DE69109216T2

DE69109216T2 - Fein-Abtastmechanismus für Atomkraft-Mikroskop.

Info

Publication number: DE69109216T2
Application number: DE69109216T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi C/O Mitsubishi Denki K. K. Itami-Shi Hyogo-Ken Koyama; Tadashi C/O Mitsubishi Denki K. K. Itami-Shi Hyogo-Ken Nishioka; Takao C/O Mitsubishi Denki K. K. Itami-Shi Hyogo-Ken Yasue
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-09-14
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2011-06-27
Also published as: EP0475564B1; JPH04122806A; JPH0758193B2; EP0475564A1; US5107114A; DE69109216D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Feinabtastmechanismus für ein Mikroskop für atomare Kräfte (kurz "AFM). Insbesondere betrifft die Erfindung einen Feinabtastmechanismus, der ein zylindrisches piezoelektrisches Element, das dreidimensional (XYZ) verschoben werden kann, und ein bimorphes piezoelektrisches Element, das eindimensional (Z) verschoben werden kann, verwendet.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Es wird bevorzugt, daß ein Feinabtastmechanismus für ein AFM ein zylindrisches piezoelektrisches Element aufweist, das aufgrund seiner einfachen Gestalt leicht herstellbar ist, eine verbesserte Steifigkeit zeigt und dreidimensional verschoben werden kann. Als Alternative dazu ist es zweckmäßig, ein bimorphes piezoelektrisches Element zu verwenden, weil es fähig ist, die Erzielung einer großen Verschiebung durch eine kleine Spannung zu bewirken, und weil es eindimensional verschiebbar ist.
Als Feinabtastmechanismus, der das zylindrische piezoelektrische Element, das dreidimensional verschoben werden kann, oder das bimorphe piezoelektrische Element, das eindimensional verschoben werden kann, verwendet, sind bisher die folgenden Konstruktionen verfügbar:
(1) eine Konstruktion für ein AFM, die das zylindrische piezoelektrische Element zur dreidimensionalen Verschiebung einer Probe verwendet und offenbart ist von O. Marti, B. Drake und P. K. Hansma; Appl. Phys. Lett., Vol. 51, Nr. 7, 5.484-486 (1987), und O. Marti, B. Drake, S. Gould und P. K. Hansma; J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 6, Nr. 2, 5.287-290 (1988);
(2) eine Konstruktion für ein AFM, die das zylindrische piezoelektrische Element zur dreidimensionalen Verschiebung einer Sonde verwendet und offenbart ist von P. J. Bryant, R. G. Miller und R. Yang; Appl. Phys. Lett., Vol. 52, Nr. 26, 5.2233-2235 (1988), und P. J. Bryant, R. G. Miller, R. Deeken, R. Yang und Y. C. Zheng; Journal of Microscopy, Vol. 152, Pt. 3, 5.871-875 (1988);
(3) ein Feinabtastmechanismus, der ein bimorphes piezoelektrisches Element verwendet, das auch in einem Feinabtastmechanismus für das AFM verwendet werden kann und das beispielsweise in einem optischen Nahfeld-Abtastmikroskop verwendet wird und offenbart ist von U. Durig, D. W. Pohl und F. Rohner; J. Appl. Phys., Vol. 59, Nr. 10, 5.3318-3327 (1986); und
(4) ein Feinabtastmechanismus für ein AFM zum Beobachten des Verteilungsbildes der Entladung durch Anlegen von Mikrovibrationen an die Sonde unter Verwendung des bimorphen piezoelektriscnen Elements, offenbart von J. E. Stern, B. D. Terris, H. J. Mamin und D. Rugar; Appl. Phys. Lett., Vol. 53, Nr. 26, S. 2717-2719 (1988), und B. D. Terris, J. E. Stern, D. Rugar und H. J. Mamin; Phys. Rev. Lett. Vol. 63, Nr. 24, 5.2669-2672 (1989). Die oben beschriebenen Feinabtastmechanismen sind in den Fig. 9A bis 9E gezeigt.
Der in Fig. 9A gezeigte Feinabtastmechanisxnus weist folgendes auf: ein zylindrisches piezoelektrisches Element 100, an dem eine Probenschale 500 befestigt ist, auf der eine Probe 510 liegt; einen Ausleger 300, der eine zweite Sonde 410 hat, die beispielsweise ein Diamantstift ist; und eine erste Sonde 110, die beispielsweise aus Metall besteht und wirksam ist, um die Auslenkung des Auslegers 300 zu erfassen. Die Entfernung zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 kann durch ein Feineinstellungsschraube 311 eingestellt werden. Die erste Sonde 110, der Ausleger 300 und die Feineinstellungsschraube 311 sind für einen Hebelhalter 312 vorgesehen. Das zylindrische piezoelektrische Element 100 besteht aus einem zylindrischen piezoelektrischen Material 101 und einer Elektrode 102. Die Elektrode 102 besteht aus vier abschnitten von Elektroden 1021, 1022, 1023 und 1024, die an der äußeren Oberfläche des zylindrischen piezoelektrischen Materials 101 parallel zu der Zylinderachse ausgebildet sind, und einer weiteren Elektrode 1025, die auf der gesamten inneren Oberfläche des zylindrischen piezoelektrischen Materials 101 ausgebildet ist. Wenn Dreiecksspannungen Vx&spplus;, Vx&supmin;, Vy&spplus; und Vy&supmin; an die Elektroden 1021, 1022, 1023 und 1024 angelegt werden und außerdem eine Spannung Vz für die Abtastung in Z-Richtung an die Elektrode 1025 angelegt wird, führt die zweite Sonde 410 eine dreidimensionale Abtastung der Oberfläche der Probe 510, die auf der Probenschale 500 angebracht ist, durch. Die Auslenkung des Auslegers 300 infolge der atomaren Kraft, die zwischen der zweiten Sonde 410 und der Oberfläche der Probe 510 wirksam ist, wenn die oben beschriebene dreidimensionale Abtastung durchgeführt wird, wird von der ersten Sonde 110 detektiert.
Der Feinabtastmechanismus von Fig. 98 weist folgendes auf: das zylindrische piezoelektrische Element 100, an dem die erste Sonde 110, die beispielsweise aus Metall besteht, der Ausleger 300 und die zweite Sonde 410, die beispielsweise aus Metall besteht, angebracht sind; und die Probenschale 500. Wenn das zylindrische piezoelektrische Element 100 die Probe auf die gleiche Weise wie der Feinabtastmechanismus von Fig. 9A dreidimensional abtastet, wirken die erste Sonde 110, der Ausleger 300 und die zweite Sonde 410 synchron zusammen, so daß die zweite Sonde die Oberfläche der Probe 510, die auf der Probenschale 500 angebracht ist, dreidimensional abtastet. Dadurch wird der dreidimensional abtastende Feinabtastmechanismus für ein AFM realisiert.
Der Feinabtastmechanismus gemäß den Fig. 9C und 9D weist folgendes auf: ein bimorphes piezoelektrisches Element 200; eine Probenschale 500, die an dem bimorphen piezoelektrischen Element 200 angebracht ist; und eine zweite Sonde 410, die hergestellt ist durch Aufbringen von Aluminium auf beispielsweise einen Diamant- oder Kristallchip, dessen vorderer Bereich zugespitzt ist. Das bimorphe piezoelektrische Element 200 besteht aus bimorphen piezoelektrischen Elementen 2001, 2002, 2003, 2004 und 2005. Die Auslenkung der piezoelektrischen Elemente 2001 und 2002 erzeugt eine Verschiebung in X-Richtung, während die Auslenkung der piezoelektrischen Elemente 2003 und 2004 eine Verschiebung in Y-Richtung erzeugt. Infolgedessen wird die auf der Probenschale 500 angeordnete Probe 510 zweidimensional abgetastet. Ferner wird die zweite Sonde 410 in Z-Richtung verschoben durch die Auslenkung des piezoelektrischen Elements 2005, so daß die Oberfläche der Probe 510 dreidimensional abgetastet wird. Dadurch wird ein Feinabtastmechanismus für ein optisches Nahfeld-Mikroskop gebildet. Da der oben beschriebene Feinabtastmechanismus fähig ist, den dreidimensionalen Abtastbetrieb durchzuführen, kann er als Feinabtastmechanismus des AFM verwendet werden.
Der in Fig. 9E gezeigte Feinabtastmechanismus weist folgendes auf: die Probenschale 500, die dreidimensional abgetastet werden kann; und das bimorphe piezoelektrische Element 200, um die zweite Sonde 410, die aus Metall besteht, in bezug auf die Position der auf der Probenschale 500 angebrachten Probe 510 in Schwingungen zu versetzen. Somit wird ein Feinabtastmechanismus für ein AFM gebildet, der fähig ist, ein Ladungsverteilungsbild zu beobachten, indem sein System auf solche Weise ausgelegt ist, daß ein optischer Strahl, der von der zweiten Sonde 410 reflektiert wird, von einem Sensor 20 über einen Lichtwellenleiter 10 empfangen wird.
Bei den oben beschriebenen herkömmlichen Feinabtastmechanismen treten jedoch die folgenden Probleme auf:
Der in Fig. 9A gezeigte Feinabtastmechanismus 1000 weist das Problem auf, daß die Größe der Probenschale 500, die an dem zylindrischen piezoelektrischen Element 100 angebracht ist, durch den Durchmesser des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 begrenzt ist. Wenn also die Probe 510 groß ist, kann sie durch das AFM nicht beobachtet werden. Da das piezoelektrische Material 101, das das zylindrische piezoelektrische Element 100 bildet, eine schlechte mechanische Festigkeit hat, besteht ein noch größeres Problem in der Gefahr, daß das zylindrische piezoelektrische Element 100 beschädigt werden kann, wenn die Probe 510 auf der Probenschale 500 angebracht wird. Die Probe 510 kann daher nicht ohne weiteres an der Probenschale 500 angebracht bzw. davon entfernt werden.
Bei dem Feinabtastmechanismus von Fig. 9B ergibt sich die Schwierigkeit der Durchführung von Voreinstell-, Justierund Einstellvorgängen, um die Distanz von der ersten Sonde 110 bis zu dem Ausleger 300 zu einem Tunnelbereich zu machen. Die Distanz zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300, die zu dem Tunnelbereich gemacht werden soll, ist eine äußerst kurze Distanz in Einheiten von 10 Å. Infolgedessen kann die Ersteinstellung nicht auf einfache Weise durchgeführt werden. Außerdem ist es sehr schwierig, den Neueinstellungsvorgang durchzuführen, der erforderlich ist, wenn sich die Distanz entsprechend einem Zeitablauf geändert hat oder wenn die erste Sonde 110 ausgewechselt wurde, nachdem sie mit dem Ausleger 300 in Berührung gelangt ist.
Der Feinabtastmechanismus gemäß den Fig. 9C und 9D weist das Problem auf, daß der Aufbau zu kompliziert und die Fertigung nicht einfach ist. Außerdem ist die erzielbare Reproduzierbarkeit als Feinabtastmechanismus unbefriedigend, was ein noch größeres Problem ist. Da die Probenschale 500 an dem verschiebbaren Bereich des bimorphen piezoelektrischen Elements 200 befestigt ist, ist es schwierig, die Probe 510 anzubringen, und das bimorphe piezoelektrische Element 200 wird verformt oder zerbrochen, wenn die Probe 510 angebracht wird.
Bei dem Feinabtastmechanismus von Fig. 9E ergibt sich ein gleichartiges Problem wie in Fig. 9A, weil die Probenschale 500 bewegt werden muß.
Die herkömmlichen Feinabtastmechanismen für ein AFM weisen also die nachstehenden Probleme auf: Das zylindrische piezoelektrische Element 100 oder das bimorphe piezoelektrische Element 200 werden verformt oder zerbrochen, wenn die Probe 510 angebracht wird; die Probe 510 kann nicht ohne weiteres an der Probenschale 500 angebracht oder davon entfernt werden; es ist schwierig, die Distanz zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 einzustellen; und ein Feinabtastmechanismus, der ausgezeichnete Reproduzierbarkeit zeigt, kann nicht hergestellt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung soll daher die oben beschriebenen Probleme überwinden, und es ist Aufgabe der Erfindung einen zuverlässigen Feinabtastmechanismus für ein AFM anzugeben, der auf einfache Weise hergestellt und leicht betätigt werden kann und bei dem die Probe nicht auf die Dimensionen der Vorrichtung beschränkt ist.
Gemäß der Erfindung wird ein Feinabtastmechanismus für die Mikroskopie bei atomaren Kräften angegeben, der folgendes aufweist:
ein zylindrisches piezoelektrisches Element;
einen ersten Sondenbefestigungsbereich, der an einem Endbereich an der Seite eines dreidimensional verschiebbaren Bereichs des zylindrischen piezoelektrischen Elements befestigt ist;
eine erste Sonde, die an dem ersten Sondenbefestigungsbereich befestigt ist;
einen Ausleger;
eine zweite Sonde;
sowie eine stationäre Probenschale;
und ist gekennzeichnet durch
einen Befestigungsbereich für ein bimorphes piezoelektrisches Element, der an dem Endbereich an der Seite des dreidimensional verschiebbaren Bereichs des zylindrischen piezoelektrischen Elements befestigt ist;
ein bimorphes piezoelektrisches Verschiebungselement, das an dem Befestigungsbereich für das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement befestigt ist, so daß es einen eindimensional verschiebbaren Bereich aufweist;
einen Befestigungsbereich für einen Ausleger, der an einem Endbereich an der Seite des eindimensional verschiebbaren Bereichs des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements befestigt ist;
wobei der Ausleger an dem Befestigungsbereich für den Ausleger befestigt ist;
einen zweiten Sondenbefestigungsbereich, der an einem Endbereich an der Seite des verdrehbaren Verschiebungsbereichs befestigt ist;
eine zweite, an dem zweiten Sondenbefestigungsbereich befestigte Sonde;
wobei die stationäre Probenschale derart angeordnet ist, daß sie der zweiten Sonde gegenüberliegt.
Wenn gemäß den Ausführungsformen der Erfindung eine Spannung für die dreidimensionale Verschiebung an das zylindrische piezoelektrische Element angelegt wird, sind die an dem zylindrischen piezoelektrischen Element befestigte erste Sonde, das bimorphe piezoelektrische Element, der Ausleger und die zweite Sonde synchron miteinander wirksam. Infolgedessen tastet die zweite Sonde die Oberfläche der Probe ab, die auf der stationären Probenschale gehalten wird. Wenn eine Spannung für die eindimensionale Verschiebung an das bimorphe piezoelektrische Element angelegt wird, kann die Distanz von der ersten Sonde zu dem Ausleger zu dem Tunnelbereich gemacht werden.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A und 1B sind eine Perspektiv- bzw. eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung;
Fig. 1C ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht, die die erste Ausführungsform verdeutlicht;
Fig. 1D ist ein Blockdiagramm für eine elektrische Schaltung zum Betrieb der Konstruktion gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 1E und 1F sind eine Perspektiv- bzw. eine Querschnittsansicht, die einen Grobeinstellungsmechanismus zeigen, bei dem der Feinabtastmechanismus gemäß der ersten Ausführungsform angewandt wird;
Fig. 1G und 1H zeigen jeweils den Grobeinstellungsmechanismus von Fig. 1E;
Fig. 2A und 2B sind eine Perspektiv- bzw. eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform eines Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung;
Fig. 3 ist eine Perspektivansicht, die eine dritte Ausführungsform des Feinabtastmechanismus zeigt;
Fig. 4A und 4B sind eine Perspektiv- bzw. eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform eines Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung;
Fig. 5A ist eine Teilquerschnittsansicht, die eine fünfte Ausführungsform des Feinabtastmechanismus zeigt;
Fig. 5B bis 5F sind Teilquerschnitte, die jeweils Modifikationen der fünften Ausführungsform veranschaulichen;
Fig. 6A und 6B sind eine Perspektiv- und eine Querschnittsansicht einer sechsten Ausführungsform eines Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung;
Fig. 6C ist eine Teilquerschnittsansicht der sechsten Ausführungsform;
Fig. 6D und 6E sind eine Teilperspektiv- bzw. eine Perspektivansicht, die Modifikationen der sechsten Ausführungsform zeigen;
Fig. 7A und 7B sind eine Teilperspektiv- bzw. eine Teilquerschnittsansicht, die eine siebte Ausführungsform des Feinabtastmechanismus zeigen;
Fig. 7C ist ein Blockdiagramm für eine elektrische Schaltung zum Betrieb der Konstruktion gemäß der siebten Ausführungsform;
Fig. 7D und 7E sind eine Teilperspektiv- bzw. eine Teilquerschnittsansicht, die eine Modifikation der siebten Ausführungsform zeigen;
Fig. 7F ist eine Teilperspektivansicht, die eine andere Modifikation der siebten Ausführungsform zeigt;
Fig. 8A und 8B sind eine Teilperspektiv- bzw. eine Teilquerschnittsansicht einer achten Ausführungsform eines Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung;
Fig. 8C und 8D sind Blockdiagramme für elektrische Schaltungen zum Betrieb der Konstruktion gemäß der achten Ausführungsform;
Fig. 8E und 8F sind eine Teilperspektiv- bzw. eine Teilquerschnittsansicht, die eine Modifikation der achten Ausführungsform zeigen; und
Fig. 9A bis 9E sind jeweils herkömmliche Feinabtastmechanismen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Gemäß den Fig. 1A und 1B umfaßt ein Feinabtastmechanismus für ein AFM gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein zylindrisches piezoelektrisches Element 100 und einen ersten Sondenbefestigungsbereich 120, der an einem freien Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 beispielsweise mit einem Klebstoff befestigt ist. Ferner umfaßt der Feinabtastmechanismus eine erste Sonde 110, die an dem ersten Sondenbefestigungsberich 120 befestigt ist, und ein bimorphes piezoelektrisches Verschiebungselement 200, von dem ein Ende 200b an dem freien Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 befestigt ist. Der Feinabtastmechanismus umfaßt außerdem einen Auslegerbefestigungsbereich 320, der an einem freien Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 beispielsweise mit einem Klebstoff befestigt ist. Der Feinabtastmechanismus umfaßt weiter einen Ausleger 300, von dem ein Ende 300b an dem Befestigungsbereich 320 für den Ausleger beispielsweise mit einem Klebstoff befestigt ist. Der Feinabtastmechanismus umfaßt außerdem einen zweiten Sondenbefestigungsbereich 420, der an einem freien Ende 300a des Auslegers 300 beispielsweise mit einem Klebstoff befestigt ist.
Ferner umfaßt der Feinabtastmechanismus eine zweite Sonde 410, die an dem zweiten Sondenbefestigungsbereich 420 befestigt ist, und eine Probenschale 500, die angeordnet ist, um der zweiten Sonde 410 stationär gegenüberzuliegen.
Das zylindrische piezoelektrische Element 100 besteht aus einem zylindrischen piezoelektrischen Material 101 und einer Elektrode 102. Die Elektrode 102 umfaßt vier Elektroden 1021, 1022, 1023 und 1024, die zu der Achse des Zylinders parallele Abschnitte sind und an der äußeren Oberfläche des zylindrischen piezoelektrischen Materials 101 ausgebildet sind, und eine Elektrode 1025, die an der gesamten inneren Oberfläche des piezoelektrischen Materials 101 ausgebildet ist. Das piezoelektrische Material 101 wird einer Polarisationsbehandlung unterzogen, die eine Betriebsart mit Querwirkung nutzt, die bewirkt, daß eine Richtung von der inneren Oberfläche zu der äußeren Oberfläche die Polarisationsrichtung ist, und derart arrangiert ist, daß die Richtung der Auslenkung und die Richtung der Polarisation zueinander senkrecht sind. Das freie Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 wird zweidimensional verschoben, wenn die Elektroden 1021, 1022, 1023 und 1024 von daran angelegten Dreiecksspannungen Vx&spplus;, Vx&supmin;, Vy&spplus; und Vy&supmin; aktiviert werden. Ferner wird das oben beschriebene freie Ende 100a ebenfalls eindimensional in Z-Richtung verschoben, wenn die Elektrode 1025 von einer daran angelegten Rückkopplungsspannung Vz aktiviert wird. Infolgedessen wird das freie Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 in bezug auf ein festgelegtes Ende 100b des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 dreidimensional verschoben.
Die erste Sonde 110, die an dem ersten Sondenbefestigungsbereich 120 befestigt ist, wird synchron mit der Bewegung des freien Endes 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 dreidimensional verschoben. Das terminale Ende der ersten Sonde 110 ist so angeordnet, daß es der oberen Oberfläche des Auslegers 300 in einem Bereich gegenüberliegt, der dem freien Ende 300a des Auslegers 300 benachbart ist. Es ist vorgesehen, daß zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 eine Vorspannung angelegt wird.
Das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 ist an einem Befestigungsbereich 220 für das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement befestigt, der an dem freien Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 befestigt ist, so daß es synchron mit dem freien Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 dreidimensional verschoben wird. Beispielsweise wird ein bimorphes piezoelektrisches Element vom parallelen Typ, wie es in Fig. 1C gezeigt ist, als bimorphes piezoelektrisches Verschiebungselement 200 verwendet. Piezoelektrisches Material 2011 und 2012 ist auf den beiden Seiten einer elastischen Platte 203 angeordnet, wobei auf dem piezoelektrischen Material 2011 eine Elektrode 2021 ausgebildet ist. Auf dem anderen piezoelektrischen Material 2012 ist eine Elektrode 2022 ausgebildet. Wie ein Pfeil in Fig. 1C zeigt, werden die piezoelektrischen Materialien 2011 und 2012 jeweils der Polarisationsbehandlung unter Nutzung einer Betriebsart mit Querwirkung unterzogen, wobei die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Materials 2011 eine Richtung von der Elektrode 2021 zu der elastischen Platte 203 und die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Materials 2012 eine Richtung von der elastischen Platte 203 zu der Elektrode 2022 ist, und die Verdrehrichtung und die Polarisationsrichtung sind zueinander senkrecht.
Wenn die elektrisch miteinander verbundenen Elektroden 2021 und 2022 und die elastische Platte 203 von einer Spannung Eo aktiviert werden, die zwischen ihnen angelegt wird, während gleichzeitig die elektrisch verbundenen Elektroden 2021 und 2022 das positive Potential sind und die elastische Platte 203 das negative Potential ist, wird das freie Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 in Z-Richtung in bezug auf das festliegende Ende 200b eindimensional verschoben, wie eine Strichlinie in Fig. 1C zeigt. Daher wird das freie Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 um einen Wert verschoben, der bestimmt ist durch Überlappen des Werts der dreidimensionalen Verschiebung des freien Endes 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 und des Werts der eindimensionalen Verschiebung des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 in bezug auf das festgelegte Ende 100b des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100. Das festgelegte Ende 200b des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 ist mittels eines Klebstoffs oder dergleichen an einem Bereich in der Nähe des zentralen Bereichs des Befestigungsbereichs 220 für das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement befestigt, wobei der Bereich einer Position auf der Zylinderachse des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 entspricht.
Elektrische Verbindungselemente wie etwa elektrische Leitungsdrähte und Lötelemente, die zum Zweck des Anlegens von Betätigungsspannungen an die Elektroden 102, 2021 und 2022 und die elastische Platte 203 und des Anlegens von Vorspannungen an die erste Sonde 110 und den Ausleger 300 vorgesehen sind, sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
Wie Fig. 1C zeigt, ist der Befestigungsbereich 320 für den Ausleger an dem freien Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 befestigt. Ferner ist das Ende 300b des Auslegers 300 an dem Befestigungsbereich 320 dafür befestigt. Somit wird die Distanz von dem freien Ende 300a des Auslegers 300 zu der ersten Sonde 110 durch die eindimensionale Verschiebung des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 eingestellt, wenn die Spannung Eo an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 angelegt wird. Der Ausleger 300 hat eine Federkonstante K3, die seine Auslenkung infolge einer atomaren Kraft bezeichnet, die zwischen dem freien Ende 300a des Auslegers 300 und der ersten Sonde 110 wirksam ist. Die Federkonstante K3 ist als ein Wert bestimmt, der erheblich kleiner als die Federkonstante K2 des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 ist.
Die zweite Sonde 410 ist an dem zweiten Sondenbefestigungsbereich 420 befestigt, der an dem freien Ende 300a des Auslegers 300 befestigt ist. Das terminale Ende der zweiten Sonde 410 ist so positioniert, daß sie der Oberfläche einer auf der Probenschale 500 angeordneten Probe 510 gegenüberliegt. In einem Fall, in dem die Distanz zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 größer ist, d. h. in einem Fall, in dem der Ausleger 300 nicht ausgelenkt wird und außerdem der Wert der eindimensionalen Verschiebung des freien Endes 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 in bezug auf sein festgelegtes Ende 200b konstant ist, wird die zweite Sonde 410 auf die gleiche Weise verschoben wie die dreidimensionale Verschiebung des freien Endes 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements in bezug auf sein festgelegtes Ende 100b.
Als nächstes wird der Betrieb des Feinabtastmechanismus für eine Mikroskopie bei atomaren Kräften gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. Zuerst wird an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 eine Spannung Vo angelegt, die bewirkt, daß die Distanz zwischen dem freien Ende 300a des Auslegers 300 und der ersten Sonde 110 ein Tunnelbereich ist, in dem ein Tunnelstrom mit vorbestimmtem Wert fließt, während gleichzeitig der Tunnelstrom in einem Zustand gemessen wird, in dem die atomare Kraft zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 vernachlässigt werden kann und der Ausleger 300 keine Auslenkung aufweist.
Anschließend wird die an das bimorphe piezoelektrische Element 200 anzulegende Spannung um den Änderungswert ΔV der Spannung geändert, die an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 anzulegen ist, wobei der Wert ΔV dem Änderungswert ΔL der Distanz zwischen dem freien Ende 300a des Auslegers 300 und der ersten Sonde 110 entspricht, wenn der Ausleger 300 aufgrund der atomaren Kraft ausgelenkt wird, die zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 wirksam ist. Das heißt also, die angelegte Spannung V wird zu V = Vo + ΔV. Das positive und das negative Vorzeichen der Änderungswerte ΔL und ΔV sind so bestimmt, daß die Distanz zwischen dem freien Ende 300a des Auslegers 300 und der ersten Sonde 110 größer wird, wenn die atomare Kraft, die zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 wirksam ist, eine abstoßende Kraft ist.
Anschließend wird eine Dreiecksspannung an das zylindrische piezoelektrische Element 100 angelegt, während gleichzeitig die an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 angelegte Spannung auf einem Konstantpegel gehalten wird. Infolgedessen wirken das freie Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100, das freie Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200, das freie Ende 300a des Auslegers 300 und die erste und die zweite Sonde 110 und 410 synchron zusammen. Die zweite Sonde 410 tastet jedoch die Oberfläche der Probe 510, die auf der stationären Probenschale 500 befestigt ist, zweidimensional ab, weil die Spannung V, die an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 angelegt ist, konstant ist.
Wenn die Distanz zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 von dem oben beschriebenen Zustand ausgehend verkürzt wird, wird zugelassen, daß eine atomare Kraft zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 wirksam ist. Infolgedessen wird der Ausleger 300 ausgelenkt und bewirkt, daß ein Tunnelstrom zwischen dem freien Ende 300a des Auslegers 300 und der ersten Sonde 110 fließen kann. Da der Wert des Tunnelstroms von dem Ausmaß der Vorsprünge und Vertiefungen der Oberfläche der Probe 510 abhängig ist, wird der Änderungswert des Tunnelstroms verstärkt, um in eine Spannungsänderung ΔVz umgewandelt zu werden. Dann wird eine Rückkopplungsspannung Vz + ΔVz an die Elektrode 1025 des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 angelegt.
Infolgedessen wird der Wert der Verschiebung des freien Endes 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 in der Z-Richtung geändert. Das führt dazu, daß die eindimensionalen Verschiebungen des freien Endes 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200, des freien Endes 300a des Auslegers 300 und der ersten und der zweiten Sonden 110 und 410 in der Z-Richtung synchronisiert werden und bewirken, daß die Distanz zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 ebenfalls geändert wird. Somit wird die in dem Ausleger 300 stattfindende Auslenkung in den Änderungswert ΔL der vorbestimmten Distanz zwischen dem freien Ende 300a des Auslegers 300 und der ersten Sonde 110 umgewandelt. Infolgedessen kann die Rückkopplung, die bewirkt, daß der Tunnelstrom einen vorbestimmten Wert hat, d. h. die Rückkopplung, die die Beibehaltung der atomaren Kraft auf einem vorbestimmten Wert bewirkt, durchgeführt werden.
Daher erzeugen die XY-Koordinaten, die den Dreiecksspannungen Vx&spplus;, Vx&supmin;, Vy&spplus; und Vy&supmin; entsprechen, die an die Elektroden 1021, 1022, 1023 und 1024 angelegt sind, und die Z-Koordinate, die dem Spannungsänderungswert ΔVz entspricht, der an die Elektrode 1025 angelegt ist, eine AFM-Abbildung, die das Ausmaß der Vorsprünge und Vertiefungen der Oberfläche der Probe 510 widerspiegelt.
Als nächstes wird eine Methode zum Betrieb des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 beschrieben. Wie beispielsweise Fig. 1D zeigt, sind D-A-Wandler 31 und 32, die jeweils von Computern gesteuert sind, mit einem Operationsverstärkerkreis 33 über Widerstände R1 und R2 verbunden. Außerdem ist ein Widerstand R3 dem Operationsverstärkerkreis 33 parallelgeschaltet. Der Widerstandswert von jedem der Widerstände R1, R2 und R3 ist richtig so bestimmt, daß die Ausgangssignale der beiden D-A-Wandler 31 und 32 mit unterschiedlichen Spannungsverstärkungsraten summiert werden.
Der Wert der Verschiebung für eine angelegte Spannungseinheit ist ca. 2,5 Å/mV in einem Fall, in dem das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 ein Element ist, das auf solche Weise angeordnet ist, daß der Wert der Verschiebung bei einer angelegten Spannung von 60 V ein Wert von 15 um ist und die maximale anzulegende Spannung 150 V ist. Wenn also eine Konstruktion auf solche Weise ausgebildet ist, daß ein 16-Bit-Wandler, dessen maximale Ausgangsspannung V1 ein Wert von ±10 V ist, jeweils als D-A-Wandler 31 und 32 verwendet wird, wenn die Spannungsverstärkungsrate des Ausgangssignals vom D-A-Wandler 31 gleich 15 ist und wenn die Ausgangsspannung V1 des D-A-Wandlers 31 in Einheiten von 1 mV geändert wird, dann kann die Ausgangsspannung des Operationsverstärkerkreises 33 bis zu 150 V in Einheiten von 15 mV geändert werden.
Das heißt also, das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 kann um bis zu 37,5 um in Einheiten von 37,5 Å verschoben werden. Wenn andererseits eine Struktur so ausgebildet ist, daß die Spannungsverstärkungsrate des Ausgangs vom D-A-Wandler 32 gleich 1/15 ist und die Ausgangsspannung V2 des D-A-Wandlers 32 in Einheiten von 1 mV geändert wird, kann die Ausgangsspannung des die Betriebsspannung verstärkenden Kreises 33 bis zu 0,667 V in Einheiten von 1/15 mV geändert werden. Das heißt also, das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 kann bis zu 0,167 um in Einheiten von 0,167 Å verschoben werden. Daher kann die Verschiebung des freien Endes 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 in dem Tunnelbereich in Einheiten von 10 Å zufriedenstellend gesteuert werden durch Summieren von Ausgangssignalen der D-A-Wandler 31 und 32, bevor die Summe von dem Operationsverstärkerkreis 33 verstärkt wird.
Der Feinabtastmechanismus für ein AFM wird beispielsweise in Kombination mit einem Grobeinstellungsmechanismus 600 gemäß den Fig. 1E und 1F verwendet. Ein Feinabtastmechanismus 1000 ist beispielsweise an dem Grobeinstellungsmechanismus 600 von einem an drei Punkten abgestützten Typ befestigt, wobei der Feinabtastmechanismus 1000 gemeinsam mit dem Grobeinstellungsmechanismus 600 auf einer stationären Probenschale 500 plaziert ist. Der Grobeinstellungsmechanismus 600 hat an seinem zentralen Bereich eine Durchgangsöffnung in seiner oberen Oberfläche bis zu seiner unteren Oberfläche, so daß der Feinabtastmechanismus 1000 in dieser Durchgangsöfffnung aufgenommen ist. Der Feinabtastmechanismus 1000 ist in der Durchgangsöffnung auf solche Weise befestigt, daß das festliegende Ende 100b des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 dort mit einem Klebstoff über einen Fixierring 620 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. Quarz befestigt ist. Der Grobeinstelluflgsmechanismus 600 hat drei Schrauben 610, die von der oberen Oberfläche zu der unteren Oberfläche des Grobeinstellungsmechanismus 600 eingesetzt sind.
Die drei oben beschriebenen Schrauben 610 sind auf einer Ebene (XY-Ebene) so positioniert, daß sie ein gleichseitiges oder gleichschenkliges Dreieck bilden, wie Fig. 1G zeigt. Es sei angenommen, daß die beiden Schrauben 610, die an den beiden Enden des gleichschenkligen Dreiecks oder des gleichseitigen Dreiecks positioniert sind, das von den drei Schrauben 610 gebildet ist, jeweils Ml sind und die andere Schraube 610 M2 ist. Der zentrale Punkt O2 des piezoelektrischen Elements 100, d. h. der zentrale Punkt des Befestigungsbereichs 220 für das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement und die zweite Sonde 410 sind auf einer Geraden D1-D2 positioniert, die so gezogen ist, daß sie durch die Schraube M2 geht, und senkrecht zu der Basis P des gleichschenkligen Dreiecks ist. Insbesondere ist die zweite Sonde 410 von der Basis P des gleichschenkligen Dreiecks um eine kleine Distanz B entfernt positioniert. Die vorderen Bereiche der Schrauben 610, die von der unteren Oberfläche des Grobeinstellungsmechanismus 600 vorspringen, sind so positioniert, daß sie mit einer Oberfläche 500a der Probenschale 500, auf der die Probe angeordnet ist, in Berührung gelangen. Das führt dazu, daß das piezoelektrische Element 100 und die zweite Sonde 410 des Feinabtastmechanismus 1000 über der Oberfläche 500a der Probenschale 500 positioniert sind. Die Länge jeder Schraube 610, die über die untere Oberfläche des Grobeinstellungsmechanismus 600 vorspringt, kann durch Drehen der entsprechenden Schrauben 610 eingestellt werden.
Um den vorderen Bereich der zweiten Sonde 410 auf solche Weise zu positionieren, daß er nicht mit der Probe in Berührung gelangt und gleichzeitig eine richtige Distanz beibehalten wird, muß die Höhe von jeder der drei Schrauben 610 vorher eingestellt werden. Wenn dann die Schraube M2 gedreht wird, wird der vordere Bereich der zweiten Sonde 410 an die Oberfläche der Probe 510 angenähert. Wie Fig. 1G zeigt, ist die zweite Probe 410 von der Basis P des Dreiecks, das durch die drei Schrauben 610 gebildet ist, um die Distanz B entfernt positioniert. Wenn daher, wie Fig. 1H zeigt, die eine vertikale ebene Beziehung wiedergibt, angenommen wird, daß die Distanz von der oben beschriebenen Basis P zu der Schraube M2 A (> B) ist, bewegt sich die zweite Sonde 410 in Vertikalrichtung um die vertikale Differenz h, die ein Wert ist, der erhalten ist durch Reduktion - mit einer Vergrößerung von im wesentlichen B/A - der vertikalen Differenz H, die gegeben ist durch Drehen der Schraube M2, während gleichzeitig die Basis P, die die beiden Schrauben M1 verbindet, als ein Stützpunkt dient. Das so realisierte Verkleinerungsverhältnis ist bestimmt durch die Distanz C, wie Fig. 1G zeigt, zwischen dem Mittelpunkt L1 des Grobeinstellungsmechanismus 600 und dem Mittelpunkt O2 des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100, an dem die zweite Sonde 410 befestigt ist. Daher kann ein gewünschtes Verkleinerungsverhältnis vorgegeben werden, wenn der Grobeinstellungsmechanismus 600 gefertigt wird.
Die zweite Sonde 410 und die Probe 510 werden einander um ein bestimmtes Maß angenähert durch Verwendung der drei Schrauben 610 des Grobeinstellungsmechanismus 600 in einem Zustand, in dem die zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 wirksame atomare Kraft ausreichend klein ist, um vernachlässigt zu werden, und eine Auslenkung des Auslegers 300 nicht stattfindet. Anschließend wird zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 eine Vorspannung zur Messung des Tunnelstroms angelegt. Ferner wird eine Spannung an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 angelegt, wobei die Spannung der Auslenkung des Auslegers 300 entspricht, die bewirkt, daß der Tunnelstrom mit einem vorbestimmten Wert zwischen dem freien Ende 300a des Auslegers 300 und der ersten Sonde 110 fließt, wenn die atomare Kraft wirksam ist, wie oben beschrieben wurde. Die so angelegte Spannung wird auf einem vorbestimmten Pegel gehalten. Dann wird die Dreiecksspannung an das zylindrische piezoelektrische Element 100 angelegt, so daß die zweite Sonde 410 die XY-Oberfläche der Probe 510, die auf der stationären Probenschale 500 angebracht ist, zweidimensional abtastet.
Dann wird die Schraube M2 gedreht, um die zweite Sonde 410 und die Probe 510 einander weiter anzunähern. Infolgedessen wird die atomare Kraft zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 wirksam und bewirkt eine Auslenkung des Auslegers 300. Wenn der Wert des Tunnelstroms, der zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 fließt, auf einen vorbestimmten Wert erhöht wird, wird der Rückkopplungskreis wirksam. Infolgedessen wird die Rückkopplungsspannung an die Elektrode 1025 angelegt, um den Tunnelstrom auf einem vorbestimmten Wert zu halten, d. h. die in dem Ausleger 300 erfolgende Verschiebung wird auf einem konstanten Wert gehalten, wenn Vorsprünge und Vertiefungen in der Oberfläche der Probe 510 vorhanden sind. Infolgedessen wird die Bewegung des freien Endes 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 in Z-Richtung gesteuert. Wenn das Maß der Abtastung in der XY-Ebene und das Maß der Rückkopplung in Z- Richtung von einem Display angezeigt werden, kann das Oberflächenbild der von dem AFM abgebildeten Probe 510 angezeigt werden.
Wie oben beschrieben, ist der Feinabtastmechanismus 1000 gemäß der ersten Ausführungsform auf solche Weise ausgelegt, daß die Probe 510 an einer stationären Probenschale 500 angebracht ist. Daher ist die Größe der zu betrachtenden Probe 510 nicht durch das zylindrische piezoelektrische Element 100 begrenzt. Außerdem können das zylindrische piezoelektrische Element 100 und das bimorphe piezoelektrische Element 200 vor Beschädigung und Bruch geschützt werden, wenn die Probe 510 auf der Probenschale 500 befestigt wird. Ferner kann die Probe 510 leicht an der Probenschale 500 befestigt oder davon gelöst werden, und die Distanz zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 kann leicht bestimmt werden.
Als nächstes werden im einzelnen Material und Dimensionen des Feinabtastmechanismus 1000 und des Grobeinstellungsmechanismus 600 dafür gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
Das zylindrische piezoelektrische Element 100 ist beispielsweise auf solche Weise ausgelegt, daß die Länge 80 mm, der Innendurchmesser 10,6 mm, der Außendurchmesser 12,8 mm ist und die Verschiebung in den XY- und Z-Richtungen für eine angelegte Spannungseinheit ca. 200 bzw. 100 Å/V ist.
Die Dimensionen des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 sind auf solche Weise ausgelegt, daß der Einspannbereich 5 mm, die Dicke 0,53 mm, die Gesamtlänge 10 mm, die Breite 2 mm, die Kraft bei 60 V aufgebrachter Spannung 35 g, die Verschiebung bei 60 V angelegter Spannung 15 um und die maximale angelegte Spannung 150 V betragen. Die elastische Platte 203 weist eine Phosphorbronze (Sn: 2 bis 8 %, P: 0,2 %, Cu: 91,8 bis 97,8 %) auf und hat eine Größe, die so ausgelegt ist, daß die Dicke 0,12 mm, die Gesamtlänge 10 mm und die Breite 2 mm ist. Die Dicke jedes der piezoelektrischen Materialien ist 0,2 mm.
Jedes der piezoelektrischen Materialien 101, 2011 und 2012 für das zylindrische piezoelektrische Element 100 und das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 ist Titanatbleizirkonat (Pb(Zr-Ti)O&sub3;), das das piezoelektrische Material mit einer Elektrostriktionskonstanten d31 = -200 x 10&supmin;¹² m/V und einer Curie-Temperatur von ca. 200 ºC ist. Die Elektroden 102, 2021 und 2022 sind so ausgebildet, daß sie eine Dicke von ca. 3 um haben, und zwar durch Aufdrucken von Silber (Ag) oder durch chemische Nikkelabscheidung (Ni). Die Federkonstante K2 des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 ist 12800 N/m.
Hysterese und Kriechen des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200, die den Tunnelstrom nach Ablauf einer gewissen Zeit ändern und die Reproduzierbarkeit der an den Tunnelbereich anzulegenden Spannung verschlechtern, können durch eine Stromversorgungsschaltung für ein piezoelektrisches Element reduziert werden, die beispielsweise von C. V. Newcomb und I. Flinn; Electron. Lett., Vol. 18, Nr. 11, 5.422-424 (1982) angegeben ist, oder durch ein Ladungssteuerungssystem reduziert werden, das durch Reihenschalten eines piezoelektrischen Elements mit einem Kondensator realisiert wird und angegeben ist von H. Kaizuka und Byron Siu; Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 27, Part 2, Nr. 5, S.L773-L776 (1988).
Die erste Sonde 110 wird gefertigt durch Zuspitzen des vorderen Bereichs eines Drahts, der einen Durchmesser von 0,25 mm hat und aus Wolfram (W) oder einer Platin-Iridiumlegierung (Pt: 90 %, Ir: 10 %) durch maschinelles Bearbeiten oder Elektropolieren hergestellt ist, wobei die erste Sonde 110 an dem freien Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 befestigt wird.
Der Befestigungsbereich 120 für die erste Sonde und der Befestigungsbereich 220 für das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement bestehen jeweils aus einer maschinell bearbeitbaren Keramik (SiO&sub2;: 46 %, Al&sub2;O&sub3;: 16 %, MgO: 17 %, K&sub2;O: 10 %, F: 4 % und B&sub2;O&sub3;: 7 %), die ein isotropes, homogenes und elektrisch isolierendes Material ist, das präzise und komplex maschinell bearbeitet werden kann.
Der Ausleger 300 besteht aus nichtmagnetischem Metall geeigneter Steifigkeit, beispielsweise aus Gold (Au), Platin (Pt), Wolfram (W), Molybdän (Mo) oder Silizium (Si). Die Größe des Auslegers 300 ist derart, daß die Breite 250 bis 300 um, die Dicke 10 bis 20 um und die Länge 500 bis 800 um in einem Fall sind, in dem Molybdän (Mo) verwendet wird.
Der Befestigungsbereich 420 für die zweite Sonde besteht aus einem Sintermaterial aus Nickelpulver (Ni-Pulver), das auf solche Weise geformt ist, daß zugelassen wird, daß der vordere Bereich der zweiten Sonde 410 nach außen erscheint und der andere Bereich davon abgedeckt ist.
Die zweite Sonde 410 ist in Form eines Stifts, der beispielsweise aus natürlichem oder künstlichem Diamant besteht und ausreichend zugespitzt ist, um die atomare Kraft zu detektieren. Beispielsweise ist der vordere Bereich der zweiten Sonde 410 ausgelegt, um einen Krümmungsradius von 0,5 um oder weniger zu haben.
Wenn der Befestigungsbereich 420 für die zweite Sonde, der einen Durchmesser von 250 um und eine Länge von 300 um hat und aus einem Sinterkörper aus Nickelpulver (Ni-Pulver) besteht, und die zweite Sonde 410, die aus einem konischen Diamantstift besteht, dessen Boden einen Durchmesser von 250 um hat und desen Höhe 200 um ist, an dem freien Ende des Auslegers 300 befestigt ist, der aus Molybdän (Mo) besteht und so ausgelegt ist, daß er eine Breite von 280 um, eine Dicke von 10 um und eine Länge von 750 iim hat, dann können eine Federkonstante K3 = 90 N/m und eine Resonanzfrequenz von 6 kHz realisiert werden.
Die oben beschriebenen Elemente werden aneinander befestigt unter Verwendung von Epoxidharz, das thixotrope Eigenschaften hat, um ein Herabtropfen zu verhindern, und aromatischen Amin-Härtungsmitteln, wenn ein relativ schweres Element befestigt wird. Wenn ein relativ leichtes Element wie etwa der Ausleger 300, die zweite Sonde 410 und dergleichen befestigt wird, wird ein Klebstoff wie etwa Cyanoacrylat verwendet.
Als Befestigungsbereich 320 des Auslegers wird ein maschinell bearbeitbares Keramikstück, das ein elektrischer Isolator ist, auf solche Weise verwendet, daß es zwischen dem freien Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 und dem festgelegten Ende 300b des Auslegers 300 angeordnet wird, bevor es mit dem Klebstoff befestigt wird. Als Alternative hierzu kann eine Konstruktion auf solche Weise ausgebildet sein, daß das freie Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 und das festgelegte Ende 300b des Auslegers 300 aneinander direkt mit dem Epoxidharzklebstoff angebracht werden, der ausgezeichnete elektrisch isolierende Eigenschaften hat, und daß der so gebildete Haftbereich zu dem Befestigungsbereich 320 für den Ausleger gemacht wird.
Die Probenschale 500 und der Grobeinstellungsmechanismus 600 bestehen hauptsächlich aus Invar (Fe: 64 %, Ni: 36 %) mit einer kleinen Wärmeausdehnungszahl, beispielsweise einer Wärmeausdehnungszahl von 2 x 10&supmin;&sup6;/ºC bei einer Temperatur von 30 bis 100 ºC; Super-Invar (Fe: 63 %, Ni: 32 %, Co: 5 %) hat eine Wärmeausdehnungszahl von 1,3 x 10&supmin;&sup6;/ºC oder kleiner bei einer Temperatur von 30 bis 100 ºC.
Die drei Schrauben 610 bestehen aus Reineisen (Fe) oder einem Material, das aus Eisen besteht und dem Blei (Pb) oder Schwefel (S) zugefügt sind, um Härte und mechanische Eigenschaften, wie etwa Schneideigenschaften zu verbessern. Als schrauben 610 werden Einheitsfeingewinde (JIS B 0208) mit einem Außendurchmesser von 1/4 inch, einer Steigung P von 0,3175 mm und einer Gangzahl von 80/inch verwendet. Ein vorderer Bereich 610b jeder Schraube 610 hat eine Metallkugel 610a, um die Dreipunktabstützung zuverlässig herzustellen. Als Metallkugeln 610a werden Kugellager-Stahlkugeln (JIS B1501) verwendet, die jeweils einen Durchmesser von 3/16 inch haben, und die Metallkugel 610a ist in den ausgesparten Bereich an dem Vorderende 610b der Schraube 610 durch Verstemmen eingepaßt. Eine Hülse 620 mit Innengewinde, die aus einem relativ glatten Material wie beispielsweise Messing (Cu: 70 %, Zn: 30 %) besteht und ein Innengewinde hat, das den drei Schrauben 610 entspricht, und in der Ebene des Grobeinstellungsmechanismus 600 angeordnet ist, ist im Preßsitz in den Grobeinstellungsmechanismus 600 eingebettet.
Anschließend wird eine zweite Ausführungsform des Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 2A und 2B beschrieben. Die zweite Ausführungsform ist auf solche Weise ausgebildet, daß der Befestigungsbereich 120 für die erste Sonde und der Befestigungsbereich 220 für das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement gemäß der ersten Ausführungsform als Befestigungsbereich 720 für die erste Sonde und das bimorphe Verschiebungselement im wesentlichen in Form einer Scheibe integriert sind, die aus einem durchgehend geformten Material besteht.
Der Befestigungsbereich 720 für die erste Sonde und das bimorphe Element umfaßt einen scheibenförmigen stationären Bereich 720b und einen Haltebereich 720a für die erste Sonde, der außerhalb des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 positioniert ist. Der Umfangsbereich des stationären Bereichs 720b ist an dem Umfangsbereich des freien Endes 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 beispielsweise mit einem Klebstoff befestigt. Die erste Sonde 110 ist an dem Haltebereich 720a für die erste Sonde befestigt. Ein stationärer Endbereich 200b des bimorphen piezoelektrischen verschiebungselements 200 ist in der Nähe des zentralen Bereichs des stationären Bereichs 720b beispielsweise mit Klebstoff befestigt, wobei der in der Nähe liegende Bereich dem Bereich in der Nähe des zentralen Bereichs des freien Endes 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 entspricht. Der Befestigungsbereich 320 für den Ausleger, der Ausleger 300, der Befestigungsbereich 420 für die zweite Sonde und die zweite Sonde 410 sind ebenso wie bei der ersten Ausführungsform angeordnet.
Der Befestigungsbereich 720 für die erste Sonde und das bimorphe Element ist unter Verwendung einer maschinell bearbeitbaren Keramik durch Feinbearbeitung gefertigt.
Gemäß der zweiten Ausführungsform kann ein zuverlässiger Feinabtastmechanismus auf einfache Weise hergestellt werden. Dabei werden bei der ersten Ausführungsform die erste Sonde 110 und der Ausleger 300 miteinander über eine Vielzahl von Elementen verbunden, wie Fig. 1B zeigt, d. h. über den Befestigungsbereich 120 für die erste Sonde, die Elektrode 1023, das piezoelektrische Material 101, die Elektrode 1025, den Befestigungsbereich 220 für das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement, das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 und den Befestigungsbereich 320 für den Ausleger.
Bei der zweiten Ausführungsform sind diese aber miteinander durch eine verringerte Zahl von Elementen verbunden, wie Fig. 2B zeigt, d. h. den Befestigungsbereich 720 für die erste Sonde und das bimorphe Element, das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement und den Befestigungsbereich 320 für den Ausleger. Somit sind sie miteinander durch einen einfachen Aufbau im Vergleich mit der ersten Ausführungsform verbunden. Daher kann die Ausfluchtung des vorderen Bereichs der ersten Sonde 110 mit dem Ausleger 300 leicht durchgeführt werden, so daß die Fertigung des Feinabtastmechanismus einfach ist. Außerdem kann die Zahl der Elemente, die aus verschiedenen Materialien bestehen und zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 angeordnet sind, verringert werden, so daß komplexe Probleme in bezug auf Wärmeausdehnung und Vibrationen vermieden werden. Infolgedessen kann ein zuverlässiger Feinabtastmechanismus gefertigt werden.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird eine dritte Ausführungsform des Feinabtastmechanismus nach der Erfindung beschrieben. Bei der dritten Ausführungsform ist ein brückenartiger Befestigungsbereich 721 für die erste Sonde und das bimorphe Element aus einem durchgehend geformten Material an dem freien Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 befestigt.
Der Befestigungsbereich 721 für die erste Sonde und das bimorphe Element umfaßt einen brückenartigen stationären Bereich 821b und einen Haltebereich 721a für die erste Sonde, der an der Außenseite des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 positioniert ist. Der stationäre Bereich 821b ist beispielsweise mit einem Klebstoff befestigt, um die beiden Umfangsbereiche des freien Endes 100a über die Mitte des Zylinders des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 miteinander zu verbinden.
Bei dieser Ausführungsform kann das Gewicht des Befestigungsbereichs 721 für die erste Sonde und das bimorphe Element verringert werden. Außerdem kann die Länge verkürzt werden, die notwendig ist, um den Befestigungsbereich 721 für die erste Sonde und das bimorphe Element mit dem freien Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 zu verbinden. Daher kann eine mechanische Formänderung vermieden werden, die zwischen dem Befestigungsbereich 721 für die erste Sonde und das bimorphe Element und dem zylindrischen piezoelektrischen Element 100 auftritt, wenn der Feinabtastmechanismus betätigt wird, um eine komplizierte dreidimensionale Verschiebungsbewegung durchzuführen.
Eine vierte Ausführungsform des Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4A und 4B beschrieben. Bei der vierten Ausführungsform ist außerdem eine dritte Sonde 810 an einem aus einem durchgehend geformten Material bestehenden Befestigungsbereich 722 für die erste Sonde und das bimorphe Element angebracht. Der Befestigungsbereich 722 für die erste Sonde und das bimorphe Element umfaßt einen scheibenartigen stationären Bereich 722b und einen Haltebereich 722a für die erste und die dritte Sonde, der an der Außenseite des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 positioniert ist. Der Umfangsbereich des stationären Bereichs 722b ist an dem Umfangsbereich des freien Endes 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 beispielsweise mit einem Klebstoff befestigt. Der Haltebereich 722a für die erste und die dritte Sonde hat einen Bereich 722c, an dem die erste Sonde 110 befestigt ist, und einen Bereich 722d, an dem die dritte Sonde 810 befestigt ist und der an der Außenseite des Bereichs 722c ausgebildet ist. Die erste und die dritte Sonde 110 und 810 sind an den jeweiligen Bereichen 722c und 722d befestigt.
Die dritte Sonde 810 ist weiter entfernt von der Zylinderachse des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 angeordnet als die erste und die zweite Sonde 110 und 410. Infolgedessen ist die dritte Sonde 810 fähig, der Oberfläche der Probe 510 ohne Behinderung direkt vertikal gegenüberzustehen. Wenn beispielsweise die dritte Sonde 810 an dem entsprechenden Bereich 722d auf solche Weise befestigt ist, daß der vordere Bereich der dritten Sonde 810 näher benachbart an der Oberfläche der Probe 510 als der vordere Bereich der zweiten Sonde 410 ist, führt der vordere Bereich der dritten Sonde 810 eine dreidimensionale Verschiebungsbewgung auf der Oberfläche der Probe 510 synchron mit dem freien Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 aus.
Gemäß der vierten Ausführungsform kann der Feinabtastmechanismus verwendet werden, um sowohl als Abtast-Tunnelmikroskop (STM) als auch als AFM wirksam zu sein. Eine Vorspannung wird zwischen der dritten Sonde 810 und der Probe 510 angelegt, während die gegenseitige Annäherung zwischen der dritten Sonde 810 und der Probe 510 durch den Grobeinstellungsmechanismus 600 gemäß den Fig. 1E und 1H erfolgt, so daß an das zylindrische piezoelektrische Element 100 eine Dreiecksspannung angelegt wird. Ferner wird das piezoelektrische Element 100 in Z-Richtung gesteuert, um die Distanz zwischen der dritten Sonde 810 und der Probe 510 zu dem Tunnelbereich zu machen und den Tunnelstrom auf einem vorbestimmten Wert zu halten. Wenn der Wert der XY-Abtastung und der Wert der Rückkopplung in Z-Richtung auf einem Display angezeigt werden, wird das Bild der Probe 510, die von dem STM beobachtet wird, angezeigt. Elektrische Verbindungselemente wie elektrische Zuleitungen und Lötelemente, die zum Zweck des Anlegens der Vorspannung an die dritte Sonde vorgesehen sind, sind nicht dargestellt. In einem Fall, in dem der Feinabtastmechanismus für das AFM verwendet wird, muß die dritte Sonde 810 aus dem Bereich 722d entfernt werden, oder die dritte Sonde 810 wird auf solche Weise positioniert, daß ihr vorderer Bereich weiter von der Probe 510 entfernt ist als die zweite Sonde 410.
Eine fünfte Ausführungsform des Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 5A beschrieben. Die fünfte Ausführungsform ist auf solche Weise ausgelegt, daß in dem Befestigungsbereich 120 für die erste Sonde gemäß der ersten Ausführungsform ein Innengewindebereich 1201 ausgebildet ist, so daß er koaxial mit der ersten Sonde 110 positioniert ist, und daß eine Außengewindeschraube 1201 in den Innengewindebereich 1201 eingeschraubt ist. Wenn die Außengewindeschraube 1202 gedreht wird, wird die erste Sonde 110, die mit der Außengewindeschraube 1202 in Berührung ist, vorwärtsgeschoben, so daß der vordere Bereich der ersten Sonde 110 dem Ausleger (nicht dargestellt) angenähert wird.
Wenn bei der fünften Ausführungsform die Außengewindeschraube 1202 gedreht wird, kann der vordere Bereich der ersten Sonde 110 ohne weiteres vorher innerhalb eines Bereichs der eindimensionalen Verschiebung positioniert werden, die durch die Spannung Eo eingestellt werden kann, die an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 100 anzulegen ist. Infolgedessen kann der Tunnelbereich zuverlässig durch die Spannung Vo gebildet werden, die an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 anzulegen ist. Wenn das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 von einem Typ ist, der fähig ist, sich um eine Distanz von 15 um zu bewegen, wenn eine Spannung von 60 V angelegt wird, ist es sehr schwer, den vorderen Bereich der ersten Sonde 110, die von einer Pinzette gehalten wird, zu veranlassen, sich dem Ausleger 300 innerhalb der oben beschriebenen Distanz von 15 um zu nähern. Wenn jedoch die Außengewindeschraube 1202 gemäß der fünften Ausführungsform gedreht wird, kann die erste Sonde 110 ohne weiteres angenähert werden, wie oben beschrieben wird. Als Außengewindeschraube 1202 wird eine Maschinenschraube M1 (JIS Bllol) mit einer Steigung von 250 um verwendet. Der Innengewindebereich 1201 kann ein entsprechendes Innengewinde haben, das zum Teil in dem Befestigungsbereich 120 für die erste Sonde ausgebildet ist.
Als nächstes wird eine Methode zum Befestigen der ersten Sonde 110 im einzelnen beschrieben. Eine Metallkapillare mit einem Außendurchmesser von 0,75 mm und einem Innendurchmesser von 0,4 mm wird an dem Befestigungsbereich 120 der ersten Sonde angebracht, wobei die Metallkapillare auf solche Weise ausgebildet ist, daß beispielsweise ein Leitungsdraht daran angelötet werden kann. Dann wird die erste Sonde 110, die gebogen ist, um in gewissem Maß eine einer U-Gestalt zugewandte Seite zu bilden, in die Kapillare eingesetzt. Ferner wird die Außengewindeschraube 1202 gedreht, während mit einer Vergrößerungseinrichtung oder durch Stereomikroskopie die Distanz zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 beobachtet wird, um den vorderen Bereich der ersten Sonde 110 an den Ausleger 300 anzunähern. Dann wird die Außengewindeschraube 1202 entweder in Gegenrichtung gedreht oder entfernt. Infolgedessen verbleibt die erste Sonde 110 in der Kapillare, und die Berührung zwischen der Außengewindeschraube 1202 und der ersten Sonde 110 wird aufgehoben. Daher kann die positionsmäßige Abweichung der ersten Sonde 110 aufgrund von Zeitablauf, hervorgerufen durch Lockerung und Wackeln der Außengewindeschraube 1202, verhindert werden. Außerdem können Vibrationen der ersten Sonde 110, die von außen über die Außengewindeschraube 1202 übertragen werden, verhindert werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 5B bis 5C werden Modifikationen der fünften Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Bei der in Fig. 5B gezeigten Modifikation ist in jedem der Haltebereiche 820a und 721a für die erste Sonde, die den Befestigungsbereichen 720 und 721 für die erste Sonde und das bimorphe Element gemäß der zweiten und der dritten Ausführungsform entsprechen, ein Innengewindebereich 7201 ausgebildet. Eine Außengewindeschraube 7202 ist in den Innengewindebereich 7201 eingeschraubt. Bei der Modifikation von Fig. 5C ist der Innengewindebereich 7201 in dem Befestigungsbereich 722c für die erste Sonde entsprechend dem Befestigungsbereich 722 für die erste Sonde und das bimorphe Element gemäß der vierten Ausführungsform gebildet. Die Außengewindeschraube 7202 ist in den Innengewindebereich 7201 eingeschraubt. Mit diesen Modifikationen können gleichartige Wirkungen wie bei der fünften Ausführungsform erhalten werden. Die dritte Sonde 810, die in Fig. 5C gezeigt ist, kann nach der Methode zum Anbringen der ersten Sonde 110 gemäß der fünften Ausführungsform befestigt werden.
Wie die Fig. 5D bis 5E zeigen, kann eine erste Sonde 111 von einem Schlitztyp, die an ihrer Seitenfläche ein Gewinde hat, so verwendet werden, daß sie in die Innengewinde 1201 und 7201 eingedreht wird. Wenn die erste Sonde 111, die die Außengewindeschraube ist, gedreht wird, nähert sich der vordere Bereich der ersten Sonde 111 dem Ausleger 300.
Als erste Sonde 111, an der das Außengewinde gebildet ist, wird ein metrisches Grobgewinde (JIS B0205) mit einer Steigung von 0,25 mm an der Seitenfläche eines Wolframstabs (W- Stabs) gebildet, der einen Durchmesser von 1 mm hat, bevor ein Schlitz mit einer Breite von beispielsweise 0,32 mm und einer Tiefe von 0,35 mm an einem vorderen Bereich davon gebildet wird, so daß die Sonde von einem Schraubendreher gedreht werden kann. Der andere vordere Bereich wird durch maschinelles Bearbeiten oder Elektropolieren zugespitzt.
Gemäß den Modifikationen, die in den Fig. 5D bis 5F gezeigt sind, kann die Länge des Schraubenfixierungsbereichs zufriedenstellend vergrößert werden. Daher kann die erste Sonde 111 entweder an dem Befestigungsbereich 120 für die erste Sonde oder an dem Befestigungsbereich 720 bis 722 für die erste Sonde und das bimorphe Element befestigt werden, ohne daß sie locker und wacklig wird.
Eine sechste Ausführungsform des Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 6A und 6B beschrieben. Bei der sechsten Ausführungsform ist für den Befestigungsbereich 720 der ersten Sonde und des bimorphen Elements ein piezoelektrisches Halteelement 900 zum mechanischen Halten des freien Endes 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 vorgesehen, um den Befestigungsbereich 320 des Auslegers zu befestigen und zu halten.
Als piezoelektrisches Halteelement 900 wird beispielsweise ein Paar von parallelen bimorphen piezoelektrischen Halteelementen 91 und 92 verwendet. Das Paar von parallelen bimorphen piezoelektrischen Halteelementen 91 und 92 wird parallel zu der Verschiebung des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 in der Richtung der Y-Achse in Fig. 6A verschoben. Die stationären Enden 91b und 92b der bimorphen piezoelektrischen Halteelemente 91 und 92 sind an dem Befestigungsbereich 720 für die erste Sonde und das bimorphe Element an einer Position benachbart einem Bereich befestigt, in dem das stationäre Ende 200b des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 befestigt ist.
Wie Fig. 6C zeigt, weist jedes bimorphe piezoelektrische Halteelement 91 und 92 ein Paar von piezoelektrischen Materialien 9111, 9112 und 9211, 9212 auf, die auf jeweiligen Seiten entsprechender elastischer Platten 913 und 923 gebildet sind. Außerdem sind Elektroden 9121, 9122, 9221 und 9222 an den entsprechenden piezoelektrischen Materialien 9111, 9112, 9211 und 9212 ausgebildet. Die piezoelektrischen Materialien 9111 und 9211 werden einer Polarisationsbehandlung in einer Betriebsart mit Querwirkung unterzogen, wobei die Richtung von den Elektroden 9121 und 9221 zu den elastischen Platten 913 und 923 die Polarisationsrichtung ist und die Verdrehrichtung und die Polarisationsrichtung zueinander senkrecht sind. Außerdem werden die piezoelektrischen Materialien 9112 und 9212 einer Polarisationsbehandlung in einer Betriebsart mit Querwirkung unterzogen, wobei die Richtung von den elastischen Platten 913 und 923 zu den Elektroden 9122 und 9222 die Polarisationsrichtung ist und die Verdrehrichtung und die Polarisationsrichtung zueinander senkrecht sind. In jedem der piezoelektrischen Elemente 200, 91 und 92 sind das Elektrodenpaar 2021 und 2022, das Elektrodenpaar 9121 und 9122 und das Elektrodenpaar 9221 und 9222 jeweils miteinander derart elektrisch verbunden, daß der Verbindungsbereich so ausgebildet ist, daß er ein positives Potential hat. Außerdem sind die elastischen Platten 203, 913 und 923 so ausgebildet, daß sie das negative Potential haben. Wenn an diese Struktur eine Spannung angelegt wird, wird das freie Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 um eine Strecke F2 in einer gezeigten Richtung verschoben. Außerdem werden die freien Enden 91a und 92a der bimorphen piezoelektrischen Halteelemente 91 und 92 ebenfalls um Strecken F91 und F92 in den gezeigten Richtungen verschoben. Dabei ist die Verschiebungsrichtung der freien Enden 91a und 92a des Paars von bimorphen piezoelektrischen Halteelementen 91 und 92 umgekehrt zueinander. Elektrische Verbindungselemente, wie elektrische Leitungsdrähte und Lötelemente, die zum Zweck des Aufbringens von Betätigungsspannungen auf die Elektroden und die elastische Platte vorgesehen sind, sind nicht-dargestellt.
Ein Isolator 204 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa maschinell bearbeitbarer Keramik in Form einer Kappe ist an dem freien Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 auf solche Weise angebracht, daß der Isolator das freie Ende 200a umgibt. Es ist vorgesehen, daß die Distanz d von dem Isolator 204 zu den freien Enden 91a und 92a der jeweiligen bimorphen.piezoelektrischen Halteelemente 91 und 92 kleiner als die Verschiebungswerte F91 und F92 der jeweiligen bimorphen piezoelektrischen Halteelemente 91 und 92 ist.
Die bimorphen piezoelektrischen Halteelemente 91 und 92 wirken wie folgt. Die an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 angelegte Spannung wird in einem Zustand vergrößert, in dem an die bimorphen piezoelektrischen Halteelemente 91 und 92 keine Spannung angelegt ist, keine atomare Kraft zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 wirksam ist und keine Auslenkung des Auslegers 300 stattfindet. Anschließend wird die Distanz zwischen dem freien Ende 300a des Auslegers 300 und der Sonde 110 auf solche Weise verkürzt, daß die oben beschriebene Distanz zu dem Tunnelbereich wird, und der dort fließende Tunnelstrom wird auf einen vorbestimmten Wert gebracht. Die Spannung, die an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 angelegt ist, wenn der wie oben beschrieben fließende Tunnelstrom den vorbestimmten Wert annimmt, wird permanent beibehalten. Ferner wird eine Spannung an die bimorphen piezoelektrischen Halteelemente 91 und 92 angelegt, um zu bewirken, daß die Verschiebungswerte F91 und F92 der freien Enden 91a und 92a größer als die ursprüngliche Distanz d werden. Infolgedessen wird das freie Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 von den freien Enden 91a und 92a der bimorphen piezoelektrischen Halteelemente 91 und 92 über den Isolator 204 gehalten, so daß es nach Wunsch fixiert und gehalten wird.
Wenn in diesem Zustand an das zylindrische piezoelektrische Element 100 eine Dreiecksspannung angelegt wird, werden das freie Ende 100a des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100, das freie Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200, das freie Ende 300a des Auslegers 300, die erste Sonde 110 und die zweite Sonde 410 miteinander synchronisiert. Infolgedessen tastet die zweite Sonde 410 die Oberfläche der auf der Probenschale 500 angebrachten Probe 510 zweidimensional ab.
Die zweite Sonde 410 und die Probe 510 werden aneinander angenähert unter Verwendung des Grobeinstellungsmechanismus 600, wie unter Bezugnahme auf die Fig. 1E bis 1H beschrieben wurde, so daß die atomare Kraft zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 wirksam ist. Außerdem wird die Bewegung des zylindrischen piezoelektrischen Elements 100 in Z- Richtung so gesteuert, daß bewirkt wird, daß der Tunnelstrom, der zwischen dem freien Ende 300a des Auslegers 300 und der ersten Sonde 110 fließt, auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Dann werden der Wert der Abtastung in der XY-Ebene und der Wert der Rückkopplung in Z-Richtung auf einem Display angezeigt, so daß die Abbildung der von dem AFM beobachteten Oberfläche der Probe 510 erhalten wird.
Die bimorphen piezoelektrischen Halteelemente 91 und 92 können so ausgebildet sein, daß sie die gleichen Dimensionen haben und aus dem gleichen Material bestehen wie das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement.
Bei der sechsten Ausführungsform wird das freie Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 von den bimorphen piezoelektrischen Halteelementen 91 und 92 über den Isolator 204 gehalten. Wenn also das oben beschriebene Ladungssteuersystem ebenfalls verwendet wird, können die Hysterese und das Kriechen des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 eliminiert werden. So kann also die unerwünschte Änderung des Tunnelstroms nach Ablauf einer gewissen Zeit und die Verschlechterung der Reproduzierbarkeit der angelegten Spannung zur Realisierung des Tunnelbereichs verhindert werden. Bei dieser Ausführungsform kann die Distanz zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 ohne weiteres so beibehalten werden, daß sie innerhalb des Tunnelbereichs liegt, weil das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 als Ausleger ausgebildet ist und ein freies Ende 200a hat, das den Ausleger 300 abstützt.
Wie Fig. 6D zeigt, kann der Ausleger 300 direkt an dem Isolator 204 befestigt sein.
Ferner können die bimorphen piezoelektrischen Halteelemente 91 und 92 und dergleichen für den brückenähnlichen Befestigungsbereich 7821 der ersten Sonde und des bimorphen Elements gemäß der dritten Ausführungsform vorgesehen sein.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7A wird eine siebte Ausführungsform des Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung beschrieben. Bei der siebten Ausführungsform ist ein piezoelektrisches Feineinstellungselement 930 zum präzisen Einstellen der Position des Befestigungsbereichs 320 des Auslegers für das freie Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 vorgesehen.
Das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 umfaßt ein piezoelektrisches Element vom Viereckplattentyp in Form einer Einzelschicht und ist so ausgebildet, daß sie in einer Betriebsart mit vertikaler Wirkung arbeitet, und das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 ist zwischen einem Befestigungsbereich 940 für das piezoelektrische Feineinstellungselement, der an dem freien Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 befestigt ist, und dem Befestigungsbereich 320 für den Ausleger angeordnet. Das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 weist ein piezoelektrisches Material 9311 und Elektroden 9321 und 9322 auf. Das piezoelektrische Material 9311 ist einer Polarisationsbehandlung in der Betriebsart mit vertikaler Wirkung unterworfen, wobei die Richtung von der Elektrode 9321 zu der Elektrode 9322 die Polarisationsrichtung ist und die Verdrehrichtung und die Polarisationsrichtung gleich sind, wie in Fig. 7B gezeigt ist.
Die Elektroden 2021 und 2022 des bimorphen piezoelektrischen Elements 200 sind miteinander elektrisch verbunden, und eine Spannung Eo wird zwischen die oben beschriebenen Elektroden 2021 und 2022 angelegt, wobei die elektrisch miteinander verbundenen Elektroden 2021 und 2022 das positive Potential haben und die elastische Platte 203 das negative Potential hat. Infolgedessen wird das freie Ende 200a eindimensional um Uo in der Z-Richtung in bezug auf das stationäre Ende 200b verschoben. Wenn eine Spannung E1 zwischen die oben beschriebenen Elektroden 9322 des piezoelektrischen Feineinstellungselements 930, die zu dem positiven Potential gemacht ist&sub1; und die Elektrode 9321 desselben, die zu dem negativen Potential gemacht ist, angelegt wird, wird die Elektrode 9322 um U1 eindimensional in der Z-Richtung in bezug auf den Befestigungsbereich 940 des piezoelektrischen Feineinstellungselements verschoben. Wenn also Spannungen jeweils an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 und das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 angelegt werden, wird die Elektrode 9322 eindimensional um U = Uo + U1 in der Z-Richtung von dem stationären Ende 200b des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 verschoben. Elektrische Verbindungselemente wie elektrische Leitungsdrähte und Lötelemente, die zum Zweck des Anlegens von Betätigungsspannungen an die Elektroden 9321 und 9322 vorgesehen sind, sind in Fig. 7A weggelassen.
Das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 ist so geformt, daß es eine Länge von beispielsweise 1 mm, eine Breite von 2 mm und eine Dicke von 0,3 mm hat. Der Wert der eindimensionalen Verschiebung U1 bei der angelegten Spannung von 10 V ist 40 Å. Das piezoelektrische Material 9311 hat eine Dicke von 0,2 mm und besteht aus Titanatbleizirkonat (Pb(Zr-Ti)O&sub3;) mit einer Elektrostriktionskonstanten d33 = 400 x 10&supmin;¹² m/V und einer Curie-Temperatur von ca. 200 ºC. Die Elektroden 9321 und 9322 sind so geformt, daß sie eine Dicke von ca. 3 um haben, und zwar durch Aufdrucken von Silber (Ag) oder chemische Abscheidung von Nickel (Ni). Der Befestigungsbereich 940 des piezoelektrischen Feineinstellungselements besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise maschinell bearbeitbarer Keramik.
Der Betrieb und die Wirkung, die mit der siebten Ausführungsform erzielbar ist, wird unter Bezugnahme auf Fig. 7C beschrieben. Ein 16-Bit-D-A-Wandler 31, der eine maximale Ausgangsspannung V1 von ±10 V hat, ist mit dem Operationsverstärkerkreis 33 über den Widerstand R1 verbunden, wobei der D-A-Wandler 31 von einem Computer gesteuert wird. Außerdem ist ein Widerstand R3 dem Operationsverstärkerkreis 33 parallelgeschaltet. Die Widerstände R1 und R3 sind so ausgebildet, daß sie eine Verstärkung des Ausgangswerts des D-A- Wandlers 31 mit einer Spannungsverstärkungsrate von 15 bewirken.
In einem Fall, in dem das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 ein Element aufweist, dessen Bewegungsstrecke bei der angelegten Spannung von 60 V beispielsweise 15 um ist und dessen maximale Spannung, die daran angelegt werden kann, 150 V ist, kann die Ausgangsspannung des Operationsverstärkerkreises 33 bis zu 150 V in Einheiten von 15 mV veränderlich sein, wenn die Ausgangsspannung V1 des D- A-Wandlers 31 in Einheiten von 1 mV geändert wird. Das heißt also, der Verschiebungswert Uo des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 kann bis zu 37 um in Einheiten von 37,5 Å geändert werden.
Ein 16-Bit-Wandler 32, der eine maximale Ausgangsspannung V2 von ±10 V hat und von dem Computer gesteuert wird, ist mit dem piezoelektrischen Feineinstellungselement 930 verbunden, so daß die Ausgangsspannung V2 dem piezoelektrischen Feineinstellungselement 930 zugeführt wird. Da der Wert der Verschiebung des piezoelektrischen Feineinstellungselements 930 je Einheit der angelegten Spannung 44 Å/V ist, kann der Verschiebungswert U1 des piezoelektrischen Feineinstellungselements 930 bis zu 40 Å in Einheiten von 0,004 Å variiert werden, wenn die angelegte Spannung V2 in Einheiten von 1 mV geändert wird.
Daher liegt die Verschiebungsstrecke von 37 Å des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200, die realisiert wird, wenn die Ausgangsspannung V1 des D-A-Wandlers 31 um 1 mV geändert wird, innerhalb eines Bereichs, in dem das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 durch die Ausgangsspannung V2 des D-A-Wandlers 32 geändert werden kann. Das heißt, die Distanz zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 kann präzise geändert werden durch Nutzung des synthetisierten Verschiebungswerts U = Uo + U1 des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 und des piezoelektrischen Feineinstellungselements 930.
Das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 bietet den Vorteil, daß im Vergleich mit dem bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselement 200 die Größe verringert ist, daß der Verschiebeweg pro Einheit der angelegten Spannung klein ist und daß Kriechen weitestgehend verhindert werden kann. Das bimorphe piezoelektriche Verschiebungselement 200 bietet den Vorteil, daß der Verschiebungswert pro Einheit der angelegten Spannung groß ist. Wenn also sowohl das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 als auch das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 verwendet werden, kann die Distanz zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 innerhalb kurzer Zeit ohne weiteres im Tunnelbereich positioniert werden.
Bei der siebten Ausführungsform kann der Änderungswert ΔV der Spannung, die an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 angelegt wird und die dem Änderungswert ΔL der Distanz zwischen dem freien Ende 300a des Auslegers 300 und der ersten Sonde 110 entspricht, wenn der Ausleger durch die Wirkung der atomaren Kraft zwischen der zweiten Sonde 410 und der Probe 510 ausgelenkt wird, durch den Änderungswert der Spannung ersetzt werden, die an das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 angelegt wird, deren Änderungswert um einen extrem kleinen Wert änderbar ist. Daher kann ein Feinabtastmechanismus realisiert werden, der fähig ist, eine kleine Auslenkung des Auslegers 300 zu beobachten, d. h. der fähig ist, eine geringe atomare Kraft zu beobachten.
Als Alternative zu dem piezoelektrischen Feineinstellungselement 930 kann ein piezoelektrisches Feineinstellungselement 950 verwendet werden, das ein viellagiges, beispielsweise dreilagiges, piezoelektrisches Element vom Viereckplattentyp ist. Das piezoelektrische Feineinstellungselement 950 weist piezoelektrische Materialien 9511 bis 9513 sowie Elektroden 9521 bis 9524 auf. Wie Fig. 7E zeigt, unterliegen die piezoelektrischen Materialien 9511 bis 9513 einer Polarisationsbehandlung in der Betriebsart mit vertikaler Wirkung, wobei eine durch Pfeile in Fig. 7E bezeichnete Richtung die Polarisationsrichtung ist und wobei die Verdrehrichtung und die Polarisationsrichtung gleich sind. Außerdem sind die Elektroden 9522 und 9524 des piezoelektrischen Feineinstellungselements miteinander elektrisch verbunden. Eine Spannung E3 wird an die 6ben beschriebenen Elektroden 9522 und 9524, die das positive Potential erhalten, und an die Elektroden 9521 und 9523 angelegt, die das negative Potential erhalten. Infolgedessen wird die Elektrode 9524 eindimensional um U3 in Z-Richtung in bezug auf den Befestigungsbereich 940 des piezoelektrischen Feineinstellungselements verschoben. Wenn daher Spannungen jeweils an das oben beschriebene bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 und das piezoelektrische Feineinstellungselement 950 angelegt werden, wird die Elektrode 9524 eindimensional um U = Uo + U3 in Z-Richtung von dem stationären Ende 200b des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements verschoben.
In einem Fall, in dem die Dimensionen und Materialien für jedes der piezoelektrischen Materialien des piezoelektrischen Feineinstellungselements 950 die gleichen wie die für das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 sind, wird der Verschiebungswert U3 zu 3 U1, und der Verschiebungswert für die Einheit der angelegten Spannung wird zu 12 Å/V. Ebenso wird, wenn ein piezoelektrisches Element vom Viereckplattentyp mit n Lagen verwendet wird, der Verschiebungswert Un zu n U1. Daher wird der eindimensionale Verschiebungswert größer, wenn das viellagige piezoelektrische Element vom Viereckplattentyp verwendet wird, als der Wert, der realisiert wird, wenn ein einlagiges piezoelektrisches Element vom Viereckplattentyp verwendet wird. Infolgedessen kann die Distanz zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 bis zum Erreichen des Tunnelbereichs weitgehend abgetastet werden.
Wie Fig. 7F zeigt, wird eine andere Struktur verwendet, bei der ein kappenähnlicher Isolator 204 aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einer maschinell bearbeitbaren Keramik, an dem freien Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 auf solche Weise befestigt ist, daß der Isolator 204 das freie Ende 200a umgibt. Ferner ist das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 oder 950 an dem Isolator 204 befestigt, und der Isolator 204 wird mechanisch zwischen dem Paar von bimorphen piezoelektrischen Halteelementen 91 und 92 gehalten, um den Isolator 204 zu befestigen und zu halten. Bei einer Struktur, bei der das freie Ende 200a des bimorphen piezoelektrischen Elements 200 auf diese Weise befestigt und gehalten ist, kann die Distanz zwischen der ersten Sonde 110 und dem Ausleger 300 ohne weiteres in den Tunnelbereich gebracht werden, und zwar durch das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 oder 950, das fähig ist, das Kriechen extrem zu reduzieren, und dessen Änderungswert für die Einheit der angelegten Spannung klein ist.
Eine achte Ausführungsform des Feinabtastmechanismus gemäß der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 8A und 8B beschrieben. Bei der achten Ausführungsform ist die Elektrode 9321 zum Anlegen von Spannung an das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 elektrisch und mechanisch mit der Elektrode 2021 zum Anlegen von Spannung an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 durch Löten oder dergleichen verbunden.
Der Betrieb der Struktur nach der achten Ausführungsform ist der gleiche wie bei der siebten Ausführungsform. Zum Einstellen der Polaritäten der Spannungen, die an das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement 200 und das piezoelektrische Feineinstellungselement 930 anzulegen sind, sind jedoch die Elektroden 2021 und 2022 des piezoelektrischen Verschiebungselements 200 geerdet, wie Fig. 8C zeigt. Ferner ist der Operationsverstärkerkreis 33 mit der elastischen Platte 203 über einen invertierenden Spannungsverstärker 34 gekoppelt. Außerdem ist der D-A-Wandler 32 mit der Elektrode 9322 des piezoelektrischen Feineinstellungselements 930 verbunden. Wenn der D-A-Wandler 31 durch einen D-A-Wandler 35 ersetzt wird, der fähig ist&sub1; die invertierte Spannung -V1 zu übertragen, kann der invertierende Spannungsverstärker 34 aus der Schaltung weggelassen werden.
Wie die Fig. 8E und 8F zeigen, können die Elektrode 9521 des piezoelektrischen Feineinstellungselements 950 und die Elektrode 2021 des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 elektrisch und mechanisch miteinander gekoppelt sein.
Bei der achten Ausführungsform ist der Befestigungsbereich 940 des piezoelektrischen Feineinstellungselements gemäß der siebten Ausführungsform weggelassen. Daher kann die Struktur vereinfacht und die Festigkeit verbessert werden. Außerdem kann der Feinabtastmechanismus auf einfache Weise gefertigt werden.
Die Polaritäten der Spannungen, die an die Elektroden des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements 200 und der piezoelektrischen Feineinstellungselemente 930 und 950 anzulegen sind, und die elektrischen Verbindungsmethoden gemäß der siebten und der achten Ausführungsform wurden beschrieben, um als Beispiele zu dienen. Wenn die piezoelektrischen Materialien der Polarisationsbehandlung in einer Richtung unterworfen werden, die von den Richtungen gemäß den siebten und achten Ausführungsformen verschieden ist, können elektrische Schaltungen und elektrische Verbindungsmethoden angewandt werden, die der angewandten Polarisationsbehandlung entsprechen.

Claims

1. Feinabtastmechanismus für die Mikroskopie bei atomaren Kräften, der folgendes aufweist:

- ein zylindrisches piezoelektrisches Element (100);

- einen ersten Sondenbefestigungsbereich (120), der an einem Endbereich (100a) an der Seite (1023) eines dreidimensional verschiebbaren Bereichs des zylindrischen piezoelektrischen Elements befestigt ist;

- eine erste Sonde (110), die an dem ersten Sondenbefestigungsbereich (120) befestigt ist;

- einen Ausleger (300);

- eine zweite Sonde (410); sowie

- eine stationäre Probenschale (500);

gekennzeichnet durch

- einen Befestigungsbereich (220) für ein bimorphes piezoelektrisches Element, der an dem Endbereich an der Seite des dreidimensional verschiebbaren Bereichs des zylindrischen piezolelektrischen Elements befestigt ist;

- ein bimorphes piezoelektrisches Verschiebungselement (200), das an dem Befestigungsbereich (220) für das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement befestigt ist, so daß es einen eindimensional verschiebbaren Bereich aufweist;

- einen Befestigungsbereich (320) für einen Ausleger, der an einem Endbereich an der Seite des eindimensional verschiebbaren Bereichs des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements befestigt ist;

- wobei der Ausleger (300) an dem Befestigungsbereich (320) für den Ausleger befestigt ist;

- einen zweiten Sondenbefestigungsbereich (420), der an einem Endbereich (300b) an der Seite des verdrehbaren Verschiebungsbereichs befestigt ist;

- eine zweite, an dem zweiten Sondenbefestigungbereich (420) befestigte Sonde (410);

- wobei die stationäre Probenschale (500) derart angeordnet ist, daß sie der zweiten Sonde gegenüberliegt.

2. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 1, bei welchem der erste Sondenbefestigungsbereich (120, 720, 721) und der Befestigungsbereich (220) für das bimorphe piezoelektrische Verschiebungselement aus einem ersten bimorphen Sondenbefestigungsbereich (720) besteht, der von einem durchgehenden Teil (720) gebildet ist.

3. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 2, bei welchem der erste bimorphe Sondenbefestigungsbereich (720) einen im wesentlichen kreisförmigen stationären Bereich (720b) sowie einen mit dem stationären Bereich verbundenen ersten Sondenhaltebereich (720a) besitzt, wobei der Umfangsbereich des stationären Bereichs an dem Umfangsbereich des Endbereichs der Seite des dreidimensional verschiebbaren Bereichs des zylindrischen piezolektrischen Elements (100) befestigt ist.

4. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 2, bei welchem der erste bimorphe Sondenbefestigungsbereich (721) einen brückenartigen stationären Bereich (721b) sowie einen mit dem brückenartigen stationären Bereich verbundenen ersten Sondenhaltebereich (721a) aufweist, wobei der stationäre Bereich (721b) derart befestigt ist, daß der stationäre Bereich durch die Zylinderachse (Z) des zylindrischen piezoelektrischen Elements (100) verläuft und zwei Umfangspositionen des Endbereichs an der Seite des dreidimensional verschiebbaren Bereichs des zylindrischen piezoelektrischen Elements (100) verbindet.

5. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 2, der ferner eine dritte Sonde (810) aufweist, die an dem ersten bimorphen Befestigungsbereich für die erste Sonde (110) in einer Position befestigt ist, die von der Zylinderachse (Z) des zylindrischen piezoelektrischen Elements (100) weiter beabstandet ist als die erste und die zweite Sonde (110, 410).

6. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 1, bei welchem der erste Sondenbefestigungsbereich (120) einen Innengewindebereich (1201), der koaxial zu der ersten Sonde ausgebildet ist, sowie eine Gewindeschraube (1202) besitzt, die in den Innengewindebereich eingeschraubt ist.

7. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 1, der ferner ein piezoelektrisches Helteelement (900) zum mechanischen Sichern und Halten des Endbereichs an der Seite des eindimensional verschiebbaren Bereichs des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements aufweist.

8. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 1, der ferner ein piezoelektrisches Feineinstellungselement (930) aufweist, das zwischen dem Endbereich an der Seite des eindimensional verschiebbaren Bereichs des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements (200) und dem Befestigungsbereich (320) für den Ausleger angeordnet ist, um die Feineinstellung der Relativposition zwischen dem Endbereich an der Seite des eindimensional verschiebbaren Bereichs des bimorphen piezoelektrischen Elements und dem Befestigungsbereich (320) für den Ausleger zu bewirken.

9. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 8, bei welchem das piezoelektrische Feineinstellungselement (930) wenigstens zwei Elektroden (2021, 2022) besitzt, wobei eine negative Elektrode (203) des bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselements (200) elektrisch und mechanisch mit einer der beiden Elektroden verbunden ist, während der Befestigungsbereich (320) für den Ausleger an der anderen der beiden Elektroden vorgesehen ist.

10. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 7, bei welcher das piezoelektrische Halteelement (900) ein Paar bimorpher piezoelektrischer Elemente (91, 92) vom parallelen Typ aufweist, die zum Halten des bimorphen piezoelektrischen Elements (200) angeordnet sind.

11. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 10, bei welchem das Paar bimorpher piezoelektrischer Elemente parallel zu den bimorphen piezoelektrischen Verschiebungselementen angeordnet ist und ihre einen Endbereiche (91a, 91b) an dem Endbereich an der Seite des dreidimensional verschiebbaren Bereichs des zylindrischen piezolektrischen Elements in einer an ein festgelegtes Ende des bimorphen piezoelektrischen Elements angrenzenden Position befestigt sind.

12. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 11, bei welchem das Paar bimorpher piezoelektrischer Elemente derart angeordnet ist, daß die Verschiebungsrichtungen an ihren anderen Enden umgekehrt zueinander sind.

13. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 8, bei welchem das piezoelektrische Feineinstellungselement ein piezoelektrisches Element ist, das in einer Betriebsart mit vertikaler Wirkung arbeitet.

14. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 13, bei welchem das piezoelektrische Feineinstellungselement ein einlagiges piezoelektrisches Element ist.

15. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 13, bei welchem das piezoelektrische Feineinstellungselement ein laminiertes piezoelektrisches Element ist.

16. Feinabtastmechanismus nach Anspruch 1, bei welchem das zylindrische piezoelektrische Element (100) ein zylindrisches piezoelektrisches Material (101), erste bis vierte Elektroden (1021, 1022, 1023, 1024), die an der Außenoberfläche des piezoelektrischen Materials jeweils parallel zu der Zylinderachse angeordnet sind, sowie eine fünfte Elektrode (1025) besitzt, die an der gesamten Oberfläche der Innenfläche des piezoelektrischen Materials ausgebildet ist.