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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine
optische Detektion in einem Rasterkraftmikroskop (AFM), wie beispielsweise
mit einem optischen Balken oder mit einem interferometrischen System,
ist ein Mittel zum Messen der Auslenkung eines Mikroskopbalkens,
die durch Kräfte
bewirkt wird, die auf ihn wirken. Herkömmlicherweise werden Mikroskopbalken
mit 100–200 μm Länge mit
Federkonstanten von 0,01–100
N/m verwendet, um die Oberflächeneigenschaften
einer Probe zu messen. Jedoch setzen physikalische Gesetze untere
Grenzen bei einer erzielbaren Auflösung und Abtastgeschwindigkeit
dieser Mikroskopbalken. Um Messungen mit bester Auflösung zu
bekommen, ist es gewünscht, dass
die Mikroskopbalkenspitze nur eine geringe Kraft auf die Probe ausübt. In der
Biologie ist man beispielsweise oft mit Proben beschäftigt, die
so weich sind, dass Kräfte über 10 pN
die Probe modifizieren oder beschädigen können. Dies gilt auch für Hochauflösungsmessungen
an „harten" Proben, wie beispielsweise
anorganischen Kristallen, da höhere Kräfte die
Wirkung eines Drückens
der Spitze in die Probe haben, wobei die Interaktionsfläche erhöht wird
und daher die Auflösung
verringert wird. Für
eine gegebene Auslenkung des Mikroskopbalkens nimmt die Kraft mit
der Federkonstanten, k, des Mikroskopbalkens zu. Für einen
allgemeinen Betrieb in einem Fluid sind kleine Federkonstanten (< ≈ 1 N/m) erwünscht. Für einen
Betrieb in einem Fluid an weichen Proben hat die Praxis gezeigt,
das Federkonstanten < ≈ 0,1 N/m wünschenswert
sind. Für
einen intermittierenden Modus in Luft sind Federkonstanten unter 30
N/m wünschenswert.
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Eine
hohe Eigenfrequenz, fR, des Mikroskopbalkens
ist für
ein rasches Abtasten und für
einen Betrieb mit geringem Rauschen erforderlich. Die Zeit, die
ein Mikroskopbalken benötigt,
nach einem Passieren über
ein Merkmal zu reagieren, ist von der Größenordnung 1/fR für einen
Kontaktmodus und Q/fR für einen intermittierenden Modus,
wobei Q ein Qualitätsfaktor
für den
Mikroskopbalken ist. Dies legt eine grundsätzliche Grenze einer Abtastgeschwindigkeit
fest. Das thermische Rauschen eines Mikroskopbalkens involviert
eine Ausbreitung einer festgelegten Rauschenergie (der Größenordnung
kT) über einen
Frequenzbereich bis in etwa der Eigenfrequenz fR wobei
k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur in Kelvin ist. Daher,
je höher
fR ist, desto geringer ist das Rauschen
pro Einheitsbandbreite unter fR. Höhere Eigenfrequenzen
mit geringeren Federkonstanten können
durch Aufweisen von kleineren und dünneren Mikroskopbalken erreicht
werden. Jedoch gibt es Schwierigkeiten beim Verwenden von gegenwärtigen AFMs
mit Mikroskopbalken, die beträchtlich
kleiner sind, als herkömmliche.
Für eine
optimale optische Balkenerfassung sollte der Fleck im Wesentlichen
den Mikroskopbalken ausfüllen.
Ein zu geringes Ausfüllen
führt zu
einem Verlust einer optischen Balkenerfassungseffizienz, weil der
reflektierte Strahl mehr als erforderlich divergiert. Ein übermäßiges Ausfüllen des
Balkens bedeutet einen Verlust von Licht und ein Erzeugen von ungewollten
Interferenzrändern
aufgrund des Lichts, das von der Probe reflektiert wird. Jedoch
können
verschiedene Betriebserfordernisse am Besten durch verschiedene Fleckgeometrien
selbst für
den gleichen Mikroskopbalken erfüllt
werden. Beispielsweise kann man es für äußerst geringe Rauschmessungen
einer Proteinbewegung wollen, den Mikroskopbalken zu überfüllen, um
den besten Niederrauschbetrieb zu erreichen, angenommen dass man
nicht aufnahmerauschbegrenzt ist, d. h., dass es eine ausreichende Lichtintensität gibt,
dass der Detektorsignalfehler innerhalb akzeptabler Grenzen ist.
Für Großmessungen
an reflektierenden Proben kann man es wollen, den Mikroskopbalken
zu unterfüllen,
um die Interferenzeffekte von Licht zu minimieren, das durch die Probe
reflektiert wird.
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Es
ist wünschenswert,
dazu imstande zu sein, das AFM zu verwenden, wobei sein Mikroskopbalken
in ein Fluid, wie beispielsweise Wasser, eingetaucht ist; siehe
beispielsweise
U.S. Patent Re. 34,489 :
„Rasterkraftmikroskop
mit optional ersetzbarer Fluidzelle", von Hansma et al, wobei der Mikroskopbalkenmesssonde
an einem Modul befestigt ist, das die Ausgestaltung einer ringförmigen Dichtung
erleichtert, um eine Fluidzelle um den Mikroskopbalkenmesssonde
auszuformen. Eine Vielzahl von Mikroskopbalkenmesssonden kann auf
dem gleichen Chip sein. Jeder der Mikroskopbalken sollte zu der
Optik des Systems zugänglich
sein, ohne eine angemessene Manipulation, das System zu refokussieren,
wenn von einem Mikroskopbalken zu einem anderen gewechselt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung sieht ein AFM vor, das die vorstehenden Bedürfnisse
durch Erzeugen eines kleinen Einfallstrahlflecks gemäß den Merkmalen
von Anspruch 1 erfüllt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind
in den abhängigen
Ansprüchen
vorgetragen. Das AFM ist mit einem optischen System mit einer Lichtquelle
zum Erzeugen eines fokussierten Einfallstrahls und mit Mitteln zum
Richten des fokussierten Strahls auf einen Mikroskopbalken versehen,
damit dieser von dort zu einem Detektor reflektiert wird. Das System
hat eine numerische Apertur (NA), die bei der Wellenlänge des
Lichts von der Lichtquelle ausreichend ist, wobei der fokussierte
Strahl einen Fleckdurchmesser, Wo, von 8 μm oder weniger in zumindest
einer Dimension ausformt. Der Fleckdurchmesser, Wo in μm, wird im
Allgemeinen als 2 × λ/(π × NA) definiert,
wobei λ =
die Wellenlänge
in μm und NA
durch N × sin θ definiert
ist, wobei θ 1/2
des Winkels des Fernfeldlichtkegels (bei dem Punkt 1/e2)
und n der Brechungsindex (in Luft gleich 1) ist. Für rotes Licht
bei λ =
670 nm, sollte NA größer als
0,05 sein. Für
blaues Licht bei λ =
400 nm, sollte NA größer als 0,03
sein. Für
ultraviolettes Licht wäre
die minimal NA geringer.
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Für rotes
Licht, oder selbst blaues Licht, führen die großen numerischen
Aperturen der Fokussierungsoptik, die durch diese Erfindung erforderlich sind,
zu einer geringen Tiefenschärfe.
Die Tiefenschärfe
des Einfallstrahlflecks kann als der Bereich definiert sein, in
dem sich der Strahl um 10% der Fleckgröße ausbreitet. Wenn man beispielsweise
einen Fleckdurchmesser von 2 μm
benötigt
und mit einem Licht von 670 nm Wellenlänge arbeitet, ist die Tiefenschärfe in der
Größenordnung
von in etwa 5 μm.
Infolgedessen müsste
man mit einer Vielzahl von benachbarten Mikroskopbalken den Einfallstrahl
an jedem Mikroskopbalken prüfen
und möglicherweise refokussieren.
Ein Refokussieren kann auch erforderlich sein, wenn der Chip, auf
dem die Mikroskophebel befestigt sind, ersetzt wird. In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird ein konfokales Betrachtungssystem realisiert,
das seine Brennebene an der gleichen Position wie die Brennebenen
des Einfalllichtstrahls hat. Indem der Mikroskophebel in dem Betrachtungssystem
schärfer
gestellt wird, wird der Einfalllichtstrahl automatisch in der Ebene
des Mikroskophebels scharf gestellt. Durch Einstellen bis die Fokuslinie
der Probe senkrecht zu dem Mikroskopbalken ist, kann man sicherstellen,
dass der Mikroskopbalkenchip parallel zu der Probe ist, wodurch
eine Interferenz des Chips mit der Probe verhindert wird. Das AFM
dieser Erfindung kann eine Vielzahl von benachbarten Mikroskopbalken
auf dem gleichen Chip verwenden; der Fokus des Einfallstrahls wird
von einem Mikroskopbalken zu einem anderen verlagert, während er
im Wesentlichen mit jedem Mikroskopbalken scharf gestellt bleibt.
Chips mit parallelen Mikroskopbalken sind handelsüblich.
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Zusätzlich zum
Bewirken einer geringen Tiefenschärfe treten optische Eintrittsprobleme
durch den größten Öffnungswinkel
des Einfallstrahls auf, der verwendet wird, um eine große numerische
Apertur zu erreichen. Um ein komplexes Linsensystem oder eine Ansammlung
von Linsen in der Nähe
des Mikroskopbalkens zu vermeiden, können die einfallenden und reflektierten
Lichtstrahlen so angeordnet sein, dass sie einander überlappen
und dass sie durch das gleiche Linsensystem treten. Die einfallenden
und reflektierten Lichtstrahlen werden durch Polarisation durch
Verwenden eines Strahlteilers in Verbindung mit einem Lambda-Viertel-Plättchen getrennt,
einem Konzept, das bei Interferenzmessverfahren gut bekannt ist;
siehe beispielsweise D. Rugar et al., Review of Scientific Instruments,
59, 2337-2340 (1988). Weil das Linsensystem dieser Erfindung kompakt
ist, kann es direkt an einem Mikroskopbalkenmodul befestigt sein.
Zusätzlich
können
piezoelektrische Elemente in dem Mikroskopbalkenmodulträger für einen
AFM-Betrieb im intermittierenden Modus angeordnet sein.
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Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele
beschrieben, jedoch können
Abwandlungen unter Beibehaltung der erfinderischen Konzepte gemacht
werden. Während
beispielsweise auf einen positionssensitiven Detektor Bezug genommen
wird, könnte
man alternativ eine andere Detektionseinrichtung wie beispielsweise
einen interferometrischen Detektor verwenden. In solch einem Fall
würde die
numerische Apertur auf der Optik des interferometrischen Systems
basieren. Andere Komponenten als der Detektor könnten im Wesentlichen die Gleichen
sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachstehend
wird kurz jede der Zeichnungen beschrieben, in denen einige Komponenten,
insbesondere der Mikroskopbalken und seine Abtastmesssondenspitze,
für eine
Klarheit einer Darstellung in großem Maße übertrieben sind.
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1 ist
schematische Zeichnung eines Rasterkraftmikroskops der Erfindung;
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2 ist
eine perspektivische Unteransicht eines Siliziumnitritmikroskopbalkenchips;
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Die 3 und 4 sind
schematische Darstellungen der Beziehung zwischen dem Mikroskopbalkenchip
und einem Mikroskopbalken, der Brennpunktebene des Betrachtungssystems
und einer Brennpunktlinie, die in dem Betrachtungssystem gesehen
wird;
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Die 5a und 5b sind
schematische Darstellungen der Interaktion der 3 und 4, wobei
ein Mikroskopbalkenchip relativ zu der Probenebene geneigt ist;
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Die 6a und 6b sind
schematische Darstellungen der Interaktion der 3 und 4, wobei
ein Chip parallel zu der Probe ist;
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7 ist
eine schematische Zeichnung eines Mikroskopbalkenmoduls in einem
weiteren Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung, bei dem eine Linse für das konfokale Betrachtungssystem
beweglich an dem Modul befestigt ist;
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8 ist
eine schematische Zeichnung eines Mikroskopbalkenmoduls bei einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die Fokussierungslinse innerhalb eines Mechanismus
enthalten ist, der an dem Modul zum Neigen der Linse zum Einstellen
der Fokuslinie des Einfallstrahls befestigt ist; und
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9 ist
eine schematische Aufbauzeichnung eines Rasterkraftmikroskops eines
anderen Ausführungsbeispiels
dieser Erfindung, bei dem das Modul auf einem piezoelektrischen
Element für
einen Betrieb im intermittierenden Modus gestützt wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die
Erfindung hat ihren größten Nutzen
in Bezug darauf, was wir hier als „kleine Mikroskopbalken" bezeichnen, die
im Allgemeinen eine Abmessung unter 30 μm bis zu so klein wie 4 μm in der
Länge haben,
oder selbst kleiner, wenn erzielbar. Obwohl sie für derartige
kleine Mikroskopbalken entwickelt ist, kann die Erfindung auch mit
mittleren Mikroskopbalken verwendet werden, die hier definiert sind, dass
sie eine Länge
aufweisen, die größer als
30 μm und
kleiner als 100 μm
ist, ebenso wie mit herkömmlichen
Mikroskopbalken, die im Allgemeinen eine Abmessung haben, die von
100 bis 200 μm
Länge reicht.
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Bezugnehmend
auf 1 ist ein Mikroskopbalkenmodul 10 gezeigt,
in dem ein Mikroskopbalkenchip 12 befestigt ist, und auf
dem ein Mikroskopbalken 14 mikrofabriziert ist, der seine
Messsondenspitze 16 in Kontakt oder beinahe Kontakt mit
der Fläche
einer Probe 18 hat. Das Modul 10 hat eine Mittelöffnung 20,
in deren unterem Bereich ein Fenster 22 befestigt ist.
Das Fenster 22, das ein Deckglas sein kann, bildet die
Grenze zu der Probenumgebung. Das Fenster 22 kann durch
eine andere Linse ersetzt werden, die in Verbindung mit den anderen
Linsen wirkt, um den Einfallstrahl zu fokussieren. Eine untere Fokussierungslinse 24 ist
befestigt, indem ihre Ränder
in eine Haltenut 26 eingeführt sind. Die untere Fokussierungslinse 24 ist
eine Komponente eines optischen Balkensystems, das eine kollimierte
Lichtquelle, eine Apertur 34, einen Einfalllichtstrahlteiler 36,
ein bewegliches Linsensystem 38, einen Polarisationsstrahlteiler 40 und
ein Lambda-Viertel-Plättchen 42 aufweist.
Die untere Fokussierungslinse 24 ist vorzugsweise in der
Nähe des
Mikroskopbalkens 14 an dem Modul 10 befestigt,
um eine große
numerische Apertur zu ermöglichen.
Die in 1 gezeigten Komponenten und das zugehörige Gehäuse können als
der Kopf des Systems bezeichnet werden.
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Die
kollimierte Lichtquelle 32 kann ein Laser oder eine superstrahlende
Diode sein, die einen Einfallstrahl 44 erzeugt. In einem
speziellen Ausführungsbeispiel
ist die kollimierte Lichtquelle eine Laserdiode mit einer Wellenlänge von
670 nm, die an einen Einmoden-Lichtleiter gekoppelt ist, wobei der Lichtstrahl
beim Austritt kollimiert wird. Der Einfallstrahl 44 tritt
durch die Apertur 34 und wird durch den Strahlteiler 36 zu
dem Mikroskopbalken 14 hin gerichtet. Der Einfallstrahl 44 tritt
dann durch das bewegliche Linsensystem 38 und durch den
Polarisationsstrahlteiler 40, der nur eine Polarisationsrichtung des
Laserlichts des Einfallstrahls weitergibt. Die andere Polarisationsrichtung
wird auf eine Seite des Kopfes reflektiert, weg von einem Fotodetektor 46, wo
sie einen schwarzen Körper
(nicht gezeigt) trifft, der ein Streulicht minimiert. Ein ungewünschtes Streulicht
kann optional durch Befestigen eines Polarisators 48 in
der Strahlaußenseite
der Kavität
des Kopfes reduziert werden, um die Richtung einer Polarisation
herauszufiltern, die durch den Polarisationsstrahlteiler 40 reflektiert
wird.
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Der
Detektor kann eine herkömmliche
Struktur aufweisen. Um ein Eintreten des Strahls auf den Detektor
zu erleichtern, kann ein bekanntes XY-Positionierungsgestell verwendet
werden. Außerdem kann
die Neigung des Detektors durch ein Neigungsgestell oder durch Zufügen einer
Neigungskomponente zu dem X-Y-Gestell eingestellt werden.
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Derjenige
Anteil 44a des Einfalllichtstrahls 44, der durch
den Polarisationsstrahlteiler tritt, wird durch das Lambda-Viertel-Plättchen 42 übertragen, wo
er elliptisch polarisiert wird. Der Einfallstrahl tritt dann durch
die Fokussierungslinse 24, durch das Fenster 22 und
trifft die obere Fläche
des Mikroskopbalkens 14, von der er reflektiert wird. Der
reflektierte Strahl tritt zurück
durch das gleiche Fenster 22, die Fokussierungslinse 24 und
das Lambda-Viertel-Plättchen 42.
Das Lambda-Viertel-Plättchen polarisiert nun
den reflektierten Strahl linear, wobei der resultierende Strahl
eine Polarisation aufweist, die senkrecht zu demjenigen des Einfallstrahls
ist. Dies bewirkt, dass der Strahl, der durch den Mikroskopbalken 14 reflektiert
wird, beinahe vollständig
durch den Strahlteiler 40 auf den Detektor 46 reflektiert
wird. Eine derartige Differenzialpolarisation, die einen Strahlteiler
und ein Lambda-Viertel-Plättchen
verwendet, ist bekannt, das sie die erforderliche Orientierung der
Komponenten ist. Der Betrag von reflektiertem Licht, der durch den
Strahlteiler 40 tritt, ist im Allgemeinen zum Betrachten
ausreichend, wie es nachstehend diskutiert wird.
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Wie
es in 1 gezeigt ist, ist die optische Achse des Einfallstrahls 44 von
der Vertikalen so geneigt, dass der Einfallstrahl normal zu der
Ebene des Mikroskopbalkens 14 ist. Dies hat mehrere Vorteile. Beispielsweise
wird Licht, das durch eine Abschattung an dem Rand des Chips 12 verloren
geht, minimiert. Dies ist besonders wichtig für die Systeme mit großer numerischer
Apertur, die für
die Abmessungen der Erfindung mit kleinem Fleck erforderlich sind, weil
ein Lichtkegel mit einem großen Öffnungswinkel den
Mikroskopbalken erreichen muss.
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Ein Überlappen
der Einfallstrahlen und der reflektierten Strahlen ermöglicht es
einem die Ebene des Mikroskopbalkens zweckmäßig in der Fokussierungsebene
zu platzieren. Folglich kann man auf den Mikroskopbalken fokussieren
und dann den Fleck auf dem Mikroskopbalken bewegen, ohne refokussieren zu
müssen.
Mit benachbarten Mikroskopbalken kann man auf einen Mikroskopbalken
fokussieren und dann den Fokus des Einfallstrahls von einem Mikroskopbalken
zu einem anderen verlagern, indem beispielsweise der Strahl verlagert
wird. Der Einfallstrahl wird dann im Wesentlichen im Fokus mit jedem
Mikroskopbalken sein, was, wenn überhaupt,
nur eine geringe Einstellung erforderlich macht. Ein Chip mit einer
Vielzahl von Mikroskopbalken 14I , 14II , 14III , 14IV und 14° mit verschiedenen Längen ist
in 2 gezeigt, und wird von unten betrachtet, um jeweils
deren Spitzen bei 16I , 16II , 16III , 16IV und 16V zu
zeigen.
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Durch
gemeinsames Benutzen von optischen Komponenten wird ein konfokales
Betrachtungssystem leicht erhalten und ist dieses hilfreich zum
Fokussieren des Einfallstrahls auf einen Fleck auf dem Mikroskopbalken
und zum Positionieren des Flecks. Die Tatsache, dass der Einfallstrahl
vor einem Auftreffen auf die erste Linse 38 kollimiert
ist, erfordert eine unendlichkorrigierte Optik für das Betrachtungssystem, um
mit dem Einfallstrahl konfokal zu sein. In einem speziellen Ausführungsbeispiel
wird ein Teleskop verwendet, das auf unendlich eingestellt ist (nicht
gezeigt). Bei anderem Ausführungsbeispiel wird
ein Videosystem verwendet; die Videokamera muss nur auf unendlich
eingestellt sein, wenn ein kollimiertes Licht verwendet wird. Wenn
man das bewegliche Linsensystem 38 derart einstellt, dass
der Mikroskopbalken in dem Betrachtungssystem scharf erscheint,
dann wird der Einfallstrahl 44a automatisch in der Ebene
des Mikroskopbalkens fokussiert sein. Dies ist ein zweckmäßiges Einstellen
für ein
Arbeiten mit kleinen Mikroskopbalken. Gleichzeitig kann der Fleck
von dem Einfallstrahl in dem Betrachtungssystem gesehen werden, wobei
seine Intensität durch
den Polarisationsstrahlteiler 40 reduziert ist, und kann
dieser genau an dem Mikroskopbalken positioniert werden.
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Alternativ
kann der Detektor 46 verwendet werden, um die Intensität des reflektierten
Strahls zu messen und könnte
das bewegliche System 38 eingestellt werden, um die Intensität zu maximieren. Dies
würde dazu
dienen, den Strahl rasch auf den Mikroskopbalken zu fokussieren.
Auch kann man durch Befestigen des Lambda-Viertel-Plättchens,
so, dass es gedreht werden kann, verschiedene Intensitäten des
Lichts für
bestimmte Zwecke erreichen. Eine nicht unendlichkorrigierte Optik
kann verwendet werden, solange das bewegliche Linsensystem 38 äquivalent
für sowohl
den Einfallstrahl als auch das Betrachtungssystem ist und eine einmalige
Linseneinstellung vorgenommen wird, um beide Brennebenen abzugleichen.
Diese Einstellung ist mit einer unendlichkorrigierten Optik am einfachsten
kann jedoch auch für
andere Systeme vorgenommen werden, wie beispielsweise mit einem
45 mm Mikroskopobjektiv und einer 160 mm Röhrenlänge, um ein 205 mm System zu
ergeben.
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Das
Betrachtungssystem kann bei der Bahnannäherung der Probe helfen. Eine
Zeile auf der Probe kommt in den Fokus, wenn sich die Probe dem
Mikroskopbalken nähert.
Diese Linie ist der Schnitt von der Ebene eines Fokus des Betrachtungssystems
mit der Ebene der Probe. Wenn die Ebene des Fokus des Betrachtungssystems
im Wesentlichen die Gleiche ist, wie die Ebene des Fokus des Mikroskopbalkens 14,
dann, wenn sich die Probe nähert,
wird die Fokuslinie auf der Probe überwacht, um sich dem Mikroskopbalken 14 zu
nähern.
Die Erfahrung wird den Nutzer dazu führen, wie nahe er die Fokuslinie
auf der Probe zu dem Mikroskopbalken bringt, bevor er die Annäherung zu
herkömmlichen
Zeilenannäherungssystemen
wendet.
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Um
sicher zu stellen, dass der Rand des Mikroskopbalkenchips 12 die
Probe 18 nicht berührt (was
eine Folge sein kann, wenn das Mikroskopbalkenmodul nicht parallel
zu der Probe ist), kann die vorstehende Fokuslinie eingestellt werden,
um parallel zu dem Rand des Mikroskopbalkenchips 12 zu sein.
Eine Einstellung, die in einer parallelen Fokuslinie resultiert,
wird den Winkel des Chips einstellen, um parallel zu der Probe zu
sein. Dies in den 3 bis 6 dargestellt.
Wie es in den 3 und 4 gezeigt
ist, ist das Mikroskopbalkenmodul 10 parallel zu der Probe 18 und
fällt die
Fokussierungsebene des Betrachtungssystems, das durch die gestrichelte
Linie 19 angezeigt wird, mit der Ebene des Mikroskopbalkens 14 zusammen.
Was in dem Betrachtungssystem als eine Linie eines Fokus 21 erscheint
wird in 3 als ein Punkt gesehen, der
sich normal zu dem Zeichnungsblatt erstreckt. Wenn die Probe 18 hoch
bewegt wird (zu dem Mikroskopbalken 14 hin), nähert sich
diese Linie 21 dem Mikroskopbalken 14 in dem Betrachtungssystem,
wie es durch den Fall 23 gezeigt ist.
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Bezugnehmend
auf die 5a und 5b, wenn
der vordere Rand 25 des Chips 12 relativ zu der
Ebene der Probe 18 geneigt ist, könnte eine Ecke des Chips 12 die
Probe 18 treffen, bevor der Mikroskopbalken 14 die
Probe 18 berührt.
Um dies zu vermeiden korrigiert der Nutzer die Linie eines Fokus 21 auf
der Probe 18 während
sich der Mikroskopbalken 14 im Fokus befindet, bevor und
während
eines Eingreifens des Mikroskopbalkens 14 mit der Probe 18.
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Bezugnehmend
auf die 6a und 6b, wobei
der vordere Rand 25 des Chips 12 parallel zu der
Ebene der Probe 18 ist, wenn der Mikroskopbalken 14 im
Fokus ist, wird die Linie eines Fokus 21 auf der Probe 18 normal
zu dem Mikroskopbalken 14 sein.
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Immer
noch bezugnehmend auf 1 ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine einstellbare Apertur 49 in dem Einfallweg
platziert, um die Fleckgeometrie des Mikroskopbalkens zuzuschneiden.
Zum Beispiel kann man den Mechanismus, der die Kameraaperturen steuert,
verwenden, der mit überlappenden
Plättchen
ausgebildet ist. Man kann einen nicht kreisförmigen Fleck verwenden, indem
wahlweise die Geometrie der Verschließplatten gewählt wird,
oder durch Ersetzten von vorausgebildeten Aperturplättchen.
Der Nutzer würde das
Betrachtungssystem an dem Mikroskopbalken fokussieren und würde dann
die Fleckposition, Größe und Form
einstellen. Folglich könnten
lange und herkömmliche
Mikroskopbalken betrieben werden, ebenso wie kurze und exotische,
und zwar alle mit einer optimalen Leistungsfähigkeit. Beispielsweise kann
man eine rechteckige 2 mm mal 4 mm Apertur einschließen (oder, äquivalent,
zwei Schlitzaperturen bei rechten Winkeln zueinander mit Längen von
jeweils 2 mm und 4 mm) mit einem Linsensystem, das eine numerische
Apertur von 0,2 hatte, wenn er mit einem Strahl mit 6 mm Durchmesser
(λ = 670
nm) gefüllt
wird. Dies würde
eine Fleckgröße von in
etwa 6 μm
bis 3 μm
ergeben, was in etwa einen Mikroskopbalken füllen würde, der 6 μm lang und 3 μm breit war.
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Bei
anderen speziellen Realisierungen kann ein Mikroskopbalken mit einer
ungefähren
Länge, und
Breite und Dicke von jeweils 4 μm,
2 μm und
0,05 μm
aus beispielsweise Aluminium mit einer Federkonstanten von 0,1 N/m
und einer Eigenfrequenz von in etwa 2,6 MHz hergestellt werden.
Wenn man einen Fleckdurchmesser von 2 μm mit einem 670 nm Wellenlängenlicht
will, wäre
die Tiefenschärfe
in der Größenordnung
von 5 μm.
Ein Mikroskopbalken mit kleiner Abmessung, der bei der Erfindung
verwendet werden kann, hat einen Mikroskopbalken, der aus Siliziumnitrit
hergestellt ist, an dem Gold abgelagert wurde, mit einer Länge, Breite
und Dicke von jeweils 23 μm,
12 μm und
0,44 μm.
Ein Zwischengrößenmikroskopbalken,
an dem die Erfindung verwendet wurde, der auch aus Siliziumnitrit,
an dem Gold abgelagert ist, aufgebaut ist, hat eine Länge, Breite
und Dicke von jeweils 78 μm,
20 μm und
0,44 μm.
Eine Fleckgröße von 7 μm mit einer
Tiefenschärfe
in der Größenordnung
von 50 μm
wurde verwendet.
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Ein
weiteres Verfahren zum Bewegen der Linsenbaugruppe ist in 7 gezeigt.
Die Linsenbaugruppe hat eine untere befestigte Linse 60 und eine
obere versetzbare Linse 62. Die untere Baugruppenlinse 60 ist
in einem unteren Bereich des Moduls in einer Mittelöffnung 64 befestigt.
Die obere Baugruppenlinse 62 ist an einer Befestigung 66 befestigt,
die an einem Bauteil 70 montiert ist, welches eine Gewindeöffnung an
einer Seite hat, die mit einem Bolzen 72 zusammenwirkt,
der in einer Bolzenöffnung 74 befestigt
ist, die in dem Modul 76 liegt. Die andere Seite des Bauteils 70 definiert
einen Hebelbereich 78, der bei 80 an eine Stütze 77 schwenkbar befestigt
ist, die an der oberen Fläche
des Moduls 76 befestigt ist. Eine Feder 82 ist
an dem Hebelbereich 78 bei 84 und an der oberen
Fläche
des Moduls bei 86. Durch Drehen des Bolzens 72 in
einer Richtung oder der anderen kann das einschraubbare Bauteil 70 die
obere Baugruppenlinse 62 anheben oder herabbewegen. Man
kann dann bestimmen, wenn der Mikroskopbalken im Brennpunkt ist,
und zwar durch Überwachung
durch das konfokale Betrachtungssystem.
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Auch
in 7 gezeigt ist ein zweckdienlicher Mechanismus
zum Entfernen und Replatzieren des Mikroskopbalkenchips 12.
Ein Bolzen in einer Bolzenbohrung 88 drückt gegen ein ablenkbares Bauteil 90,
welches wiederum auf den Mikroskopbalkenchip 12 einwirkt,
der in einer Tasche 92 gelegen ist, um den Mikroskopbalken
an das Modul 76 zu klemmen. Durch eine derartige Einrichtung
kann der Mikroskopbalkenchip leicht gelöst oder festgezogen werden,
und zwar an dem Modul, und kann vorwärts und nach hinten positioniert
werden.
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Wie
es vorstehend angegeben ist, wird durch ein Aufweisen der optischen
Achse der Fokussierungslinsen senkrecht zu der Ebene des Mikroskopbalkens
die Fokussierungsebene des Einfallstrahls 44a parallel
zu der Ebene des Mikroskopbalkens sein. Ein Bewirken, dass der Fokus
des Einfallstrahls parallel zu der Ebene des Mikroskopbalkens ist,
kann auch durch ein Kippen der Linsen erreicht werden, wie bei einer
Sucherkamerafotografie. Bezugnehmend auf 8 ist eine
untere Linsenbaugruppe 94 in einer Mittelöffnung 96 in
einem anschraubbaren Linsenhalter 98 befestigt, der durch
Bolzen 100 und 102 befestigt ist, die in jeweiligen
Bolzenöffnungen 104 und 106 wirken.
Die Bolzen werden durch Gewindeöffnungen 108 und 110 an
gegenüberliegenden
Seiten einer Mittelöffnung 112 in
dem Modul 114 geschraubt. Ein dritter Bolzen (nicht gezeigt)
ist außerhalb
des Zeichenblatts, ist jedoch auf ähnliche Weise in einer entsprechenden
Gewindeöffnung durch
das Modul 114 und einen Linsenhalter 98 angeordnet.
Die Öffnung 96 in
dem Linsenhalter 98 ist mit einem Gewinde versehen, so
dass die Linse 94 aufwärts und
abwärts
darin bewegt werden kann, wenn eine Kurseinstellung vorgenommen
wird. Durch Einwärts-
oder Auswärtsschrauben
von einem oder mehreren der Bolzen 100 kann die Linse 94 bezüglich des
Mikroskopbalkens 14 geneigt werden.
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Auch
in 8 gezeigt ist ein weiteres Verfahren zum Sichern
des Mikroskopbalkenchips 12. In diesem Fall ist eine untere
Platte 116 an der unteren Fläche des Moduls 114 befestigt
und klemmt den Mikroskopbalkenchip 12 zwischen seine plane
Fläche 118 und
die dazugehörige
schräge
Fläche
des Moduls 120 mittels Bolzen 122 und 124 durch Öffnungen 126 und 128 in
dem Modul und entsprechenden Öffnungen 130 und 132 in
der Platte 116. Eine Feder 134, die sich in einer
anderen Öffnung 136 in
dem Modul befindet, wird mittels eines Bolzenkopfes 138 vorgespannt,
der in der Oberseite des Moduls eingeschraubt ist und entgegen der
Feder 134 trägt,
um ein Lösen
zu erleichtern.
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Ein
allgemeiner Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels ist in 9 gezeigt.
Das Mikroskop ist kompakt und aus einem Aluminiumblockgehäuse 140 ausgeformt,
das auf einer Basisplatte 142 getragen wird, welche eine
Mittelöffnung 144 aufweist.
Das Gehäuse 140 definiert
eine Kavität 146,
in der ein Mikroskopbalkenmodul 148 angeordnet ist. Das
Modul 148 ist mit einer mittleren Öffnung 150 ausgeformt,
in der eine untere Linse 152 und eine obere Linsenbaugruppe 154 über einem
Mikroskopbalken 156 befestigt sind, der auf einem Mikroskopbalkenchip 158 getragen
wird, der an dem Unterteil des Moduls 148 befestigt ist.
Das Gehäuse 140 stützt eine
bewegliche Linse 160, die durch einen Linsenhalter 162 getragen
wird, der gegen eine Feder 164 durch einen Bolzen 166 beweglich
ist, der in einer Bolzenöffnung 168 in
dem Block 140 verschraubbar getragen wird und durch einen
Fokussierungsknopf 170 gegen die Vorspannung der Feder 164 gedreht wird.
Ein Polarisationsstrahlteiler 172, der oberhalb und einstückig mit
einem Lambda-Viertel-Plättchen 174 ist,
wird in der Bahn des Lichts zwischen der beweglichen Linse 160 und
der oberen Linsenbaugruppe 144 gestützt. Der Strahlteiler 176 wird
an einem Kippgestell 182 gestützt, welches zwei Einstellschrauben 184 und 186 und
einen Drehpunkt (nicht gezeigt) aufweist.
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Licht
aus einer optischen Phase 188 tritt durch einen Kollimator 190,
um durch den Einfalllichtstrahlteiler 176 jeweils durch
die Öffnungen 192 und 194 in
dem Kippgestell 182 und dem Block 140 gerichtet
zu werden. Das vordere Ende des Kollimators 190 grenzt
an einen Schlitz 192 an, in den eine Platte platziert werden
kann, die eine wie gewünscht
geformte Aperturöffnung
aufweist. Das Kippgestell 182 positioniert den fokussierten
Fleck auf dem Mikroskopbalken 156. Kollimiertes Licht von
dem Einfallstrahlteiler 176 tritt durch die bewegliche
Linse 160, den Polarisationsstrahlteiler 172,
das Lambda-Viertel-Plättchen 174 und
befestigten Linsen 154 und 152, um auf die Oberseite
des Mikroskopbalkens 156 zu treffen.
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Von
dem Mikroskopbalken reflektiertes Licht tritt zurück durch
die befestigen Linsen 152 und 154, durch das Lambda-Viertel-Plättchen 174 und
wird durch den Strahlteiler 172 reflektiert.
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Ein
Detektor 196 ist in der Blockkavität 146 positioniert
und wird durch einen Arm 198 getragen, der mit einem Detektorkippgestell 200 verbunden
ist, welches mittels Einstellschrauben, von denen zwei, 202 und 204 gezeigt sind,
den reflektierten Strahl auf den Detektor 196 zentriert.
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Das
Mikroskopbalkenmodul 148 wird an der Basisplatte 142 durch
eine Stahlkugel 206 an einer Seite und durch eine Stahlhalbkugel 208 an
der anderen Seite getragen, wobei diese jeweils in den Kavitäten 210 und 212 gelegen
sind, die in dem Unterteil des Mikroskopbalkenmoduls 148 ausgeformt sind.
Die Stahlhalbkugel 208 ist an einem piezoelektrischen intermittierenden
Aktuator 214 in einer z-Richtung geklebt, der Leitungen
aufweist (nicht gezeigt), die zu einer Steuerung (nicht gezeigt)
führen, um
einen Intermittierenden-Modus des Mikroskopbalkenbetriebs zu ermöglichen.
Während
ein derartiges Platzieren des piezoelektrischen intermittierenden
Aktuators 214 einen Aufbau der Vorrichtung vereinfacht
und den piezoelektrischen intermittierenden Aktuator ersetzen kann,
und an anderen Stellen, beispielsweise in der Fluidzelle platziert
werden kann. Alternativ kann ein piezoelektrischer Aktuator angeordnet
sein und jede Kugel das Mikroskopbalkenmodul stützen.
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Die
Probe 216 wird auf einem piezoelektrischen Abtaströhrchen 218 gestützt, das
in einer Abtastbaugruppe 220 getragen wird. Das Abtaströhrchen 218 hat
ein herkömmliches
Design, das im Stand der Technik gut bekannt ist, wobei ein Anlegen von
x-, y- und z-Richtungsspannungen über Leitungen
(nicht gezeigt) die Probe horizontal und vertikal bewegt. Die Grundplatte 142 wird
auf der Abtastbaugruppe 220 mittels Platzierungskavitäten 222 und 224 gestützt, die
jeweils mit Stahlkugeln 226 und 228 verbunden
sind, die jeweils an Einstellschrauben 230 und 232 getragen
werden.