DE69325841T2 - Rasterkraftmikroskop mit integrierter Optik und Auslegerhalterung, sowie Methode zu dessen Gebrauch - Google Patents

Rasterkraftmikroskop mit integrierter Optik und Auslegerhalterung, sowie Methode zu dessen Gebrauch

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung:
  • Die Erfindung betrifft allgemein Rasterkraftmikroskope und bezieht sich insbesondere auf ein Rasterkraftmikroskop mit einem verbesserten optischen Hebelarm und einem integrierten optischen System zum Betrachten des Hebelarms und einer Probe.
    • Beschreibung des Stands der Technik:
  • Rasterkraftmikroskope, auch als Atomkraftmikroskope bekannt, sind zum Abbilden von Objekten, die so klein wie Atome sind, nützlich. Das Rasterkraftmikroskop ist mit dem Raster-Tunnel- Mikroskop und der Technik der Taststift-Profilmessung eng verwandt; bei einem typischen Rasterkraftmikroskop wird jedoch die Ablenkung eines Laserstrahl durch eine Vertikalbewegung einer Sonde, die den Konturen einer Probe folgt, von einem Reflexionshebelarm verstärkt, an dem die Sonde angebracht ist.
  • Die Ablenkung des Laserstrahls wird typischerweise von einem Photodetektor im Strahlengang des abgelenkten Laserstrahls überwacht, und die Probe ist auf einem Objekttisch angebracht, der in drei Dimensionen in sehr kleinen Distanzen bewegbar ist, so daß die Probe rasterartig abgetastet werden kann, während gleichzeitig die vertikale Positionierung der Sonde relativ zu der Oberfläche der Probe durch eine Rückkopplungsschleife mit dem Photodetektor zur Steuerung der vertikalen Positionierung der Probe im wesentlichen konstant gehalten wird.
  • Da die Empfindlichkeit des optischen Hebelarms und der Sonde für einen nützlichen Betrieb solcher Rasterkraftmikroskope ausschlaggebend ist, weisen herkömmliche Rasterkraftmikroskope im allgemeinen optische Hebelarme mit so kleinen Dimensionen auf, daß die Anordnung aus optischen Hebelarmen und Sonde durch eine Berührung mit einer Probe oder bei der Handhabung leicht beschädigt werden kann; außerdem ist es schwierig, die Anordnung aus optischen Hebelarmen und Sonde zu handhaben und in dem Instrument anzubringen. Es wäre daher wünschenswert, eine verbesserte Halterung für die Sonde bereitzustellen, die einfacher zu handhaben und in dem Instrument zu positionieren wäre.
  • Eine Sonde kann zwar durch eine allzu abrupte Annäherung an eine Probe, bevor die Sonde in ausreichender Nähe der Probe ist, um eine Rückkopplungslagesteuerung zu initiieren, beschädigt werden, aber der Benutzer kann typischerweise die Annäherung der Anordnung aus Hebelarm und Sonde an die Oberfläche der Probe nicht leicht betrachten, um eine präzise Positionierung der Sonde zu gewährleisten.
  • Um dieses Problem zu überwinden, beschreibt die EP-A-0 388 023 ein Atomkraftmikroskop, das eine Anzahl von Kalibrierwerkzeugen aufweist, um das erste Einrichten und das Feinabstimmen des Mikroskops zu erleichtern. Bei anderen Anordnungen, wie etwa der in EP-A-0 373 742 beschriebenen, werden optische Ausfluchtungsmittel verwendet. Die EP-A-0 406 413 beschreibt ein Raster-Tunnel-Mikroskop, das ein Lichtmikroskop zum Beobachten des Abstands zwischen der Probenoberfläche und der Sondenspitze aufweist.
  • Aber selbst dann, wenn ein Lichtmikroskop in Verbindung mit dem Rasterkraftmikroskop verwendet wird, um die Probe zu betrachten, kann die Anordnung des Lichtmikroskop mit dem Ra sterkraftmikroskop unzweckmäßig und schwerfällig sein und den Betrieb des Rasterkraftmikroskops stören.
  • Es wäre daher ferner wünschenswert, ein Rasterkraftmikroskop mit einem in das Rasterkraftmikroskop integrierten optischen System zum Betrachten des optischen Hebelarms und der Sonde, insbesondere wenn die Sonde und die Probe miteinander in Berührung kommen, bereitzustellen.
  • Es wäre ferner wünschenswert, ein Rasterkraftmikroskop mit der Fähigkeit bereitzustellen, eine Probe in Berührung mit einem Fluid abzutasten, da eine solche Fluidumgebung Abtastbedingungen und -möglichkeiten signifikant ändern und die Güte der durch das Instrument aufgenommenen Abbildung der Probe verbessern kann.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Rasterkraftmikroskop zum Untersuchen von Oberflächenkonturen einer Probe bereitgestellt, das folgendes aufweist: einen ortsfesten Körper; eine Abtasteinrichtung zum Abringen einer von dem Rasterkraftmikroskop zu untersuchenden Probe, wobei die Abtasteinrichtung an dem ortsfesten Körper befestigt und so ausgebildet ist, daß sie die Probe mit drei Freiheitsgraden relativ zu dem Körper bewegt; eine optische Hebelarmeinrichtung, die eine Reflexionsoberfläche aufweist; eine Sondeneinrichtung, die an der optischen Hebelarmeinrichtung befestigt ist und eine Sondenspitze aufweist, die so ausgebildet ist, daß sie die Oberflächenkonturen der Probe berührt und ihnen folgt; eine Laserlichtquelleneinrichtung zum Erzeugen eines fokussierten Laserstrahls, der auf die optische Hebelarmeinrichtung gerichtet wird und dadurch abgelenkt wird; und eine Photodetektoreinrichtung zum Empfangen des von der Hebelarmeinrichtung abgelenkten Laserstrahls und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das den Ablenkungsgrad des Laserstrahls von der optischen Hebelarmeinrichtung angibt, wobei das Rasterkraftmikroskop dadurch gekennzeichnet ist, daß die optische Hebelarmeinrichtung an dem ortsfesten Körper befestigt ist, daß die Photodetektoreinrichtung in dem Körper angebracht ist, daß die Sondeneinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Oberflächenkonturen der Probe mit einem im wesentlichen konstanten Kraftwert berührt und ihnen folgt, und daß das Rasterkraftmikroskop ferner eine Einrichtung zum Betrachten der optischen Hebelarmeinrichtung und der Sondeneinrichtung in der Nähe der Oberflächenkonturen der Probe aufweist, wobei die Betrachtungseinrichung in dem ortsfesten Körper in fest vorgegebener Beziehung zu der optischen Hebelarmeinrichtung angeordnet ist, um eine leichtere Ausfluchtung des Laserstrahls auf die Reflexionsoberfläche der optischen Hebelarmeinrichtung zu ermöglichen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Vorbereiten eines Rasterkraftmikroskops zum Untersuchen von Oberflächenkonturen einer Probe bereitgestellt, wobei das Rasterkraftmikroskop folgendes aufweist: einen ortsfesten Körper; eine Abtasteinrichtung, die an dem ortsfesten Körper befestigt und zur Bewegung mit drei Freiheitsgraden relativ zu dem Körper ausgebildet ist; eine optische Hebelarmeinrichtung, die an dem ortsfesten Körper befestigt ist und eine Reflexionsoberfläche aufweist; eine Sondeneinrichtung, die an der optischen Hebelarmeinrichtung befestigt ist und eine Sondenspitze aufweist, wobei die Sondeneinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Oberflächenkonturen der Probe mit einem im wesentlichen konstanten Kraftwert berührt und ihnen folgt; eine Laserlichtquelleneinrichtung zum Erzeugen eines fokussierten Laserstrahls; eine Photodetektoreinrichtung, die in dem Körper angebracht ist; und eine Einrichtung, die in dem ortsfesten Körper in fest vorgegebener Beziehung zu der optischen Hebelarmeinrichtung zum Betrachten der optischen Hebel armeinrichtung und der Sondeneinrichtung in der Nähe der Oberflächenkonturen der Probe angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anbringen einer mit dem Rasterkraftmikroskop zu untersuchenden Probe an der Abtasteinrichtung; Richten des fokussierten Laserstrahls auf die Reflexionsoberfläche der optischen Hebelarmeinrichtung; Betrachten der optischen Hebelarmeinrichtung unter Verwendung der Betrachtungseinrichtung; und Ausfluchten der Laserlichtquelle mit der optischen Hebelarmeinrichtung bei gleichzeitigem Betrachten der optischen Hebelarmeinrichtung, so daß der Laserstrahl von der optischen Hebelarmeinrichtung abgelenkt und von der Photodetektoreinrichtung empfangen wird, wobei die Photodetektoreinrichtung so ausgebildet ist, daß sie ein Ausgangssignal erzeugt, das den Ablenkungsgrad des Laserstrahls durch die optische Hebelarmeinrichtung angibt.
  • Die Stabilität und Zweckmäßigkeit eines solchen integrierten optischen Systems verbessern die Fähigkeit, die Annäherung der Sonde und der Probe zu steuern, erheblich. Außerdem minimiert die kompakte Ausbildung des Mikroskops die Auswirkungen von Wärmeausdehnung und Kontraktion aufgrund von Wärmegradienten oder Drift im Bereich des Instruments.
  • Das Rasterkraftmikroskop kann ferner eine verbesserte Halterung für die Sonde aufweisen, die an dem Körper des Rasterkraftmikroskops magnetisch befestigt ist, um ein leichtes Handhaben und Anbringen der Sondenanordnung zu verbessern. Das Rasterkraftmikroskop kann ferner einen abnehmbaren Basisbereich aufweisen, der eine Fluidzelle zur Aufnahme einer Probe und eine Fluidumgebung enthalten kann.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Betrachtungseinrichtung eine Vorsatzobjektivlinse auf, die in dem Körper des Mikroskops angebracht ist, obwohl die Betrachtungsein richtung alternativ auch eine ladungsgekoppelte Einrichtung oder eine Miniaturvideokamera aufweisen kann.
  • Die optische Hebelarmeinrichtung weist bevorzugt einen freitragenden Reflexionsarm auf, der ein freies Ende hat, an dem die Sondenspitze angebracht ist, und die optische Hebelarmeinrichtung ist bevorzugt an dem Körper magnetisch befestigt. Die Photodetektoreinrichtung weist bevorzugt einen Photodetektor, der an dem Körper angebracht ist, und eine Spiegeleinrichtung auf, die in dem Körper angebracht ist, um den Laserstrahl von der optischen Hebelarmeinrichtung zu dem Photodetektor abzulenken.
  • Ferner ist bevorzugt eine Steuerungseinrichtung zum Aufrechterhalten einer konstanten Kraft der Sondeneinrichtung gegen die Oberflächenkonturen der Probe vorgesehen. Der Körper des Mikroskops kann ferner einen abnehmbaren Basisbereich aufweisen, der eine Kammer zur Aufnahme der Probe hat, und bei einer bevorzugten alternativen Ausführungsform weist er eine dichte Zelle auf, in der die Probe in einer ausgewählten Gas- oder Flüssigkeitsumgebung enthalten ist.
  • Diese und weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung sind aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Zeichnung ersichtlich, die die Merkmale der Erfindung beispielhaft zeigt.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine auseinandergezogene schematische Perspektivansicht, die die räumlichen Relationen zwischen den Hauptelementen eines die Erfindung verkörpernden Rasterkraftmikroskops zeigt;
  • Fig. 2 ist eine Draufsicht von oben auf das Rasterkraftmikroskop in Fig. 1;
  • Fig. 3 ist eine Schnittansicht des Rasterkraftmikroskops in Fig. 1 entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;
  • Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Rasterkraftmikroskops in Fig. 1 entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;
  • Fig. 5 ist eine vergrößerte Explosionsansicht, die die Anbringung der optischen Hebelarmanordnung des Rasterkraftmikroskops gemäß Fig. 1 zeigt;
  • Fig. 6 ist eine vergrößerte Perspektivansicht des integralen Abstützelements, des freitragenden Arms und der Sondenspitze der optischen Hebelarmanordnung gemäß Fig. 1, und
  • Fig. 7 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht einer alternativen Ausführungsform eines die Erfindung verkörpernden Rasterkraftmikroskops, das eine Fluidzelle in der Basis des Rasterkraftmikroskops aufweist.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Rasterkraftmikroskope haben üblicherweise so kleine optische Hebelarme, daß die Anordnung aus optischem Hebelarm und Sonde durch falsche Handhabung leicht beschädigt werden kann, was es schwierig macht, sie zu handhaben und in dem Instrument anzubringen. Solche Mikroskope erlauben es ferner üblicherweise dem Benutzer nicht, die Annäherung der Anordnung aus Hebelarm und Sonde an die Oberfläche der Probe zu betrachten, um eine präzise Positionierung der Sonde zu gewährleisten. Solche Mikroskope haben außerdem typischerweise nicht die Fähigkeit, eine Probe in einer dichten Gas- oder Flüssigkeitsumgebung abzutasten, was die Güte und die Möglichkeiten der Betrachtung von Proben begrenzt.
  • Wie in den Zeichnungen gezeigt, wird ein Rasterkraftmikroskop 10 angegeben, das einen ortsfesten Körper 12 hat, der eine durch Schrauben oder Bolzen an dem Körper befestigte, abnehm bare untere Basis 14 mit einer Kammer 16 zur Aufnahme einer Probe 18 aufweist, die im allgemeinen einen Durchmesser von weniger als 12,7 mm (1/2") und eine Dicke von 0,1 bis 2 mm hat.
  • Der Körper wird typischerweise von einer ortsfesten Halterung (nicht gezeigt) abgestützt, die auch eine Abtasteinrichtung 22 abstützt, und zwar zum Anbringen der zu untersuchenden Probe, zum Rasterabtasten der Probe in der X- und Y-Richtung relativ zu dem Körper, wie es mit den Pfeilen angedeutet ist, d. h. horizontal in zwei Dimensionen oder Freiheitsgraden, und zum Bewegen der Probe in einer vertikalen oder Z-Dimension oder einem Z-Freiheitsgrad relativ zu dem Körper, wie mit dem Pfeil angedeutet ist und näher erläutert wird.
  • Die Abtasteinrichtung ist also in bezug auf den Körper des Mikroskops ortsfest angebracht und kann außerdem an dem Körper befestigt sein, weist aber auch ein Piezorohr 22 mit einem Objekttisch 24 für die Probe an dem distalen Ende 26 des Piezorohrs auf, der von piezoelektrischen Wandlerelementen (nicht gezeigt) typischerweise in der X-, Y- und Z-Richtung angetrieben wird.
  • Der Objekttisch kann ferner einen Magnet 28 aufweisen, um es zu ermöglichen, daß eine Probe durch Haftung auf einer kleinen magnetischen Stahlplatte angebracht wird, die somit an der Oberseite des Objekttischs magnetisch befestigt werden kann, was einen bequemen Austausch von von dem Instrument zu untersuchenden Proben gestattet.
  • Ein optischer Hebelarm 40 ist an dem Körper befestigt und weist bevorzugt ein halbes Scheibenelement 42 aus magnetischem Stahl auf, das an einem magnetisierten Bereich 44 des Körpers magnetisch befestigt ist. Ein integrales freitragendes Abstützelement 45 ist an einem zentralen Bereich des hal ben Scheibenelements angebracht, wobei es sich zu dem offenen mittleren Bereich des halben Scheibenelements erstreckt. Ein freitragender Reflexionsarm 46, der in Form eines Dreiecks aus einem ersten Arm 48a und einem zweiten Arm 48b ausgebildet ist, ist mit dem einen Ende an dem freien Ende 47 des integralen freitragenden Abstützelements befestigt, und die Arme sind an ihren freien Enden 50 miteinander verbunden. Die Arme des freitragenden Arms sind typischerweise ca. 18 um dick und ca. 200 um lang und an dem integralen freitragenden Abstützelement um ca. 120 um voneinander beabstandet befestigt, und obwohl das Siliciumnitridmaterial (von Park Scientific Instruments erhältlich), aus dem der freitragende Arm besteht, normalerweise als recht steif angesehen wird, krümmt und biegt sich der freitragende Arm bei diesen Dimensionen bis zu 30º in Abhängigkeit von der Kraft der Sondenspitze auf die Probe, so daß die Ablenkung des Laserstrahls verstärkt wird, wie nachstehend noch beschrieben wird.
  • Das integrale freitragende Abstützelement und der freitragende Reflexionsarm sind so klein, daß sie am zweckmäßigsten aus Siliciumnitrid geätzt werden, obwohl andere Materialien, wie etwa Silicium, die geätzt werden können oder sich zur Feinbearbeitung eignen und die eine Reflexionsoberfläche ergeben können, wie etwa diejenigen, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung von integrierten Schaltungschips wohlbekannt sind, ebenfalls geeignet sein können.
  • Eine Sondeneinrichtung 60, die eine distale nadelähnliche Sondenspitze 62 aufweist, die so ausgebildet ist, daß sie die Oberflächenkonturen der Probe berühren und ihnen folgen kann, ist an dem freien Ende 50 des freitragenden Arms angebracht. Die Abtasteinrichtung weist ferner bevorzugt eine Rückkopplungs-Steuerungseinrichtung 64 auf, um das Piezorohr in der vertikalen Dimension anzutreiben, während die Sondenspitze die Konturen der Probe durchläuft, um eine im wesentlichen konstante Kraft der Sondeneinrichtung auf die Oberfläche der Probe aufrechtzuerhalten.
  • Eine Laserlichtquelleneinrichtung 70, wie etwa eine Laserdiode mit zugeordnetem optischem System, ist in dem oberen Bereich des Körpers angebracht, um einen fokussierten Laserstrahl 72 zu erzeugen, der auf den freitragenden Reflexionsarm gerichtet und dadurch abgelenkt wird.
  • Eine bevorzugte Laserdiode ist eine 3 mW Laserdiode, die einen Strahl im Bereich von 670 nm erzeugt, und ist handelsüblich. Eine Öffnung 73 ist in der abnehmbaren Basis vorgesehen, um es zu ermöglichen, daß der Laserstrahl durch den freitragenden Arm hindurchtritt. Bevorzugt sind drei oder mehr Justierschrauben 74 zum Justieren der Ausfluchtung und Richten der Laserlichtquelle in mit Gewinde versehenen Zugangsöffnungen 76 angebracht, die in dem Körper vorgesehen sind.
  • Eine Reflexionseinrichtung, wie etwa ein planarer Spiegel 80, ist bevorzugt im Inneren des Körpers an einem distalen Ende einer Justierschraube 82 durch eine mit Gewinde versehene Zugangsöffnung 84 angebracht, um den abgelenkten Strahl 86 zu einem Photodetektor 88 zu reflektieren, der zum Empfang des abgelenkten Laserstrahls an dem Körper angebracht ist.
  • Der Photodetektor erzeugt in Abhängigkeit von dem abgelenkten Laserstrahl ein elektrisches Ausgangssignal, das den Ablenkungsgrad des Laserstrahls durch den freitragenden Arm angibt. Der Photodetektor ist so angebracht, daß er den abgelenkten Laserstrahl durch eine Photodetektoröffnung 94 in dem Körper empfängt, und ist typischerweise in Form von einem Feld mit vier Photosensoren 90 ausgebildet, wobei das obere Paar 92a gekoppelt ist, um ein kombiniertes Signal zu lie fern, und das untere Paar 92b gekoppelt ist, um ein kombiniertes Signal zu liefern.
  • Der abgelenkte Laserstrahl ist typischerweise auf einen zentralen Punkt zwischen dem oberen und dem unteren Bereich des Photodetektors gerichtet, und die kombinierten Signale von diesen Bereichen werden verarbeitet, um Ausgangssignale zu erzeugen, die verglichen werden können, um durch die Steuerungseinrichtung ein die Differenz bezeichnendes Fehlersignal zu erzeugen. Außerdem können die linke und die rechte Hälfte des Felds von Photosensoren zum Abtasten in einem Reibungskraftmodus zusammengefaßt sein.
  • Die Steuerungseinrichtung weist bevorzugt eine Mikroprozessoreinrichtung 102 auf, die mit der Photodetektoreinrichtung elektrisch verbunden ist, um die Ausgangssignale, die die Ablenkung des Laserstrahls von der optischen Hebelarmeinrichtung angeben, zu empfangen, und um das Fehlersignal, das eine Abweichung von dem konstanten Kraftwert der Sondenspitze auf die Probenoberfläche bezeichnet, zu erzeugen.
  • Die Steuerungseinrichtung ist mit einer elektrischen Antriebseinrichtung 104 in der Abtasteinrichtung elektrisch verbunden, die auf das Fehlersignal anspricht, um die Probe in bezug auf die Sondenspitze zu heben und zu senken, um die Kraft der Sondenspitze auf die Probenoberfläche zu erhöhen oder zu verringern, so daß ein im wesentlichen konstanter Kraftwert der Sondenspitze auf die Probenoberfläche aufrechterhalten wird.
  • Eine Einrichtung 110 zum Betrachten der Sonde und angrenzender Oberflächenkonturen der Probe ist ebenfalls in einer Zusatzöffnung 112 im Körper des Mikroskops angeordnet. Eine optische Vorsatzobjektiveinrichtung 114 oder ein Okular ist be vorzugt in der Zusatzöffnung vorgesehen, um einem Benutzer das Betrachten der Sonde und der Probe zu ermöglichen.
  • Obwohl die optische Vorsatzobjektiveinrichtung bevorzugt eine oder mehrere Linsen aufweist, die auf die Sondenspitze und den freitragenden Arm fokussiert sind, kann die optische Vorsatzobjektiveinrichtung auch eine ladungsgekoppelte Einrichtung 115 aufweisen, die an dem Körper angrenzend an die Bohrung angebracht und so gerichtet ist, daß sie die Sondeneinrichtung durch die Bohrung abbildet.
  • Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist die abnehmbare Basis 116 eine Kammer 118 auf, die so dimensioniert ist, daß sie eine dichte Zelle 120 aufnimmt, in der die Probe enthalten ist. Die dichte Zelle kann durch Öffnungen 146a, 146b, die in der Basis für den Fluidtransport zum Inneren der dichten Fluidzelle vorgesehen sind, mit einer ausgewählten Gas- oder Flüssigkeitsumgebung 122 für die Probe versehen sein.
  • Die Basis weist eine Öffnung 124 für den Strahlengang des Laserstrahls auf, wobei die Öffnung von einem optischen Fenster 126, wie etwa einer dünnen Glasscheibe, abgedeckt ist. Die optische Hebelarmanordnung weist das halbe Scheibenelement 128 aus magnetischem Stahl auf, das an dem Körper des Mikroskops magnetisch befestigt ist, wobei der freitragende Arm 130 durch ein integrales Abstützelement an dem halben Scheibenelement angebracht ist und die Sondenspitze 132, die sich in die Fluidzelle erstreckt, trägt.
  • Die Probe 134 ist an dem Objekttisch 136 angebracht, der bei dieser Ausführungsform eine innere Membrandichtung 138, die von einem Membranrahmenelement 142 in ihrer Lage in der Fluidzelle gehalten wird, und einen äußeren O-Dichtring 140 aufweist, der das Äußere der Fluidzelle gegenüber dem Inneren der Kammer der Basis abdichtet. Der Objekttisch ist seinerseits an dem unteren Piezorohr 144 der x-, y-, z-Abtastanordnung zum Rasterabtasten der Probe und zum Aufrechterhalten einer im wesentlichen konstanten Kraft der Sonde auf die Probe angebracht.
  • Es konnte also gezeigt worden, daß das beschriebene Rasterkraftmikroskop eine verbesserte Halterung für die Sonde des Mikroskops vorsieht, die leichter handhabbar und in dem Mikroskop installierbar ist. Die verbesserte Halterung gestattet ferner eine leichtere Ausfluchtung des Laserstrahls auf den freitragenden Arm des optischen Hebelarms.
  • Das integrierte optische System des Mikroskops erlaubt es dem Benutzer, die Annäherung der Anordnung aus Hebelarm und Sonde auf die Oberfläche der Probe zu betrachten, um ein sicheres und präzises Positionieren der Sonde nahe der Probe zu gewährleisten. Das Rasterkraftmikroskop hat ferner die Fähigkeit, eine dichte Fluidzelle zum Abtasten einer Probe in einer Fluidumgebung aufzunehmen, was die Güte der von dem Instrument erzeugten Abbildung der Probe erheblich verbessert.
  • Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß zwar bestimmte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben sind, daß jedoch verschiedene Modifikationen möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Erfindung soll also nur durch die beigefügten Ansprüche eine Abgrenzung erfahren.

Claims (19)

1. Rasterkraftmikroskop (10) zum Untersuchen von Oberflächenkonturen einer Probe (18), das folgendes aufweist:
- einen ortsfesten Körper (12),
- eine Abtasteinrichtung (22) zum Anbringen einer von dem Rasterkraftmikroskop (10) zu untersuchenden Probe (18), wobei die Abtasteinrichtung (22) an dem ortsfesten Körper (12) befestigt und so ausgebildet ist, daß sie die Probe (18) mit drei Freiheitsgraden relativ zu dem Körper (12) bewegt;
- eine optische Hebelarmeinrichtung (40), die eine Reflexionsoberfläche (46) aufweist;
- eine Sondeneinrichtung (60), die an der optischen Hebelarmeinrichtung (40) befestigt ist und eine Sondenspitze (62) aufweist, die so ausgebildet ist, daß sie die Oberflächenkonturen der Probe (18) berührt und ihnen folgt;
- eine Laserlichtquelleneinrichtung (70) zum Erzeugen eines fokussierten Laserstrahls (72), der auf die optische Hebelarmeinrichtung (40) gerichtet wird und dadurch abgelenkt wird; und
- eine Photodetektoreinrichtung (88) zum Empfangen des von der optischen Hebelarmeinrichtung (40) abgelenkten Laserstrahls (72) und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das den Ablenkungsgrad des Laserstrahls (72) mit der optischen Hebelarmeinrichtung (40) angibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Hebelarmeinrichtung (40) an dem ortsfesten Körper (12) befestigt ist,
daß die Photodetektoreinrichtung (88) in dem Körper (12) angebracht ist,
daß die Sondeneinrichtung (60) so ausgebildet ist, daß sie die Oberflächenkonturen der Probe (18) mit einem im wesentlichen konstanten Kraftwert berührt und ihnen folgt,
und daß das Rasterkraftmikroskop (10) ferner eine Einrichtung (110) zum Betrachten der optischen Hebelarmeinrichtung (40) und der Sondeneinrichtung (60) in der Nähe der Oberflächenkonturen der Probe (18) aufweist, wobei die Betrachtungseinrichtung (110) in dem ortsfesten Körper (12) in fest vorgegebener Beziehung zu der optischen Hebelarmeinrichtung (40) angeordnet ist, um eine leichtere Ausfluchtung des Laserstrahls (72) auf die Reflexionsoberfläche (46) der optischen Hebelarmeinrichtung (40) zu ermöglichen.
2. Rasterkraftmikroskop (10) nach Anspruch 1, wobei die Betrachtungseinrichtung (110) eine Vorsatzobjektivlinse (114) aufweist.
3. Rasterkraftmikroskop (10) nach Anspruch 1, wobei die Betrachtungseinrichtung (110) eine ladungsgekoppelte Einrichtung (115) aufweist.
4. Rasterkraftmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Hebelarmeinrichtung (40) einen freitragenden Reflexionsarm (46) aufweist.
5. Rasterkraftmikroskop (10) nach Anspruch 4, wobei die Sondeneinrichtung (60) an einem freien Ende des freitragenden Arms (46) angebracht ist.
6. Rasterkraftmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Photodetektoreinrichtung (88) einen Photodetektor aufweist, der an dem Körper (12) angebracht ist, und ferner eine Spiegeleinrichtung (80) aufweist, die in dem Körper (12) angebracht ist, um den Laserstrahl (72) von der optischen Hebelarmeinrichtung (40) zu dem Photodetektor (88) abzulenken.
7. Rasterkraftmikroskop (10) nach Anspruch 1, wobei die Betrachtungseinrichtung (110) folgendes aufweist: eine Bohrung (112) durch den Körper (12), die auf die Sondeneinrichtung (60) gerichtet ist, und eine optische Objektivlinse (114), die in der Bohrung (112) auf die Sondeneinrichtung (60) fokussiert angeordnet ist.
8. Rasterkraftmikroskop (10) nach Anspruch 1, wobei die Betrachtungseinrichtung (110) folgendes aufweist: eine Bohrung (112) durch den Körper (12), die auf die Sondeneinrichtung (60) gerichtet ist, und eine ladungsgekoppelte Einrichtung (115), die an dem Körper (12) in der Nähe der Bohrung (112) angebracht und so gerichtet ist, daß sie die Sondeneinrichtung (60) durch die Bohrung (112) abbildet.
9. Rasterkraftmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abtasteinrichtung (144) eine Kammer (118) zur Aufnahme der Probe (18) aufweist.
10. Rasterkraftmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Hebelarmeinrichtung (40) an dem Körper (12) magnetisch befestigt ist.
11. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 10, wobei die optische Hebelarmeinrichtung (40) folgendes aufweist: ein magnetisches Stahlelement (42), das an einem magnetisierten Bereich (44) des Körpers (12) magnetisch befestigt ist,
einen freitragenden Reflexionsarm (46), der an dem magnetischen Stahlelement (42) befestigt,
wobei die Sondeneinrichtung (60) an einem freien Ende (50) des freitragenden Arms (46) angebracht ist.
12. Rasterkraftmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abtasteinrichtung (20) eine Steuerungseinrichtung (64) zum Aufrechterhalten einer konstanten Kraft der Sondeneinrichtung (60) auf die Oberflächenkonturen der Probe (18) aufweist.
13. Rasterkraftmikroskop (10) nach Anspruch 12, wobei die Steuerungseinrichtung (64) folgendes aufweist: eine Einrichtung (102), die mit der Photodetektoreinrichtung (88) verbunden ist, um das Ausgangssignal, das die Ablenkung des Laserstrahls (72) von der optischen Hebelarmeinrichtung (40) angibt, zu empfangen, eine Einrichtung zum Erzeugen eines Fehlersignals, das eine Abweichung von dem konstanten Kraftwert der Sondenspitze (62) auf die Probenoberfläche bezeichnet, und eine elektrische Antriebseinrichtung (104), die auf das Fehlersignal anspricht, um die Probe (18) in bezug auf die Sondenspitze (62) zu haben und zu senken, um die Kraft der Sondenspitze (62) auf die Probenoberfläche zu erhöhen oder zu verringern, so daß der im wesentlichen konstante Kraftwert der Sondenspitze (62) auf die Probenoberfläche aufrechterhalten wird.
14. Rasterkraftmikroskop (10) nach Anspruch 9, wobei die Kammer (118) so ausgebildet ist, daß sie eine dichte Zelle (120) aufnimmt, in der die Probe (18) enthalten ist.
15. Rasterkraftmikroskop (10) nach Anspruch 14, wobei die dichte Zelle (120) eine ausgewählte Gas- oder Flüssigkeitsumgebung (122) für die Probe (18) enthält.
16. Verfahren zum Vorbereiten eines Rasterkraftmikroskops (10) zum Untersuchen von Oberflächenkonturen einer Probe (18), wobei das Rasterkraftmikroskop (10) folgendes aufweist:
- einen ortsfesten Körper (12),
- eine Abtasteinrichtung (22), die an dem ortsfesten Körper (12) befestigt und zur Bewegung mit drei Freiheitsgraden relativ zu dem Körper (12) ausgebildet ist;
- eine optische Hebelarmeinrichtung (40), die an dem ortsfesten Körper (12) befestigt ist und eine Reflexionsoberfläche (46) aufweist;
- eine Sondeneinrichtung (60), die an der optischen Hebelarmeinrichtung (40) befestigt ist und eine Sondenspitze (62) aufweist, wobei die Sondeneinrichtung (60) so ausgebildet ist, daß sie die Oberflä chenkonturen der Probe (10) mit einem im wesentlichen konstanten Kraftwert berührt und ihnen folgt;
- eine Laserlichtquelleneinrichtung (70) zum Erzeugen eines fokussierten Laserstrahls (72);
- eine Photodetektoreinrichtung (88), die in dem Körper (12) angebracht ist; und
- eine Einrichtung (110), die in dem ortsfesten Körper (12) in fest vorgegebener Beziehung z der optischen Hebelarmeinrichtung (40) zum Betrachten der optischen Hebelarmeinrichtung (40) und der Sondeneinrichtung (60) in der Nähe der Oberflächenkonturen der Probe (18) angeordnet ist,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anbringen einer mit dem Rasterkraftmikroskop zu unter-
suchenden Probe (18) an der Abtasteinrichtung (22);
Richten des fokussierten Laserstrahls (72) auf die Reflexionsoberfläche (46) der optischen Hebelarmeinrichtung (40);
Betrachten der optischen Hebelarmeinrichtung (40) unter Verwendung der Betrachtungseinrichtung (110); und
Ausfluchten der Laserlichtquelle (70) mit der optischen Hebelarmeinrichtung (40) bei gleichzeitigem Betrachten der optischen Hebelarmeinrichtung (40), so daß der Laserstrahl (72) von der optischen Hebelarmeinrichtung (40) abgelenkt und von der Photodektoreinrichtung (88) empfangen wird, wobei die Photodetektoreinrichtung (88) so ausgebildet ist, daß sie ein Ausgangssignal erzeugt, das den Ablenkungsgrad des Laserstrahls (72) durch die optische Hebelarmeinrichtung (40) angibt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, das den folgenden zusätzlichen Schritt aufweist: In-Kontakt-Bringen der Sondenspitze (62) mit einer Oberfläche der Probe (18) bei gleichzeitigem Betrachten der Sondenspitze (62) unter Verwendung der Betrachtungseinrichtung (110), um die Sondenspitze (62) nicht durch eine zu plötzliche Annäherung an die Probe (18) zu beschädigen.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei das Rasterkraftmikroskop (10) zusätzlich eine Spiegeleinrichtung (80) aufweist, die an dem ortsfesten Körper (12) angebracht ist, und wobei das Verfahren ferner den folgenden Schritt aufweist: Ausfluchten der Spiegeleinrichtung (80), um den von der optischen Hebelarmeinrichtung (40) abgelenkten Laserstrahl (72) zu dem Photodetektor (88) zu reflektieren.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die optische Hebelarmeinrichtung (40) zusätzlich ein magnetisches Stahlelement (42) aufweist, und das Verfahren ferner den folgenden Schritt aufweist: magnetisches Befestigen der optischen Hebelarmeinrichtung (40) an dem ortsfesten Körper.
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