsabschnitt oder einen Detektor 90.
• Der durch die Strahlaufspalteinrichtung 66 hidurchtretende Testlichtstrahl Lt wird in einen zirkular polarisierten Strahl durch eine 1/4-Wellenlängen-Platte 92 umgewandelt, von der Objektlinse 76 gebrochen und gebündelt und trifft danach auf die obere Seite eines Auslegers 94. Der Ausleger 94 besitzt einen nicht dargestellten Taster, der zum Erfassen einer interatomaren Kraft verwendet wird. Wie in der ersten Ausführungsform besitzt die obere Seite des Auslegers 94 ein hohes Reflektionsvermögen und reflektiert den auf ihn auftreffenden Testlichtstrahl Lt. Der von dem Ausleger 94 reflektierte Testlichtstrahl Lt wird von der Objektlinse 76 reflektiert und parallel gerichtet und trifft danach auf eine Linse 96 auf. Durch diese Linse 96 wird der Testlichtstrahl Lt auf einen Reflektor 98 gebündelt. Nachdem der Lichtstrahl von dem Reflektor 98 mit hohem Reflektionsvermögen reflektiert wurde, tritt er durch die Linse 96 hindurch und kehrt wiederum zu dem Ausleger 94 zurück. Nach einer Reflektion wiederum auf dem Ausleger 94 wird der Testlichtstrahl Lt von der Objektlinse 96 parallel gerichtet und trifft auf der 1/4-Wellenlängen-Platte 92 auf. Durch diese 1/4-Wellenlängen-Platte 92 wird der Testlichtstrahl in einen S-polarisierten Strahl umgewandelt. Danach wird der Testlichtstrahl Lt von den zwei Strahlaufspalteinrichtungen 66 und 86 reflektiert und trifft danach auf den Interferenzringberechnungsabschnitt 90 auf. In diesem Interferenzringberechnungsabschnitt 90 wird die von einer Atomkraft hervorgerufene Verschiebung des Auslegers 94 auf der Grundlage von Interferenzringen erfaßt, die sich aus einem Unterschied des optischen Pfads zwischen dem Referenzlichtstrahl Lr und dem Testlichtstrahl Lt ergeben.
• Bei der oben erwähnten zweiten Ausführungsform ist der Ausleger 94 im Vergleich zu der ersten Ausführungsform sehr nahe an den Bezugsspiegeln 80 und 84 angeordnet. Daher kann die Messung zuverlässig ohne Beeinträchtigung durch Vibrationen durchgeführt werden.
• Im folgenden wird die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Draufsicht und Querschnittsansicht der in dieser Ausführungsform verwendeten Ausleger sind in Figuren 3A bzw. 38 dargestellt. Wie in den Figuren 3A und 38 dargestellt besitzt ein Substrat 110 eine kreisförmige Öffnung, und es erstreckt sich ein Paar von Auslegern 112 und 114 von gegenüberstehenden Umfangsteilen der Öffnung derart, daß ihre freien Enden nahe zueinander angeordnet sind. Die zwei Ausleger 112 und 114 besitzen dieselbe Breite, Dicke und Länge. Der Elastizitätskoeffizient k jedes Auslegers ist durch folgende Gleichung bestimmt:
• k = Eab³/41³
• wobei E der Young-Koeffizient und a, b sowie 1 die Breite, Dicke bzw. Länge des Auslegers darstellen.
• Um die Empfindlichkeit bezüglich der Verschiebung eines Auslegers zu verbessern, muß der Wert von k verringert werden. Daher sollten der Wert von l (Länge) erhöht werden, während der Wert von b (Dicke) verringert werden sollte. Beispielsweise werden die Dimensionen jedes Ausleger in der Ausführungsform wie folgt bestimmt:
• a = 2,000 um, b = 10 um, und l = 2 zu 3 mm.
• Um eine interatomare Kraft zu erfassen, ist der erste Ausleger 112 mit einem Taster 116 auf der unteren Seite des distalen Endes (d.h. dem freien Ende) davon versehen. Der Taster 116 ist durch eine erste Überdeckung des ersten Tasters 112 mit einer lithographischen Maskenstruktur, welche eine Öffnung einer vorbestimmten Größe besitzt, und danach durch Durchführen einer Auftragung aus Wolfram gebildet, bis die Öffnung der lithographischen Maskenstruktur mit dem aufgetragenen Wolfram gefüllt ist. Der zweite Ausleger 114 ist mit einem Gegengewicht 118 auf der unteren Seite des distalen Endes davon versehen. Die effektive Masse dieses Gegengewichts 118 ist gleich derjenigen des Tasters 116. Das Gegengewicht 118 wird gleichzeitig mit dem Taster 116 gebildet. Insbesondere ist eine Mehrzahl von Öffnungen gebildet, die kleiner als die Öffnung der Tasterbildung sind, und die Auftragung von Wolfram wird durchgeführt, bis der Gesamtbetrag des durch die Öffnungen aufgetragenen Wolframs der effektiven Masse des Tasters 116 entspricht.
• Die in der dritten Ausführungsform verwendeten Ausleger sind nicht auf jene beschränkt, die in Figuren 3A und 3B dargestellt sind. Es können ebenso Ausleger anderer Typen verwendet werden, solange sie dieselbe Eigenfrequenz besitzen und ihre distalen Enden nahe zueinander angeordnet sind. Beispielsweise können die Ausleger des in Fig. 4 dargestellten Typs anstelle denjenigen verwendet werden, die in Figuren 3A und 3B dargestellt sind. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Typ besitzt ein Substrat 110 eine rechtwinklige Öffnung, und es erstreckt sich ein Paar von Auslegern 112 und 114 parallel zueinander von einer Seite der rechtwinkligen Öffnung.
• Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 ein System beschrieben, welches zum Erfassen der Verschiebung eines Auslegers verwendet wird. In Fig. 5 wird zur Vereinfachung lediglich die Mittenstrahlkomponente des Lichts angezeigt. Entsprechend Fig. 5 sendet eine Laserdiode (LD) 120 einen polarisierten Lichtstrahl L aus, dessen Polarisationsebene sich senkrecht zu der Zeichnungsebene der Figur erstreckt. Der Lichtstrahl L wird durch eine Kollimatorlinse 122 parallel gerichtet und trifft danach auf einem Beugungsgitter 124 auf, wobei sich die Richtung des Gitters senkrecht zu der Zeichnungsebene der Figur erstreckt. Das Beugungsgitter 124 unterteilt den Lichtstrahl L in zwei Lichtstrahlen L1 und L2. Diese Lichtstrahlen L1 und L2 werden von einem Prisma 126 nach unten reflektiert, treten beide durch eine Polarisationstrahlaufspalteinrichtung 128 und eine 1/4-Wellenlänge-Platte 130 hindurch und werden danach durch eine Objektlinse 132 derart gebündeLt, daß jeder von ihnen einen Querschnitt von etwa 3 um besitzt. Die Lichtstrahlen L1 und L2 werden auf die distalen Enden der Ausleger 112 bzw. 114 gerichtet, während gleichzeitig ein Abstand von etwa 20 um zueinander beibehalten wird. Nach einer Reflektion an den oberen Seiten der jeweiligen Ausleger treten die Lichtstrahlen L1 und L2 beide durch die Objektlinse 132 und die 1/4-Wellenlänge- Platte 130 hindurch und treffen danach auf die Strahlaufspalteinrichtung 128 auf. Da die Lichtstrahlen L1 und L2 dazu veranlaßt werden, zweimal durch die 1/4-Wellenlänge- Platte 130 hindurchzutreten, ist ihre Polarisationsrichtung um 90º gedreht, so daß sie zu polarisierten Lichtstrahlen werden, deren Polarisationsebenen parallel zu der Zeichnungsebene der Figur ausgerichtet sind. Daher werden die Lichtstrahlen L1 und L2 von der Strahlaufspalteinrichtung 128 reflektiert. Die von der Strahlaufspalteinrichtung 128 reflektierten Lichtstrahlen L1 und L2 werden von einer Linse 134 gebündelt und treffen danach auf einen Fotodetektor 136 auf. Wie in Fig. 6 dargestellt enthält dieser Fotodetektor 136 zwei Fotodioden 138 und 140, die jeweils aus zwei Segmenten bestehen. Der Fotodetektor 136 besitzt zwei Ausgangsanschlüsse 142 und 144. Von dem Ausgangsanschluß 142 wird ein Signal entsprechend der Position des ersten Auslegers 112 ausgegeben. Von dem Ausgangsanschluß 144 wird ein Signal entsprechend der Position des zweiten Auslegers 114 ausgegeben. Da sich der erste Ausleger 112 im Ansprechen sowohl auf eine interatomare Kraft als auf externes Rauschen bewegt, reflektiert das von dem Ausgangsanschluß 42 erzeugte Signal beide Größen. Da der zweite Ausleger 114 sich lediglich im Ansprechen auf das externe Rauschen bewegt, reflektiert das von dem Ausgangsanschluß 144 erzeugte Signal lediglich das externe Rauschen. Diese Signale werden einem Differenzverstärker 146 zugeführt, der sie voneinander subtrahiert. Somit enthält ein von dem Ausgangsanschluß 148 erzeugtes Signal nicht eine Komponente, die dem externen Rauschen entspricht, so daß genau die Bewegung des Auslegers 112 dargestellt wird, die lediglich von der interatomaren Kraft hervorgerufen wird.
• Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Figuren 7 und 8 eine Beschreibung darüber gegeben, wie die Vertikalbewegung der Ausleger 112 und 114 erfaßt wird. Das Verschiebungserfassungssystem bezüglich des Auslegers 112 und das Verschiebungserfassungssystem bezüglich des Auslegers 114 sind einander ähnlich, so daß unten lediglich das System bezüglich des Auslegers 112 als Beispiel beschrieben wird. Wenn die obere Seite des Auslegers 112 sich an dem Brennpunkt A der Objektslinse 132 befindet, wird der an dem Ausleger 112 reflektierte Lichtstrahl L an der Strahlaufspaltungsseite 128 A der Strahlaufspalteinrichtung 128 reflektiert und trifft auf die Zweisegmentfotodiode 138 des Fotodetektors 136 auf, während er durch den optischen Pfad hindurchtritt, der durch die durchgezogenen Linien in Fig. 7 angezeigt ist. Wie durch den durchgezogenen Kreis in Fig. 8 angezeigt trifft die Mitte des Lichtstrahls auf die Fotodiode 138 an der Grenze zwischen den zwei Segmenten 138A und 138B der Fotodiode 148 auf. Wenn im Gegensatz dazu die obere Seite des Auslegers 112 sich an der Position B befindet, die von dem Brennpunkt A der Objektlinse 132 verschoben ist, trifft der an dem Ausleger 112 reflektierte Lichtstrahl L' auf der Fotodiode 138 auf, während er durch den optischen Pfad hindurchtritt, der durch die gestrichelten Linien in Fig. 7 angezeigt ist. Wie durch den gestrichelten Kreis in Fig. 8 angezeigt, ist die Mitte des auf die Fotodiode 138 auftreffenden Lichtstrahls auf der Seite des Segments 138A der Fotodiode 138 lokalisiert. Daher kann die Bewegung des Auslegers durch Versorgen eines Differenzverstärkers 150 mit Signalen entsprechend den zwei Segmenten 138A und 138B erfaßt werden.
• Ein anderes Beispiel eines Auslegerverschiebungserfassungssystems ist in Figuren 9 und 10 dargestellt. Dieses Erfassungssystem erfaßt die Bewegung der Ausleger 112 und 114 durch Verwendung eines Tunnelstroms. In diesem Verschiebungserfassungssystem sind Taster 152 und 154, die jeweils angepaßt sind, einen Tunnelstrom zu erfassen, oberhalb den distalen Enden der Ausleger 112 bzw. 114 angeordnet. Die Taster 152 und 154 werden an den unteren Seiten der Ausleger 156 bzw. 158 gehalten und sind jeweils an Umfangsteilen einer in einem Substrat 110 gebildeten kreisförmigen Öffnung befestigt. Da die zwei Ausleger 156 und 158 eine ähnliche Struktur besitzen, wird lediglich der ausleger 156 im Rahmen eines Beispiels erklärt. Der Ausleger 156 ist als sogenannter Zweielementetyp bzw. als bimorpher Typ ausgebildet und weist folgende Komponenten auf: eine gemeinsame Elektrode 160; eine piezoelektrische ZnO- Schicht 162, die auf die obere Seite der gemeinsamen Elektrode 160 gestapelt ist; eine piezoelektrische ZnO-Schicht 164, die auf die untere Seite der gemeinsamen Elektrode 160 gestapelt ist; eine Ansteuerungselektrode 166 einer piezoelektrischen Schicht, die auf untere Seite der piezoelektrischen ZnO-Schicht 162 gestapelt ist; und eine Ansteuerungselektrode 168 einer piezoelektrischen Schicht, die auf die untere Seite der piezoelektrischen ZnO-Schicht 164 gestapelt ist. Der Ausleger 156 kann dicker und kürzer als der in dem AFN-System verwendete Ausleger sein, jedoch sollte die Position, an welcher der Taster 152 an dem Ausleger 156 befestigt ist, sorgfältig bestimmt sein.
• Die Verschiebung des Auslegers 112 wird beispielsweise auf die in Fig. 10 dargestellte Weise erfaßt. Wie in Fig. 10 dargestellt, wird eine vor-bestimmte Spannung an den Taster 152 und die auf der oberen Seite des Auslegers 112 gebildete leitende Schicht 112A angelegt. Ein Tunnelstrom, der zwischen dem Taster 152 und der leitenden Schicht 112A fließt, wird unter der Verwendung eines Stromdetektors 170 erfaßt. Gleichzeitig wird der Ausleger 156 auf eine derartige Weise durch Anlegen einer Servospannung an den Ausleger 156 von einer Servoschaltung 172 angesteuert, daß der Tunnelstrom auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die Verschiebung des Auslegers 112 wird auf der Grundlage der von der Servoschaltung 172 zugeführten Servospannung erfaßt. In dem Fall, bei welchem der Ausleger 122 aus einem leitenden Material gebildet ist, braucht die oben erwähnte leitende Schicht 112A nicht gebildet zu sein. In diesem Fall wirkt der Ausleger 112 selbst als leitende Schicht.
• Wie oben beschrieben, wird bei dem Atomkraftmikroskop der dritten Ausführungsform ein Paar von Auslegern verwendet, welche dieselbe Eigenfrequenz besitzen und deren freie Enden nahe zueinander angeordnet sind. Da Daten, welche eine interatomare Kraft darstellen, aus dem Bewegungsunterschied zwischen den zwei Auslegern abgeleitet werden, können die Ausleger aus einem flexiblen Material gebildet werden, ohne daß die Vorrichtung durch externes Rauschen wie durch Vibrationen beeinträchtigt wird. Dementsprechend kann die interatomare Kraft in einer sehr großen Empfindlichkeit erfaßt werden. Wenn darüber hinaus ein STM-Sytem zum Erfasssen der Verschiebung der Ausleger verwendet wird, kann die Erfassung ohne Beeinträchtigung durch eine auf den Taster des STM ausgeübte interatomare Kraft oder ein Rauschen beeinträchtigt werden, daß in dem STM-System selbst enthalten ist. Dementsprechend kann die Meßgenauigkeit im Vergleich zu derjenigen einer AFM-Vorrichtung spürbar verbessert werden, die in einem herkömmlichen STM-System und einem AFM- Verschiebungserfassungssystem verwendet wird.

Claims (6)

1. Atomkraftmikroskop zum Erfassen des Oberflächenprofils einer Probe mit:

einem Taster (46), der nahe der Oberfläche der Probe (48) angeordnet ist,

einem Ausleger (44, 94), der ein Ende besitzt, welches den Taster (46) auf einer Seite trägt, wobei der Ausleger (44, 94) in Übereinstimmung mit der Größe einer zwischenatomaren Kraft, die zwischen den Atomen der Spitze des Tasters (46) und einem Oberflächenteil der Probe (48) wirkt, elastisch deformierbar ist,

einer Einrichtung (51) zum Bewegen des Tasters relativ zu der Oberfläche der Probe (48),

einer reflektierenden Oberfläche, die auf der Seite des Auslegers (44, 94) entgegengesetzt der Seite, welche den Taster (46) trägt, angebracht ist,

einer Einrichtung (16, 66) zum Aufspalten eines kohärenten Lichtstrahls in zwei Lichtstrahlen,

einer Einrichtung (22, 24, 72, 76) zum Führen eines der zwei Lichtstrahlen auf eine Seite eines Bezugsspiegels zu (20, 30, 80, 84),

einer Einrichtung (42, 76) zum Führen des anderen Lichtstrahls auf die reflektierende Oberfläche des Auslegers (44, 94) zu,

einer Einrichtung (34, 90) zum Erfassen einer Verschiebung des Auslegers (44, 94) durch Zusammensetzen des von der Seite des Bezugsspiegels (20, 30, 80, 84) reflektierten Lichtstrahls und des von der reflektierenden Oberfläche des Auslegers (44, 94) reflektierten Lichtstrahls, um eine Interferenz zwischen den zwei Lichtstrahlen hervorzurufen, und

einer Einrichtung zum Bilden eines Bildes des Oberflächenprofils der Probe auf der Grundlage eines Ausgangssignals von der Tasterbewegungseinrichtung (51) und eines Ausgangssignals von der Erfassungseinrichtung (34, 94), dadurch gekennzeichnet, daß

die Seite des Bezugsspiegels (20, 30, 40, 84) in einem Vibrationssystem gebildet ist, in welchem die Oberfläche der Probe (48) vorgesehen ist.

2. Atomkraftmikroskop zum Erfassen des Oberflächenprofils einer Probe mit:

einer Einrichtung (120, 122, 124, 126, 128, 130, 132, 134) zum Bereitstellen und Führen eines Testlichtstrahls,

einer Einrichtung zum Bereitstellen und Führen eines Bezugslichtstrahls,

einem Taster (116), der eine nahe der Oberfläche der Probe (48) angeordnete Spitze besitzt,

einem ersten Ausleger (112), der ein Ende besitzt, welches den Taster (116) auf einer Seite trägt, wobei der erste Ausleger (112) in Übereinstimmung mit der Größe einer zwischen den Atomen der Spitze und eines Oberflächenteils der Probe (48) wirkenden interatomaren Kraft elastisch deformierbar ist,

einer Einrichtung zum Bewegen des Tasters relativ zu der Oberfläche der Probe (48), und

einer ersten Erfassungseinrichtung (138) zum Erfassen der Bewegung des Endes des ersten Auslegers (112) und zum Ausgeben eines ersten Signals (142) entsprechend der erfaßten Bewegung, gekennzeichnet durch

einen zweiten Ausleger (114), der lediglich auf externes Rauschen anspricht und eine charakteristische Frequenz gleich der Frequenz des ersten Auslegers (112) besitzt und nahe dem ersten Ausleger (112) angeordnet ist, und

eine zweite Erfassungseinrichtung (140) zum Erfassen der Bewegung des Endes des zweiten Auslegers (114) und zum Ausgeben eines Signals (144) entsprechend der erfaßten Bewegung, und

einer Einrichtung (146) zum Eliminieren des zweiten Signals von dem ersten Signal.

3. Atomkraftmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der ersten und zweiten Erfassungseinrichtungen

eine leitende Schicht (112A), die auf der Seite des Auslegers (112, 114) gebildet ist, welche sich entgegengesetzt zu der Seite gegenüber der Probe befindet,

eine Tunnelspitze (152, 154), die an einer Position nahe der leitenden Schicht (112A) getragen wird,

eine Einrichtung zum Anlegen einer Vorspannung zwischen der leitenden Schicht (112a) und der Tunnelspitze (152, 154), um einen Tunnelstrom dazwischen hervorzurufen, und

eine Einrichtung zum Erfassen des Tunnelstroms aufweist,

wobei die Erfassungseinrichtung die Bewegung des Auslegers (112, 114) auf der Grundlage einer Veränderung des Tunnelstroms erfaßt.

4. Atomkraftmikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Erfassungseinrichtungen

eine Einrichtung (156, 158) zum Tragen der Tunnelspitze (152, 154) derart, daß die Tunnelspitze (152, 154) näher zu oder weg von der leitenden Schicht (112A) bewegt wird, und

eine Hilfseinrichtung (172) zum Steuern der Tunnelspitzentrageeinrichtung (156, 158) auf der Grundlage der Veränderung des Tunnelstroms derart aufweist, daß die Entfernung zwischen der Tunnelspitze (152, 154) und der leitenden Schicht (112A) auf einem konstanten Wert gehalten wird.

5. Atomkraftmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der ersten und zweiten Erfassungseinrichtungen

einen Reflektor, der auf der Seite des Auslegers (112, 114) gebildet ist, welche sich entgegengesetzt der Seite befindet, die der Probe gegenüberliegt, und

ein optisches System (120, 122, 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136) zum Führen von Licht auf den Reflektor zu und zum Empfangen des von dem Reflektor reflektierten Lichts aufweist, um die Bewegung des Auslegers (112, 114) zu erfassen.

6. Atomkraftmikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

der Reflektor schräg darauf auftreffendes Licht empfängt und

das optische System eine Photodiode (136) eines zweisegmentigen Typs, auf welche das von dem Reflektor reflektierte Licht auftritt, und einen Komparator (146) zum Ausgeben eines Signals aufweist, welches einer Differenz zwischen dem von einem (138) der zwei Segemente der Photodiode (136) empfangenen Licht und dem Licht entspricht, das von dem anderen Segment (140) der Photodiode (136) empfangen wurde, und welches daher die Verschiebung des Auslegers (112, 114) darstellt.