DE69417772T2 - Feineinstellungsapparat mit atomarer auflösung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Feineinstellungsapparat mit atomarer Auflösung, insbesondere für Abtastmessverfahren oder für Speichereinrichtungen.
Hintergrund der Erfindung
• Ein technisches Gebiet der Erfindung sind Abtastmessverfahren, die sich von der Entdeckung des Rastertunnelmikroskops (STM) durch H. Rohrer und G. Binnig 1982 entwickelt haben. Das STM, das z. B. in der US-Patentschrift 4 343 993 offenbart wird, hat die Entwicklung einer riesigen Anzahl unterschiedlicher Instrumente angeregt. Diese Instrumente sind konstruiert, um Oberflächen und/oder Atome oder Moleküle, die auf deren Oberfläche angeordnet sind, mit atomarer Auflösung zu studieren und zu manipulieren, nämlich mit einer Auflösung von 100 nm bis hinunter zu 0,1 nm. Ein gemeinsames Merkmal der Abtastmessinstrumente ist eine feine Spitze, der Messfühler, mit einem Krümmungsradius an ihrem Scheitelpunkt von 100 nm oder darunter. Der Messfühler wird über die Oberfläche einer Probe durch Verwendung von Grob- und Feineinstellungseinheiten abgetastet, was im Detail unten beschrieben wird. Seine im Prinzip einfach zu realisierende Technik sowie seine extrem hohe Auflösung machen das STM und verwandte Geräte zu derzeit in großem Maßstab verwendeten wissenschaftlichen Werkzeugen, wenn es sich darum handelt, alle Arten von Oberflächen zu analysieren und submikroskopische Phänomene abzubilden.
• Neben dem STM schließen die Abtastmessverfahren das atomare Kraftmikroskop (AFM) ein, das von G. Binnig im Jahre 1986 er funden (US-Patentschrift 4 724 318) und nachfolgend weiterentwickelt wurde (siehe z. B. US-Patentschrift 5 144 833). Bilder von magnetischen Domänen wurden durch das Magnetkraftmikroskop erhalten, wie es durch H. J. Mamin und anderen in "Appl. Phys. Lett." 55 (1989), Seiten 318 ff. beschrieben wird. Ein Kapazitätsrastermikroskop ist aus der US-Patentschrift 5 065 103 bekanrft, ein akustisches Rastermikroskop ist aus der US-Patentschrift 4 646 573 bekannt, und ein thermischer Abtastprofilgeber ist aus der US-Patentschrift 4 747 698 bekannt. Das Abtastmessverfahren wird auch in Lichtmikroskopen verwendet, die eine Auflösung besitzen, die nicht durch Diffraktion begrenzt ist. In diesen sogenannten optischen Nahfeld-Rastermikroskopen, die z. B. in der US-Patentschrift 4 604 520 beschrieben werden, besteht der Messfühler im wesentlichen aus einem Wellenleiter für Lichtwellen, der in einer winzigen Öffnung endet, die Licht in unmittelbarer Nähe der Oberfläche der Probe entweder empfängt oder emittiert. Zum Zwecke dieser Erfindung werden all diese Verfahren als auch verwandte Verfahren als Abtastmessmikroskopie (SPM) bezeichnet.
• Die SPM hängt jedoch entscheidend von einem genauen Abtastsystem ab, das für ein Einstellen und Abtasten des Messfühlers oder der Spitze relativ zu der Oberfläche einer Probe bereitgestellt wird. Vereinbarungsgemäß werden die Richtungen innerhalb einer Ebene parallel zu der Oberfläche durch "x" und "y" bezeichnet, während die Richtung senkrecht zu dieser Ebene gewöhnlich als "z-Achse" bezeichnet wird. Das Abtastsystem hat einen entscheidenden Einfluss auf die Auflösung der Abtastmesseinrichtung, was unmittelbar einleuchtet. Um eine atomare Auflösung zu erreichen, muss es in der Lage sein, steuerbare Verschiebungen mit einer Genauigkeit von 0,1 nm oder weniger durchzuführen, wobei die Anforderung für die z-Richtungwesentlich größer sind als die für die anderen Richtungen. Ein ideales Abtastsystem für Abtastmesseinrichtungen sollte einen gro ßen Abtastbereich in der xy-Ebene mit einer genauen Steuerung der Position der Spitze relativ zu der Probe in allen drei Dimensionen kombinieren, aber insbesondere in der z-Richtung. Da beide Anforderungen schwer zu erfüllen sind, wenden alle bekannten SPM-Einrichtungen ein Zweistufen-Einstellungssystem an: Ein Grobpositionierer bewegt die Probe nahe an den Messfühler heran, bis der Abstandsbereich durch einen Feinabtaster abgedeckt werden kann. Der Feinabtaster liefert allein die geforderte Genauigkeit und ermöglicht somit ein Abbilden und Manipulieren mit atomarer Auflösung. Viele unterschiedliche Lösungsansätze und Verfahren wurden als Grobpositionierer angewandt, einschließlich manueller Lösungen, die Hebel oder Differentialfedern, einen piezoelektrischen Wandermechanismus (eine Laus) oder einen Schrittmotor verwenden, die mit der Probe oder der Abtaststufe verbunden sind. Magnetische Grobpositionierer werden z. B. in der europäischen Patentschrift EP-B-0 290 522 und in der US-Patentschrift 4 947 042 beschrieben. Die fortschrittlichsten Arten von Grobpositionierern, insbesondere wenn sie durch Interferometrie gesteuert werden, erreichen eine Einstellgenauigkeit von wenigen Zehnteln eines Mikrometers, und somit überlappen sie kaum mit dem Bereich des Feinabtasters.
• Vom allerersten Beginn der Abtastmessmikroskopie an konzentrierten sich die Feinabtastverfahren auf ein Verwenden von piezoelektrischen Elementen. Beispiele für Feinabtaststufen sind z. B., aus der US-Patentschrift 4 520 570 und von G. Binnig und D. P. E. Smith, "Single tube three-dimensional scanner for scanning tunneling microscopy", bekannt, die in Rev. Sci. Instruments 57 (1986), Seite 1688 veröffentlicht sind. C. Geber und O. Marti schlugen weiterhin einen magnetostriktiven Scanner in dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 27, Nr. 11, April 1985; Seite 6373 vor, in dem die piezoelektrischen Elemente durch Stäbe aus magnetostriktivem Material ersetzt wurden. Dieses Material dehnt sich und zieht sich zusammen unter dem Ein fluss eines magnetischen Feldes, ähnlich dem Verhalten eines piezoelektrischen Elementes in einem elektrischen Feld. Für den Schutzbereich dieser Erfindung ist es wichtig festzustellen, dass sogar solche Verfahren, die eine auf Magnetismus basierende Grobeinstellungsstufe anwenden, z. B. die Patente EP-B-0 290 522 und US-A-4 947 042, auf einem piezoelektrischen Feinabtaster aufbaueh.
• Obwohl der piezoelektrische Feinabtaster ein vielseitig anwendbares Werkzeug ist, zeigt er mehrere Nachteile. Als erstes erfordert er ein komplexes und genaues Steuersystem, um die notwendigen Spannungen an die Elektroden, die an dem piezoelektrischen Material angebracht sind, anzuschliessen. Zweitens reicht die Dehnung, die erreicht werden kann, von ungefähr 2 bis 5 nm/V, d. h. eine Spannung von 1000 V ist erforderlich, um einen Abtastbereich von 2 bis 5 Mikrometer zu erreichen, was für alle praktischen Fälle den Bereich auf wenige Mikrometer beschränkt. Zusätzlich werden mit zunehmender Spannung Nichtlinearitätseffekte bemerkbar, wobei die Dehnung des piezoelektrischen Materials nicht mehr proportional zu der angelegten Spannung ist.
• Die Patentanmeldung EP-A-0 380 115 beschreibt eine Spiegelausrichtungs- und Dämpfungseinrichtung mit einem Spiegel, der schwenkbar an einem Zentrallager und mit mehreren Betätigungsgliedern befestigt ist. Ein Dämpfungsansatz ist rund um das Zentrallager angeordnet. Jedes Betätigungsglied umfasst, eine elektromagnetische Spule und einen Permanentmagneten, der über den Spulen angeordnet ist. In dieser Konfiguration liegt jeder Permanentmagnet in dem inhomogenen Feld seiner zugehörigen elektromagnetischen Spule. Deshalb ist die magnetische Kraft zwischen dem Permanentmagneten und der elektromagnetischen Spule nicht linear zu dem Strom in der Spule.
• Die beschriebenen Beispiele sollen die breite Verwendung der Abtastmessverfahren darstellen, aber sie sollen nicht alle Anwendungen, die mit der Erfindung möglich sind, umfassen. Es ist für einen Fachmann z. B. bekannt, dass die Speicherdichte von gewöhnlichen Speichereinrichtungen, wie Festplatten, direkt von der Genauigkeit, mit der ein Schreib/Lesekopf in Relation zu dem Speichermedium positioniert werden kann, abhängt. Es ist naheliegend, dass ein billiges, genaues Verfahren zum Einstellen des Schreib/Lesekopfes mit atomarer Genauigkeit einen unmittelbaren Einfluss auf dieses technische Gebiet ausübt.
• Daher ist es eine Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, einen zuverlässigen, genauen und leicht zu handhabenden Feineinstellungsapparat bereitzustellen, der insbesondere für Abtastmessinstrumente und digitale Datenspeichereinrichtungen geeignet ist. Es ist eine besondere Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Feinabtaster bereitzustellen, der in der Lage ist, die Position der Oberfläche einer Probe oder des Speichermediums relativ zu der Messspitze oder dem Lese/Schreibkopf mit einer Genauigkeit oder Auflösung von mindestens 100 nm, vorzugsweise von 100 nm bis 0,01 nm oder sogar von 10 nm bis 0,1 nm zu steuern oder zu ändern.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die obigen Aufgaben werden durch einen Feineinstellungsapparat, wie er in dem unabhängigen Anspruch 1 definiert wird, erfüllt. Ein Feineinstellungsapparat zum Ändern einer relativen Position zwischen zwei Objekten in mehr als einer Dimension wird in dem unabhängigen Anspruch 8 definiert.
• Es ist ein erstes charakteristisches Merkmal der Erfindung, dass der Feinpositionierer umfasst: Ein Betätigungsglied, das auf dem wohlbekannten Prinzip der magnetischen Induktion/mag netomotorischen Kraft basiert. Die Wirkung der magnetischen Induktion wird durch die Kraft charakterisiert, die ein magnetisches Feld oder die Änderung eines magnetischen Feldes auf einen Magneten, einen stromdurchflossenen Leiter oder ein in anderer Weise magnetisiertes Material innerhalb dieses Feldes ausübt. Allgemein bekannte Anwendungen dieses Prinzips sind z. B. induktive Lautsprecher und Mikrofone. Eine der fortschrittlichsten Anwendungen der induktiven oder magnetomotorischen Kraft ist das Einstellungssystem, wie es für die Lese/Schreibköpfe von Festplatten verwendet wird. Aber wie oben erwähnt, unterscheidet sich diese Anwendung in der Genauigkeit und in der Auflösung um mindestens eine Größenordnung von einer Einrichtung gemäß der gegenwärtigen Erfindung. Das induktive Betätigungsglied umfasst vorzugsweise elektrische Leitungsmittel, wie z. B. eine Magnetspule und/oder permanente Magnete. Von dem bekannten magnetoresistiven Positionierer unterscheidet sich die gegenwärtige Erfindung darin, dass der magnetoresistive Effekt die Dimensionen eines magnetischen Körpers ändert, wohingegen ein bewegtes Teil eines induktiven Betätigungsgliedes in seiner Gesamtheit verschoben wird. Die Verwendung eines induktiven Betätigungsgliedes hat den Vorteil, dass es leicht durch Anlegen niedriger Spannungen bewegbar ist, während die bekannte, auf der Piezoelektrik basierende Technik Spannungen erfordert, die für den unerfahrenen Anwender gefährlich sein können. Die Komponenten der induktiven Betätigungsglieder sind billig und für die Massenproduktion geeignet.
• Als Kernpunkte der Erfindung können angesehen werden, dass kein Versuch unternommen wurde, die Empfindlichkeit der elektronischen Steuerung auf ein Niveau zu erhöhen, bei dem das induktive Betätigungsglied mit atomarer Genauigkeit bewegt werden könnte. Anstelle dessen wurde die Größe des Stromes, die zum Bewegen der Spitze und der Probe relativ zueinander verwendet wird, durch mechanische Mittel auf ein Niveau erhöht oder ver stärkt, da bereits durch konventionelle elektronische Ausstattung erfassbar ist. Mit anderen Worten, der elektronische Verstärker wird durch Üntersetzungsmittel ersetzt. Das Untersetzungsgetriebemittel basiert auf einem Hebelsystem oder auf Dämpfungs- oder Reibkräfte erhöhenden Elementen, um die Bewegung des induktiven Betätigungsgliedes herunterzuschalten. In beiden Fällen wird die Größe des Stromes, der zum Bewegen des Messfühlers oder der Probe erforderlich ist, stark erhöht.
• Deshalb ist es ein Merkmal einer Variante der Erfindung, dass das induktive Betätigungsglied Dämpfungsmittel umfasst. Im Gegensatz zu bekannten Anwendungen der induktiven Betätigungsglieder, in denen angenommen wird, dass das Dämpfen auf ein Minimum zu reduzieren ist, führt die gegenwärtige Erfindung einen Dämpfungsmechanismus in gesteuerter Weise ein. Die Dämpfungswirkung erhöht und vergrößert somit die Leistung, die an das Betätigungsglied zu liefern ist, um eine gewünschte Bewegung zu erreichen. Die Leistung ist direkt proportional zu dem Strom, der auf das Betätigungsglied wirkt. Deshalb werden alle relevanten Steuer- und Betätigungssignale, z. B. Ströme und Spannungen, bis zu einem Pegel, bei dem sie leicht manipuliert werden können, erhöht. Dieses Merkmal hat einen zusätzlichen Effekt des Verminderns der geforderten Genauigkeit der betroffenen elektrischen Schaltungsanordnung, wie Rückkopplungsschleifen, Verstärker, usw.
• Als bevorzugte Ausführungsform dieser Variante der Erfindung ist der bewegliche Teil eines induktiven Betätigungsgliedes mit einem Lager oder einer Stützstruktur durch ein hochviskoses Medium gekoppelt, insbesondere mit dem statischen Teil des Betätigungsgliedes. Diese viskose Kopplung hat einen Dämpfungseffekt, der die Höhe des Stromes durch das induktive Betätigungsglied im Vergleich zu einem freibeweglichen Betätigungsglied für eine gleiche Verschiebung vergrößert. Diese Wirkung erhöht die Steuer- und Betätigungssignale/Ströme, die für die Einstellung verwendet werden. Vorzugsweise wird ein hochviskoses Medium mit einer guten Wärmeleitung verwendet, wobei in diesem Fall das Medium wirksam zum Kühlen des Betätigungsgliedes verwendet werden kann. Die Viskosität des Materials wird vorzugsweise im Bereich von 10 bis 100 000 Stokes ausgewählt. Zu geeigneten Materialien gehören Polymere, insbesondere Organosiloxan-Polymere oder Silikone.
• In einer anderen Variante der Erfindung ist das induktive Betätigungsglied mit Mitteln gekoppelt, die aus der Gruppe ausgesucht sind, die Hebel, flexible Elemente wie Federn oder andere Transmissionsmittel umfassen. Somit werden Steuer- und Betätigungssignale und irgendwelche ihrer Fehler oder Veränderungen gleichmäßig verkleinert, was zu einer gewünschten Genauigkeit der Bewegung führt. Wenn die Mittel angewandt werden, muss dafür gesorgt werden, irgendwelche Vibrationen zu begrenzen. Deshalb wird in einer bevorzugten Ausführungsform dieser Varianten eine Feder oder ein Satz Federn verwendet, um den Bewegungsbereich des induktiven Betätigungsgliedes zu verkleinern.
• Vorzugsweise sind die Probenhaltemittel oder die Sensormittel mit einer Federeinheit gekoppelt, die eine Resonanzfrequenz von mehr als 1 kHz aufweist, vorzugsweise mehr als 5 kHz. Eine obere Grenze für die Resonanzfrequenz kann bei 100 kHz liegen, was von dem angewandten Material und der Federkonstruktion abhängt. Die Resonanzfrequenz ist ein wichtiges Merkmal, weil eine Einrichtung mit einer Resonanzfrequenz leicht zu Schwingungen von der Umgebung angeregt werden und es somit schwer machen, eine atomare Auflösung zu erreichen. Die Federeinheit ihrerseits wird durch die Induktionskraft angetrieben.
• In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Lage des beweglichen Teils des magnetischen Betätigungsgliedes rela tiv zu dem statischen Teil des Betätigungsgliedes zusätzlich durch eine Rückkopplungsschleife gesteuert und stabilisiert. Diese Rückkopplungsschleife umfasst vorzugsweise einen Dehnungsmessstreifen zum Bestimmen der Position des bewegten Teils. Als eine Folge der mechanischen Verstärkung müssen die Genauigkeit dieser Rückkopplungsschleife und ihre Positionsbestimmungsmittel nicht notwendigerweise selbst eine atomare Auflösung bereitstellen. Diese Rückkopplungsschleife sollte jedoch nicht mit derjenigen, die zum Betreiben einer SPM erforderlich ist, verwechselt werden, nämlich derjenigen, die den Abstand zwischen der Spitze und der Probe stabilisiert.
• In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die mechanischen Verstärkungsmittel zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Betriebsmoden schaltbar. Somit ist es möglich, den Feineinstellungsapparat auch als Grobpositionierer zu verwenden. Ein SPM mit einem derartigen Feinpositionierer muss nicht ein zusätzliches Grobeinstellsystem erfordern. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Federkonstante einer Feder, die als Verstärkungsmittel verwendet wird, zwischen mindestens zwei Werten schaltbar.
• Diese und andere neue Merkmale, von denen angenommen wird, dass sie charakteristisch für die Erfindung und ihrer bevorzugten Ausführungsformen sind, werden in den anhängenden Ansprüchen dargelegt. Jedoch wird die Erfindung selbst sowie bevorzugte Verweridungsformen und weitere Aufgaben und Vorteile davon am besten durch. Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung von dargestellten Ausführungsformen verstanden, wenn diese in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen gelesen wird.
Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird nachfolgend im Detail mit Bezugnahme auf folgende Zeichnungen beschrieben:
• Fig. 1A zeigt die Basismerkmale einer Ausführungsform eines Feinpositionierers unter Verwendung einer Feder als Untersetzungsmittel.
• Fig. 1B zeigt Einzelheiten einer Ausführungsform eines Feinpositionierers gemäß der Erfindung.
• Fig. 2 stellt einen kombinierten Grob- und Feinpositionierer gemäß der Erfindung dar.
• Fig. 3 stellt eine andere Ausführungsform dar, wobei der Bereich der Bewegung des induktiven Betätigungsgliedes durch ein hochviskoses Medium begrenzt ist.
• Fig. 4 zeigt einen Feinpositionierer für drei Dimensionen.
• Fig. 5 zeigt einen Teil einer elektrischen Schaltungsanordnung, die zum Steuern eines Feinpositionierers verwendet wird.
Form(en) zur Ausführung der Erfindung
• Bezugnehmend auf Fig. 1A wird ein Feineinstellapparat 1 gezeigt, der einen Permanentmagneten 2 umfasst, um ein konstantes magnetisches Feld zu erzeugen. Auf dem Kern des Permanentmagneten 2 ist eine Spule 3 aus Kupferdraht angeordnet. Das Gewicht der Spule ist näherungsweise 1 g. Die Spule ist über dünner flexible Drähte mit einer variablen Stromquelle (nicht gezeigt) verbunden. Der Permanentmagnet 2 ist auf der Grundplatte 4 mon tiert, die auch einen Metallstab 5 trägt. Der Metallstab ist an seinem oberen Ende durch einen steifen Draht 6 mit dem Vorderende der Spule 3 verbunden.
• Im Betrieb fließt ein elektrischer Strom durch die Spule. Die induktive Kraft, die in physikalischer Ausdrucksweise ein Sonderfall der Lorentzkraft ist, bewegt die Spule 3 in dem Käfig, der durch den Permanentmagneten 2 gebildet wird. Die Kraft ist proportional zu dem elektrischen Strom und zur Stärke des magnetischen Feldes. Übliche Schwingspulen, die in Lautsprechersystemen angewendet werden, werden in diesem Beispiel verwendet. Sie werden durch eine Feder mit einer Federkonstanten von ungefähr 2 · 10³ N/m, die sich von einer maximalen induktiven Kraft von ungefähr 10 N und einer Spitzenamplitude der Spule von 5 mm ableitet, gedämpft. Wenn man das Gewicht der Spule, das 1 g ist, berücksichtigt, liegt die Resonanzfrequenz des Systems im Bereich von einigen hundert Hertz. Die Frequenz ist viel zu niedrig, um die Stabilität, die für eine atomare Auflösung erforderlich ist, bereitzustellen. Jedoch wird durch Koppeln des Stabes 5 über den steifen Draht 6 mit der Spule ein Federsystem mit einer Federkonstanten im Bereich von 10&sup6; N/m bereitgestellt, der zu einer wirksamen Resonanzfrequenz von mindestens 1 kHz führt, was genug ist, um eine Probe oder eine Spitze vor den Schwingungen der Umgebung zu schützen. Der Abtastbereich der Spule 3 wird durch das Federsystem auf etwa 20 um begrenzt, was bereits innerhalb dessen liegt, das durch herkömmliche, jedoch wesentlich komplexere piezoelektrische Scanner erreicht wird. Der gezeigte Aufbau kann durch direktes Verbinden des Vorderendes der Spule 3 und des Stabes 5 kompakter konstruiert werden.
• Anstelle einer steifen Kopplung zwischen der Spule 3 und dem Stab 5 kann die Verbindung genauso gut durch eine weichere Feder hergestellt werden, die die Spule und den Stab in Bezug auf die wirksame Resonanzfrequenz wirksam entkoppelt. In diesem Fall gewinnt die Spule ihren vollen Bewegungsbereich (von 10 mm) zurück, während der Stab an einen Bereich von 20 um gebunden ist, was immer noch die hohe Resonanzfrequenz, die zum Erreichen einer atomaren Genauigkeit erforderlich ist, bereitstellt.
• Für einen Fachmann ist es naheliegend, dass der Stab 5 leicht durch andere gleichwertige Federn oder Hebelsysteme ersetzt werden kann. Darüber hinaus kann das einfache Betätigungsglied, das aus einer Spule 3 und einem Permanentmagneten 1 besteht, durch anspruchsvollere Einrichtungen ersetzt werden, z. B. kann der Permanentmagnet durch einen Elektromagneten oder der magnetische Kern kann durch eine Schiene ersetzt werden, auf der der andere Magnet, nämlich derjenige, der die Spule ersetzt, in eine Schwebebewegung durch geeignete Steuerung des durch ihn fließenden Stromes versetzt wird. Weiterhin kann die Spitze des Stabes 5 mit atomarer Auflösung in einer Ebene durch Verbinden mit einem zweiten magnetischen Betätigungsglied bewegt werden.
• Eine andere Variante der Erfindung wird in Fig. 1B gezeigt, die eine vergrößerte Detailansicht der. Spule und des Permanentmagneten zeigt. Ein Dehnungsmesser (oder Dehnungsmessstreifen) 11 wird auf die Spule angewandt. Der Dehnungsmesser überträgt die Dehnung, die durch die Bewegung der Spule verursacht wird, in ein ptoportionales elektrisches Sighal. Das elektrische Signal wird in einer Rückkopplungsschleife zum Stabilisieren der Position der Spule verwendet. Diese Variante ist besonders nützlich, wenn sie für eine Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, bei der die Spule selbst über ihren vollen Bewegungsbereich bewegt wird, nämlich wenn die Spule von der Spitze oder dem Probenhalter, wie oben beschrieben ist, entkoppelt ist.
• Bezugnehmend nun auf Fig. 2 wird eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die einen Stab 25 mit Flansch zeigt. (Identische oder ähnliche Teile innerhalb der Fig. 1 und 2 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.) Wenn eine Klammer 21 an der Grundplatte 4 befestigt ist, ist der Stab bis zur Höhe des Flansches unbeweglich. Wenn die Klammer gelöst wird, kann der Stab über seiner ganzen Länge gebogen werden. Tatsächlich kann die Federkonstante des Stabes 25 unter Verwendung der Klammer zwischen zwei Werten geschaltet werden, nämlich 10&sup6; und 10&sup5;, was einem Abtastbereich von 20 um bzw. 200 um entspricht. Obwohl die Grobabtastung keine atomare Auflösung vorsieht, kann die Feder über einen großen Bereich bewegt werden.
• Eine andere Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 3 gezeigt, die auch Grob- und Feinpositionierer kombiniert. Wieder werden in Bezug zu anderen Figuren gleiche Bezugszeichen für identische oder ähnliche Teile verwendet. In dieser Ausführungsform wird die Feder oder der Stab der Fig. 1A durch ein hochviskoses Polymer 35 (z. B. Silikon) ersetzt. Das Silikonpolymer übt nur eine minimale Reaktionskraft auf die Spule 3 aus, aber es stellt eine größe Reibung zwischen der bewegten Spule und den unbewegten Teilen des Betätigungsgliedes bereit. Mit diesem Aufbau kann z. B. eine Probe, die an dem Vorderende der Spule. 3 befestigt ist, innerhalb eines maximalen Bereichs von etwa 1 mm und mit einer Genauigkeit von unter 0,2 nm positioniert werden. Es ist vorteilhaft, ein Silikonpolymer zu verwenden, weil es wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit und der thermischen Festigkeit das Kühlen der Einrichtung erleichtert. Somit kann die Spule mit einem höheren Strom betrieben werden. In dieser besonderen Ausführungsform ist die Spitze, der Probenhalter oder die Probe selbst in vorteilhafter Weise an dem Vorderende der Spule 3 befestigt. Wieder sind Änderungen, die das hochviskose Material und die Form der Spule und der Stützstruktur betreffen, durchführbar.
• Bezugnehmend nun auf Fig. 4 werden die grundlegenden Elemente eines Rastertunnelmikroskops gemäß der gegenwärtigen Erfindung gezeigt. Es ist anzumerken, dass die Elemente der Fig. 4 nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind. Das gezeigte Mikroskop umfasst eine kombinierte Fein- und Grobeinstellungseinheit 41, eine Zentralprozessoreinheit 420 und umgebende elektrische Anlagen. Die Einstellungseinheit 41 ist von externen Vibrationen durch ein geeignetes Dämpfungssystem (Federn, Viton-Paketen, usw.) in einer Weise isoliert, die einem Fachmann bekannt ist. Eine Tunnelspitze oder ein Messfühler wird auf dem oberen Ende des Stabes 414 befestigt. Der Stab wird in x-Richtung durch ein erstes (x-) induktives Betätigungsglied 415 bewegt. Die Bewegung in y- Richtung wird durch ein zweites (y-) induktives Betätigungsglied durchgeführt, das nicht gezeigt ist. Wenn sie geeignet programmiert sind, führen beide Betätigungsglieder zusammen eine Abtastbewegung der Spitze in der x, y-Ebene durch. Eine Probe 416 ist auf dem Vorderende einer Bewegungsspule eines anderen (z-) induktiven Betätigungsgliedes 417, das von einer oben in Bezug auf Fig. 3 beschriebenen polymergedämpften Art ist, angebracht. Das z-Betätigungsglied ändert den Abstand zwischen der Spitze und der Probe. Die peripheren elektrischen und elektronischen Komponenten umfassen eine programmierbare Gleichstromversorgung 421, 422, die über den Daten- und Steuersignalbus 424 durch eine Zentralprozessoreinheit 420 für jedes der induktiven Betätigungsglieder 415, 417 gesteuert wird. Sie enthalten weiterhin Verstärker, A/D- und D/A-Wandler. Die Spitze 413 und die Probe 416 sind an dem Mittel 423 zum Bereitstellen einer Spannung und zum Messen des Tunnelstroms zwischen beiden angebracht. Der gemessene Tunnelstrom ist das Eingangssignal für eine Rückkopplungsschleife, die zum Steuern des z-Betätigungsgliedes 417 angewandt wird, nämlich für den Abstand zwischen der Spitze 413 und der Probe 416.
• Einzelheiten der elektrischen Schaltungsanordnung werden in · Fig. 5 gezeigt. Eine Spannung, die an den Eingang 501 angelegt wird, bestimmt den Stromfluss durch die Spule 502 über den Leistungsverstärker PA01. Eine Rückkopplungsschleife, die hauptsächlich aus einem Operationsverstärker OP37 besteht, stabilisiert den Strom durch die Spule, womit eine gut steuerbare magnetische Kraft für das Betätigungsglied bereitgestellt wird. Die Schaltungsanordnung enthält weiterhin mehrere Widerstände R1 bis R5, die Widerstandswerte von 0,1 Ω, 100 Ω, 9 Ω, 2 Ω (einstellbar) bzw. 10 Ω aufweisen.
• Im Betrieb wird die Probe mit einer Genauigkeit von Bruchteilen eines Millimeters in der Nähe der Spitze positioniert. Ein Spannung von mehreren hundert Volt wird an die Spitze und die Probe angelegt. Ein Strom durch die Spule des z-Betätigungsgliedes 417 wird erzeugt, bis ein Tunnelstrom dazwischen gemessen wird. Dann wird die Rückkopplungsschleife aktiviert, um den Abstand mit einer Genauigkeit von 0,01 nm bis 0,1 nm zu steuern. Die Gleichstromversorgungsschaltung 422 für das x-Betätigungsglied und für das entsprechende Betätigungsglied für die y-Richtung (nicht gezeigt) empfangen Eingangssteuersignale von der Zentralprozessoreinheit 420 gemäß einem vorbestimmten und programmierten Abtastschema. Mit der Freigabe eines Riegels 418 wird der Stab 414 zu einer niedrigeren Federkonstanten geschaltet, die eine große Verschiebung zwischen der Spitze und der Probe in der x, y-Ebene ermöglicht. Die Spitze 413 kann dann in der Nähe eines anderen Teils der Oberfläche der Probe 416 angeordnet werden. Nach Beenden dieses Verschiebungsschrittes wird der Riegel 418 wieder gegen den Flansch des Stabes geklemmt. Und die programmierte Abtastmatrix wird wiederholt. Die Zentralprozessoreinheit 420 stellt weiterhin Bildverarbeitungsmittel zum Verändern des Tunnelstroms bereit, nämlich für die gemessenen Höhen in einem Bild der Oberfläche der abgetasteten Probe.
• Durch Ersetzen der Spitze 413 und der entsprechenden Rückkopplungsschleife, die auf der Erfassung des Tunnelstroms zwischen Spitze und Probe basiert, wird das beschriebene Feineinstellungsmittel durch einen Ausleger und Mittel zum Erfassen der Auslenkung des Auslegers für ein atomares Kraftmikroskop verwendet. Der Feinpositionierer kann für andere SPM-Verfahren in ähnlicher Weise durch Ersetzen des Rückkopplungsschemas entsprechend angepasst werden.

Claims (10)

1. Feineinstellungsvorrichtung zum Verändern einer relativen Position zwischen einem Sensormittel und einem Probenhaltemittel mit atomarer Auflösung, vorzugsweise mit einer Auflösung von 100 nm bis 0,01 nm, mit einem Betätigungsmittel, das eine hohle Spule (3) und ein magnetisches Mittel (2) umfaßt, die beide relativ zueinander in einem vorbestimmten Bewegungsbereich bewegbar sind, wobei das magnetische Mittel (2·) mit einem seiner. Magnetpole auf einem Ende eines longitudinalen Elements angeordnet ist, das sich mit dem einen Ende in den Hohlraum der Spule (3) erstreckt, so daß das inhomogene Feld an dem Ende des longitudinalen Elements im wesentlichen von der Spule (3) auf im wesentlichen dem gesamten Bewegungsbereich und mit einem mechanischen Mittel umgeben ist, das den Anteil des Stromes, der verwendet wird, um die hohle Spule (3) und das magnetische Mittel (2) relativ zu einander zu bewegen, erhöht.

2. Feineinstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Mittel ein Dämpfungsmittel (35) umfaßt, das eine Reibung zwischen der Spule (3) und dem magnetischen Mittel (2) vorsieht, um den Energieverlust des Betätigungsmittels während der Relativbewegung zwischen dem magnetischen Mittel (2) und der Spule (3) zu erhöhen.

3. Feineinstellungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Mittel ein Federmittel (5, 6) umfaßt.

4. Feineinstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel und/oder das Probenhaltemittel an dem Federmittel (5, 6) befestigt ist und die sich ergebende Anordnung eine Resonanzfrequenz oberhalb von 1 kHz aufweist und das Federmittel (5, 6) an dem Betätigungsmittel befestigt ist.

5. Feineinstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (5, 6) zwischen Zuständen, die unterschiedliche Bewegungsbereiche ermöglichen, geschaltet werden kann.

6. Feineinstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die Dämpfungsmittel (35) ein hochviskoses Material (35) umfaßt.

7. Feineinstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hochviskose Material (35) ein auf Silicium basierendes Polymer ist;

8. Feineinstellungsvorrichtung (41) ein z-Achsen-Positionierungsmittel zum Verändern einer relativen Position zwischen einem Probenhaltemittel (416) und einem Sensormittel (412) in einer Ebene im wesentlichen vertikal zu dem Probenhaltemittel (416) umfassend, wobei das z-Achsen-Positionierungsmittel ein erstes Betätigungsmittel (417) umfaßt, das mit einer ersten Stützanordnung oder einem ersten Lager gekoppelt ist, wobei das erste Betätigungsmittel (417) eine erste hohle Spule und ein erstes magnetisches Mittel umfaßt, die beide relativ zueinander in einem vorbestimmten Bewegungsbereich bewegbar sind, wobei das erste magnetische Mittel mit einem seiner Magnetpole auf einem Ende eines longitudinalen Elements angeordnet ist, das sich mit dem einen Ende in den Hohlraum der Spule er streckt, so daß das inhomogene Feld an dem Ende des longitudinalen Elements auf im wesentlichen dem gesamten Bewegungsbereich im wesentlichen von der ersten Spule umgeben ist, wobei das z-Achsen-Positionierungsmittel weiterhin ein Dämpfungsmittel umfaßt, das eine Reibung zwischen der hohlen Spule und dem ersten magnetischen Mittel bereitstellt, um den Energieverlust des ersten Betätigungsmittels während der Relativbewegung zwischen dem ersten magnetischen Mittel und der ersten Spule zu erhöhen, wobei das Dämpfungsmittel ein hochviskoses Material ist und die Vorrichtung ein x/y-Achsen-Positionierungsmittel zum Verändern einer relativen Position zwischen einem Probenhaltemittel (416) und einem Sensormittel (412) in einer Ebene im wesentlichen parallel zu den Probenhaltemittel (416) umfaßt, wobei das x/y-Achsen-Positionierungsmittel ein zweites Betätigungsmittel (415) umfaßt, das mit einer zweiten Stützanordnung oder einem zweiten Lager gekoppelt ist, wobei das zweite Betätigungsmittel (415) eine zweite hohle Spule und ein zweites magnetisches Mittel umfaßt, die beide relativ zueinander in einem vorbestimmten Bewegungsbereich bewegbar sind, wobei das zweite magnetische Mittel mit einem seiner Magnetpole auf einem Ende eines longitudinalen Elements angeordnet ist, das sich mit dem einen Ende in den Hohlraum der Spule erstreckt, so daß das inhomogene Feld an dem Ende des longitudinalen Elements auf im wesentlichen dem gesamten Bewegungsbereich im wesentlichen von der zweiten Spule umgeben ist; und die Vorrichtung weiterhin ein Federelement (414) umfaßt, das der Relativbewegung zwischen dem zweiten magnetischen Mittel und der zweiten Spule entgegenwirkt.

9. Feineinstellungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, die Steuermittel (11) für eine Verschiebung umfaßt, um die Verschiebung des Betätigungsmittels zu messen und zu steuern.

10. Rasterelektronenmikroskop-Sensor (SPM), der eine Feineinstellungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfaßt.