DE69824909T2 - Rastersondenmikroskop - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rastersondenmikroskop, das einen Quarzoszillator verwendet, um die Position einer Sonde zu regeln.
  • Bekannte Verfahren für die Positionsregelung in einem Rastersondenmikroskop umfassen ein Verfahren, das die Erfassung eines Tunnelstroms enthält, ein Verfahren, das die Erfassung eines schwindenden Lichts enthält, und ein Verfahren, das die Erfassung einer Atomkraft enthält. Eine Form von Rastersondenmikroskop, das einen Tunnelstrom für die Regelung einer Sonde nutzt, ist ein Rastertunnelmikroskop (STM = Scanning Tunneling Microscope). Eine Form von Rastersondenmikroskop, bei dem schwindendes Licht für die Regelung einer Sonde verwendet wird, ist ein Photonen-STM. Es ergeben sich jedoch Einschränkungen für die Proben, die gemessen werden können. Die Hauptanwendungsgebiete liegen daher in einem Atomkraftmikroskop (AFM = Atomic Force Microscope), bei dem eine Atomkraft verwendet wird, um die Position einer Sonde zu regeln, und in einem Nahfeld-Rasteroptikmikroskop (NSOM = Near-Field Scanning Optical Microscope). Ein Verfahren der Erfassung einer Atomkraft umfasst die Erfassung von Verschiebungen einer Sonde mittels Laserlicht. Ein weiteres Verfahren nutzt die Schwankungen des von einem Quarzoszillator erzeugten Stroms.
  • Ein Rastersondenmikroskop, in welchem Laserlicht verwendet wird, um Verschiebungen einer Sonde zu erfassen, ist z. B. in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 50750/1994 mit dem Titel "Scanning Microscope Including Force-Detecting Means" von Robert Erik Betzig offenbart. Ein Beispiel eines Rastersondenmikroskops, in welchem ein Quarzoszillator verwendet wird, um Verschiebungen einer Sonde zu erfas sen, ist in App. Phys. Lett. 66(14), 1995, S. 1842-1844, von Kaled Karai u. a. offenbart. Diese Instrumente werden im folgenden grob dargestellt.
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines "Laserlicht verwendenden Rastersondenmikroskops" des Standes der Technik. Die Spitze einer Lichtleitfaser 310 wird zu einer verjüngten Form 70 bearbeitet. Eine Probenbühne 20 ist auf einer XYZ-Bühne 50 platziert. Eine Probe 30 ist auf der Probenbühne abgelegt. Die Lichtleitfasersonde 70 wird parallel zur Probenoberfläche unter Verwendung eines Feinverschiebungselements 40 in Schwingung versetzt. Eine horizontale Kraft von der Probenoberfläche oder eine Scherkraft wirkt auf die Spitze der Sonde. Somit ändert sich der Schwingungszustand der Sonde. Um den Schwingungszustand der Sonde 70 zu messen, wird (nicht gezeigtes) Laserlicht, das für die Positionsregelung verwendet wird, auf die Spitze gerichtet, wobei der Schatten der Sonde 70 mittels einer Linse 90 und eines Photodetektors 80 erfasst wird. Der Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitze der Sonde wird unter Verwendung des Feinverschiebungselements 40 geregelt, so dass die Scherkraft konstant gehalten wird, d. h. die Rate, mit der die Amplitude oder Phase variiert, wird konstant gehalten. Die Scherkraft sinkt mit dem Abstand von der Probe schnell ab. Dies wird genutzt, um den Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitze der Sonde in der Größenordnung von Nanometern konstant zu halten. Die Probenoberfläche wird unter Verwendung des XYZ-Feinverschiebungselements 40 im Raster abgetastet. Auf diese Weise kann die Topographie der Probenoberfläche in der Größenordnung von Nanometern gemessen werden.
  • 3 ist eine schematische Ansicht der Hauptabschnitte des "einen Quarzoszillator verwendenden Rastersondenmikroskops" des Standes der Technik. Mit 400 ist eine Lichtleitfasersonde bezeichnet, während mit 410 ein Quarzoszillator bezeichnet ist. Die Lichtleitfasersonde ist mittels Klebstoff mit dem Quarzoszillator verklebt. Der Quarzoszillator wird unter Verwendung einer (nicht gezeigten) piezoelektrischen Vorrichtung in Resonanzschwingungen versetzt. Wenn sich die Spitze der Sonde der Probe nähert, wirkt eine horizontale Kraft von der Probenoberfläche bzw. eine Scherkraft auf die Spitze der Sonde. Somit ändert sich der Schwingungszustand der Sonde. Der Schwingungszustand des Quarzoszillators wird gemessen, indem die elektrische Ladung gemessen wird, die von einem piezoelektrischen Effekt des Quarzes erzeugt wird. Der Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitze der Sonde wird unter Verwendung eines (nicht gezeigten) piezoelektrischen Abtasters so geregelt, dass die Scherkraft konstant gehalten wird, d. h. die Rate, mit der die Amplitude oder Phase variiert, wird konstant gehalten. Die Scherkraft sinkt mit dem Abstand von der Probe schnell ab. Dies wird genutzt, um den Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitze der Sonde in der Größenordnung von Nanometern konstant zu halten. Die Probenoberfläche wird unter Verwendung eines (nicht gezeigten) XYZ-Feinverschiebungselements im Raster abgetastet. Auf diese Weise kann die Topographie der Probenoberfläche in der Größenordnung von Nanometern gemessen werden. Dieser Stand der Technik ist in DE 19510365 offenbart.
  • Das obenbeschriebene Rastersondenmikroskop des Standes der Technik weist folgende Nachteile auf. Bei dem Rastersondenmikroskop, das Laserlicht verwendet, wird das Laserlicht auf die Probenoberfläche nahe der Spitze der optischen Sonde gerichtet, wobei ein Abbild (Schatten) der Spitze der Sonde anhand des reflektierten Lichts erfasst wird, um die Scherkraft zu erfassen. Die Menge des reflektierten Lichts wird daher leicht durch die Topographie der Probenoberfläche und durch die Reflektivität beeinflusst. Somit ist es schwierig, die Schwingungsamplitude zu messen, wobei es schwierig ist, die Oberflächentopographie genau zu messen. Ferner ist es nicht einfach, das Laserlicht auszurichten, so dass die Datenreproduzierbarkeit Probleme aufwirft.
  • Bei dem Rastersondenmikroskop, das einen Quarzoszillator verwendet, ist der Abschnitt, an dem der Quarzoszillator und die Lichtleitfaser miteinander verklebt sind, tendenziell ein mikroskopischer Bereich (z. B. ein quadratischer Bereich von etwa 100 μm im Quadrat). Es ist schwierig, die Klebeoperation durchzuführen. Ferner werden die Eigenschaften der Quarzoszillatorvorrichtung durch die Klebstoffmenge, die Härte, den Ort der Verklebung und andere Faktoren leicht beeinflusst. Somit ist es schwierig, einen Oszillatorsensor mit hoher Reproduzierbarkeit zu erhalten. Aus diesen Gründen war es schwierig, das Instrument in industriellen Anwendungen zu verwenden. Wenn die Sonde ausgetauscht wird, muss auch der Quarzoszillator ausgetauscht werden. Dies führt zu einer Kostenerhöhung. Außerdem war es nicht möglich, reproduzierbare Oberflächentopographiemessungen durchzuführen. JP 05180616 zeigt eine Sonde, die mittels einer Blattfeder gegen ein Befestigungselement gedrückt wird, so dass sie leicht austauschbar ist.
  • Ein Rastersondenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine Sonde, die mit einer Sondenspitze an ihrem vorderen Ende ausgestattet ist, einen Schwingungsbeaufschlagungsabschnitt, der einem piezoelektrischen Schwingungskörper und einen Wechselspannungserzeugungsabschnitt umfasst, ein Grobverschiebungsmittel, um die Sonde nahe an eine Oberfläche einer Probe zu bringen, ein Probe-Sonde-Abstandsregelungsmittel, das ein Z-Feinverschiebungselement und eine Z-Servoschaltung umfasst, ein zweidimensionales Abtastmittel, das ein XY-Feinverschiebungselement und eine XY-Abtastschaltung umfasst, und ein Datenverarbeitungsmittel zum Umsetzen eines Messsignals in ein dreidimensionales Bild, wobei die Sonde durch Federdruck am Quarzoszillator gehalten wird und entweder eine Rastertunnelmikroskopspitze oder ein Atomkraftmikroskopausleger ist. Diese Struktur schafft ein Rastersondenmikroskop, das die Oberflächentopographie mit hoher Reproduzierbarkeit messen kann.
  • Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Rastersondenmikroskops im wesentlichen gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine schematische Ansicht des Rastersondenmikroskops des Standes der Technik ist, das Laserlicht verwendet;
  • 3 eine schematische Ansicht des Rastersondenmikroskops des Standes der Technik ist, das einen Quarzoszillator verwendet;
  • 4 eine schematische Ansicht der Ausführungsform 1 eines Rastersondenmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 5 eine schematische Ansicht der Ausführungsform 2 eines Rasterson denmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • 6 eine schematische Ansicht der Ausführungsform 3 eines Rastersondenmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Rastersondenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen eine Sonde 1, einen Schwingungsbeaufschlagungsabschnitt, der einen piezoelektrischen Schwingungskörper 2 und ein Wechselspannungserzeugungsmittel 3 umfasst, einen Schwingungserfassungsabschnitt, der einen Quarzoszillator 4 und eine Strom/Spannung-Verstärkerschaltung 5 umfasst, ein Grobverschiebungsmittel 6, um die Sonde nahe an die Probenoberfläche zu bringen, ein Probe-Sonde-Abstandsregelungsmittel, das ein Z-Feinverschiebungselement 11 und eine Z-Servoschaltung 12 umfasst, ein zweidimensionales Abtastmittel, das ein XY-Feinverschiebungselement 13 und eine XY-Abtastschaltung 14 umfasst, und ein Datenverarbeitungsmittel 15 zum Umsetzen eines Messsignals in ein dreidimensionales Bild. Ein elastischer Körper 16 erzeugt einen Federdruck, der die Sonde 1 am Quarzoszillator 4 hält.
  • Wenn die horizontal schwingende Sonde nahe an die Probenoberfläche gebracht wird, wirkt eine Schwerkraft auf die Spitze der Sonde. Dies reduziert die Amplitude der Schwingung. Die Sonde und der Quarzoszillator sind mittels Federdruck aneinander befestigt und arbeiten somit als eine Einheit. Die Verringerung der Schwingungsamplitude der Sonde führt daher zu einer Verringerung der Schwingungsamplitude des Quarzoszillators. Dies reduziert wiederum den Ausgangsstrom, der von der Strom/Spannung-Verstärkerschaltung erfasst wird. Der Abstand zwischen der Probe und der Sonde wird mit dem Z-Feinverschiebungselement und der Z-Servoschaltung geregelt, um den Ausgangsstrom vom Quarzoszillator konstant zu halten. Auf diese Weise wird die Spitze der Sonde in einem konstanten Abstand von der Probenoberfläche gehalten. Unter dieser Bedingung wird die Sonde im Raster in zwei Dimensionen über die Probenebene bewegt, um ein dreidimensionales Bild zu erzeugen.
  • Der Abstand zwischen der Sonde und der Probe wird unter Verwendung eines Quarzoszillators wie oben beschrieben geregelt. Dies erübrigt einen Laser, der normalerweise für die Positionsregelung verwendet wird, wie z. B. bei dem Rastersondenmikroskop, das Laserlicht verwendet. Außerdem kann das Problem von ungenauen Daten aufgrund von Variationen der Position des Laserlichts und Variationen der Menge des reflektierten Lichts umgangen werden. Der Federdruck des elastischen Körpers verankert die Sonde am Quarzoszillator. Im Sondenmikroskop des Standes der Technik, das einen Quarzoszillator verwendet, würden die Daten durch die Art der Verklebung beeinflusst. Beim Austauschen der Sonde ist es lediglich notwendig, die Sonde zu ersetzen. Folglich kann der gleiche Quarz verwendet werden. Die Reproduzierbarkeit der Messbedingungen und die Reproduzierbarkeit der Daten können verbessert werden. Außerdem führt der Austausch nur der Sonde zu geringeren Kosten. Ferner erübrigt sich die Verklebung, die schwierig durchzuführen ist. Folglich ist das Instrument sehr einfach zu handhaben.
  • 4 ist eine schematische Ansicht der Ausführungsform 1 eines Rastersondenmikroskops gemäß der Erfindung. Die beschriebene Ausführungsform schafft ein Rastersondenmikroskop, das die Umgebungsbedingungen um die Probe kontrollieren kann.
  • Ein Quarzoszillator 4 und ein piezoelektrischer Oszillator 2 sind mit Klebstoff zu einem Quarzoszillatorhalter 25 verklebt. Eine PZT-Vorrichtung in Form einer flachen Platte wird als piezoelektrischer Oszillator verwendet. Ein Quarzoszillator, der für eine Uhr oder Armbanduhr verwendet wird, wird als der obenerwähnte Quarzoszillator verwendet. Wenn eine Wechselspannung an die PZT-Vorrichtung angelegt wird, schwingt sie und zwingt den Quarzoszillator zum Schwingen. Die Schwingungsfrequenz wird mit der Resonanzfrequenz (z. B. 32,7 kHz) in Übereinstimmung gebracht, wobei der Quarzoszillator in Resonanz gerät. Der piezoelektrische Effekt induziert eine elektrische Ladung an den Elektroden des Quarzoszillators. Der resultierende Strom wird von einer Strom/Spannung-Verstärkerschaltung erfasst. Da ein Strom proportional zur Amplitude der Schwingung des Quarzoszillators erzeugt wird, kann der Zustand der Schwingung des Quarzoszillators anhand des erfassten Stroms gemessen werden. Ein zylindrischer PZT-Abtaster, eine laminierte PZT-Platte oder eine andere Struktur kann als piezoelektrischer Oszillator verwendet werden, ebenso wie die PZT-Platte. Diese sind alle von der vorliegenden Erfindung erfasst. Ferner können als Quarzoszillator Quarzoszillatoren verwendet werden, die in anderen Anwendungen als Uhren und Armbanduhren verwendet werden.
  • Eine Sonde 1 wird durch den Federdruck eines elastischen Körpers 16 am Quarzoszillator gehalten. Die Sonde kann hergestellt werden durch chemisches Ätzen einer Spitze aus Wolfram und Bearbeiten derselben zu einer verjüngten Form. Die Sonde kann auf diese Weise aus Metallen hergestellt werden. Alternativ ist es möglich, einen Ausleger aus Silicium oder Siliciumnitrid, eine Lichtleitfaser oder eine Glaspipette, die zu einer verjüngten Form bearbeitet worden ist, zu verwenden, um die Sonde herzustellen. Dies ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Das Verjüngungsverfahren kann mechanisches Polieren und eine Wärme- und /Verarbeitung sowie chemisches Ätzen umfassen. Es ist möglich, dass ein magnetischer Film auf der Sondenspitze abgeschieden wird, um eine magnetkrafterfassende Sonde herzustellen. Außerdem ist es möglich, dass ein Film aus Gold oder Platin ausgebildet wird, um eine leitende Sonde herzustellen. Dies alles ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Eine Blattfeder, die aus rostfreiem Stahl gefertigt ist, wird als elastischer Körper verwendet. Da die Empfindlichkeit des Quarzoszillators gegenüber Kräften hoch ist, ist erwünscht, dass die Federkonstante des elastischen Körpers klein ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Auslegerfeder mit einer Dicke von 100 μm, einer Breite von 1 mm und einer Länge von 10 mm verwendet. Alternativ kann der elastische Körper eine Blattfeder aus Phosphorbronze oder verschiedenen Arten von Gummi, wie z. B. Silikongummi, sein. Dies alles ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Ferner kann der Körper unter Verwendung der Elastizität der Sonde selbst gehalten werden. Dies ist ebenfalls durch die Erfindung abgedeckt. Wenn der Körper durch Federdruck gehalten wird, wird dieser Druck unter Verwendung der Oszillationseigenschaften eines Quarzoszillators, d. h. des Q-Wertes, gemessen. Wenn die Sonde nicht gehalten wird, beträgt der Q-Wert des Quarzoszillators z. B. etwa 3.000. Wenn die Sonde mit einer Feder gehalten wird, ist der Q-Wert kleiner als 500. Ein Q-Wert, der für das Rastersondenmikroskop bevorzugt wird, beträgt etwa 100 bis 400. Der Federdruck wird so eingestellt, dass der Q-Wert innerhalb dieses Bereiches liegt.
  • Der Quarzoszillatorhalter 25 wird an den XYZ-Feinverschiebungselementen 11 und 13 gehalten. Eine zylindrische piezoelektrische Vorrichtung, in der die X-, Y- und Z-Achsen-Abtaster zu einer Einheit kombiniert sind, wird jeweils als Feinverschiebungselement verwendet. Alternativ können ein piezoelektrischer Abtaster, in dem die Z-Achse separat von den X- und Y-Achsen ist, und elektrostriktive Vorrichtungen als Feinverschiebungselemente verwendet werden. Dies ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Andere mögliche Strukturen umfassen Piezo-Bühnen, Bühnen, die parallele Bühnen verwenden, Dreibeintyp-Piezoelektrikvorrichtungen, in denen Ein-Achsen-Piezoelektrikvorrichtungen auf X-, Y- und Z-Achsen montiert sind, und laminare piezoelektrische Abtaster. Diese sind alle durch die vorliegenden Erfindung abgedeckt.
  • Ein Grobverschiebungsmittel 6 wird verwendet, um die Sonde nahe an eine Probe 17 zu bringen. Ein Grobverschiebungsmittel umfasst einen Schrittmotor und ein Untersetzungsgetriebe, wobei eine Grobbewegungsschraube oder eine Linearführung als obenerwähntes Grobverschiebungsmittel verwendet wird. Andere Beispiele von Grobverschiebungsmitteln können eine Z-Bühne umfassen, der ein Schrittmotor hinzugefügt ist. Ein weiteres Beispiel umfasst eine Bühne, die piezoelektrische Vorrichtungen verwendet. Zum Beispiel können ein Raupenmechanismus oder eine Z-Bühne mit einer piezoelektrischen Vorrichtung kombiniert sein. Dies alles ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt.
  • Die Probe wird in einem Vakuum unter Verwendung einer Vakuumkammer 18 gehalten. Auf diese Weise kann die Probe in einem Vakuum gehalten werden. Die Vakuumkammer kann mit einer Gaseinlassöffnung versehen sein, wobei die Probe einem Schutzgas oder einem Reaktivgas ausgesetzt werden kann. Dies ist ebenfalls durch die vorliegende Erfindung abgedeckt.
  • Aufgrund der obenbeschriebenen Struktur kann die Oberflächentopographie mit hoher Reproduzierbarkeit in der Größenordnung von Nanometern gemessen werden.
  • 5 ist eine schematische Ansicht der Ausführungsform 2 eines Rastersondenmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung. Die beschriebene Ausführungsform ist ein optisches Nahfeld-Raster-Mikroskop, das die Probe heizen und kühlen kann.
  • Das von einer Laserlichtquelle 19 ausgesendete Licht wird durch einen optischen Modulator 27, der einen akustooptischen Modulator (AO-Modulator) umfasst, periodisch amplitudenmoduliert. Alternative optische Modulatoren umfassen einen elektrooptischen Modulator (EO-Modulator), der ein elektrisches Feld verwendet, und mechanische Modulatoren, in denen ein optischer Zerhacker mittels eines Elektromotors gedreht wird. Dies ist alles durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Das modulierte Laserlicht wird mittels eines Anschlussstücks 21 in die Sonde 1 geleitet. Die optische Wellenleitersonde wird durch den Federdruck der Sonde selbst am Quarzoszillator 4 gehalten. Das Licht wird von der Öffnung an der Spitze der Sonde auf die Probe 17 gerichtet. Das von der Probe reflektierte Licht wird mittels einer Linse 8 über eine Linse 7, Spiegel 23, 22 und ein optisches Fenster 24 gesammelt. Das Licht wird anschließend mittels eines Halbspiegels 31 in zwei Strahlen zerlegt, die in zwei Richtungen laufen. Die geteilten Lichtstrahlen werden von einem Photodetektor 9 und einer CCD-Kamera 29 gemessen. In bestimmten Fällen kann der Halbspiegel durch einen dichroitischen Spiegel ersetzt sein. Um eine ausreichende Lichtmenge sicherzustellen, ist es möglich, die Spiegel wegzulassen. Das vom Photodetektor 9 erfasste Licht wird mit hohem Störabstand unter Verwendung eines Einrastverstärkers gemessen. Das resultierende Signal wird durch ein Datenverarbeitungsmittel 15 in ein dreidimensionales Bild umgesetzt.
  • Der gemessene Bereich auf der Probenoberfläche wird unter Verwendung einer XY-Bühne 26 für die Probe bewegt. Eine piezoelektrisch angetriebene Bühne wird für diese XY-Bühne verwendet. Alternativen umfassen eine XY-Bühne, in der ein Schrittmotor mit einer XY-Bühne kombiniert ist. Dies ist ebenfalls durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Es wird ein Kryostat verwendet, um die Probe zu kühlen. Da eine Kühleinrichtung vorgesehen war, die auf einer Heliumgasströmung beruhte, wurde die Probentemperatur auf die Temperatur von flüssigem Helium in einer kurzen Zeitspane (etwa 30 Minuten) heruntergekühlt. Andere Mittel zum Kühlen der Probe umfassen (i) Kühlen eines Metalls, wie z. B. Kupfer, und Bringen der Probe in Kontakt mit dem Metall in Vakuum, um die Probe zu kühlen, und (ii) Verwenden einer mechanischen Kühlvorrichtung, die eine adiabatische Expansion von flüssigem Helium nutzt. Dies alles ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Eine Heizvorrichtung 32 wurde verwendet, um die Probe zu heizen. Die Heizvorrichtung umfasste einen Draht aus Manganin, der um eine Probenbühne aus Kupfer gewickelt war. Das Heizen wurde bewerkstelligt, indem der der Heizvorrichtung zugeführte Strom geregelt wurde. Andere Beispiele für die Heizvorrichtung umfassen Wolframdraht, eine Kohlenstoffdünnschicht und eine Manganin-Dünnschicht. Dies alles ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Unter Verwendung der bisher beschriebenen Struktur ist es möglich, das Laserlicht aus einer Öffnung, die kleiner ist als die Wellenlänge der optischen Wellenleitersonde, auf die Probenoberfläche zu richten, während die Probentemperatur von der niedrigen Temperatur des flüssigen Heliums auf eine hohe Temperatur verändert wird. Das reflektierte Licht wurde mittels Linsen gesammelt und vom Photodetektor erfasst. Die Oberflächentopographie konnte mit hoher Reproduzierbarkeit in der Größenordnung von Nanometern gemessen werden, indem die optische Wellenleitersonde im Raster über die Probenebene bewegt wurde. Gleichzeitig konnte die Verteilung des reflektierten Lichts innerhalb der Probenebene mit einer hohen Auflösung kleiner als die Wellenlänge gemessen werden.
  • 6 ist eine schematische Ansicht der Ausführungsform 3 eines Rastersondenmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung. Die beschriebene Ausführungsform ist ein Rastersondenmikroskop, das eine Probe in einer Flüssigkeit halten kann.
  • Eine Probe 17 wird in einer Flüssigkeitszelle 33 gehalten, die teilweise mit einer Flüssigkeit 34 gefüllt ist. Diese Ausführungsform ist der Ausführungsform 1 ähnlich, mit Ausnahme der Vakuumkammer. Diese Struktur ermöglicht, die Oberflächentopographie der Probe selbst dann, wenn die Probe in einer Flüssigkeit untergetaucht ist, mit hoher Reproduzierbarkeit in der Größenordnung von Nanometern zu messen.
  • Wie bisher beschrieben worden ist, umfassen die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung: eine Sonde 1, die an ihrem Vorderende mit einer Sondenspitze ausgestattet ist, einen Schwingungsbeaufschlagungsabschnitt, der einen piezoelektrischen Schwingungskörper 2 und einen Wechselspan nungserzeugungsabschnitt 3 umfasst, einen Schwingungserfassungsabschnitt, der einen Quarzoszillator 4 und eine Strom/Spannung-Verstärkerschaltung 5 umfasst, ein Grobverschiebungsmittel 6, um die Sonde nahe an eine Oberfläche einer Probe zu bringen, ein Probe-Sonde-Abstandsregelungsmittel, das ein Z-Feinverschiebungselement 11 und eine Z-Servoschaltung 12 umfasst, ein zweidimensionales Abtastmittel, das ein XY-Feinverschiebungselement 13 und eine XY-Abtastschaltung 14 umfasst, und ein Datenverarbeitungsmittel zum Umsetzen eines Messsignals in ein dreidimensionales Bild. Die Sonde 1 kann durch Federdruck eines elastischen Körpers 16 am Quarzoszillator 4 gehalten werden.
  • Wie oben beschrieben worden ist, wird der Abstand zwischen der Sonde und der Probe unter Verwendung des Quarzoszillators geregelt. Dies erübrigt den Positionsregelungslaser, der normalerweise in einem Laserlicht verwendenden Rastersondenmikroskop verwendet würde. Außerdem kann das Problem der ungenauen Daten aufgrund von Variationen der Position des Laserlichts und aufgrund von Variationen der reflektierten Lichtmenge umgangen werden. Der Federdruck des elastischen Körpers verankert die Sonde am Quarzoszillator. Im Sondenmikroskop des Standes der Technik, das einen Quarzoszillator verwendet, werden die Daten durch die Art der Verklebung beeinflusst. Beim Austauschen der Sonde der beschriebenen Ausführungsformen ist es nur notwendig, die Sonde selbst auszutauschen. Folglich kann der gleiche Quarz verwendet werden. Die Reproduzierbarkeit der Messbedingungen und die Reproduzierbarkeit der Daten können verbessert werden. Außerdem führt der Austausch nur der Sonde zu geringeren Kosten. Außerdem erübrigt sich die Verklebung, die schwierig durchzuführen ist. Folglich wird das Instrument sehr einfach zu handhaben. Auf diese Weise kann ein Rastersondenmikroskop mit hoher Reproduzierbarkeit geschaffen werden.

Claims (8)

  1. Rastersondenmikroskop mit einer Sonde (1), die an ihrem Vorderende mit einer Sondenspitze ausgestattet ist, einem Schwingungsbeaufschlagungsabschnitt, der einen piezoelektrischen Schwingkörper (2) und ein Wechselspannungserzeugungsmittel (3) umfasst, einem Schwingungserfassungsabschnitt, der einen Quarzoszillator (4) und eine Strom/Spannung-Verstärkerschaltung (5) umfasst, einem Grobverschiebungsmittel (6), das die Sonde dicht an eine Oberfläche einer Probe heranbringt, einem Probe-Sonde-Abstandsregelungsmittel, das ein Z-Feinverschiebungselement (11) und eine Z-Servoschaltung (12) umfasst, einem zweidimensionales Abtastmittel, das ein XY-Feinverschiebungselement (13) und eine XY-Abtastschaltung (14) umfasst, und einem Datenverarbeitungsmittel (15) zum Umsetzen eines Messsignals in ein dreidimensionales Bild, wobei die Sonde (1) durch Federdruck am Quarzoszillator gehalten wird; und wobei die Sonde entweder eine Rastertunnelmikroskop-Spitze oder ein Atomkraftmikroskop-Ausleger ist.
  2. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die Sonde ein Ausleger eines Magnetkraftmikroskops ist, das eine magnetische Substanz enthält.
  3. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die Sonde ein leitender Ausleger ist, wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um ein elektrisches Potential oder einen Strom auf der Oberfläche der Probe zu erfassen.
  4. Rastersondenmikroskop nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ferner wenigstens Mittel zum Kühlen der Probe und/oder Mittel zum Erwärmen der Probe und/oder Mittel zum Halten der Probe in einem Vakuum und/oder Mittel zum Halten der Probe in einem Schutzgas oder einem Reaktionsmittelgas und/oder Mittel zum Halten der Probe in einer Flüssigkeit vorgesehen sind.
  5. Rastersondenmikroskop nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ferner eine Probenbühne vorgesehen ist, die eine Messposition auf der Oberfläche der Probe bewegen kann.
  6. Rastersondenmikroskop nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ferner Mittel zum Beleuchten der Oberfläche der Probe mit Licht vorgesehen sind.
  7. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 6, bei dem ferner Mittel vorgesehen sind zum Sammeln und Erfassen von Licht, das durch die Probe durchgelassen worden ist, von Licht, das von der Oberfläche der Probe reflektiert worden ist, oder von Licht, das von der Oberfläche der Probe emittiert wird.
  8. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 7, bei dem ferner Mittel zum periodischen Modulieren von Licht und ein Einrast-Erfassungsmittel vorgesehen sind.
DE69824909T 1997-04-09 1998-04-09 Rastersondenmikroskop Expired - Lifetime DE69824909T2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP09121697A JP3202646B2 (ja) 1997-04-09 1997-04-09 走査型プローブ顕微鏡
JP9121697 1997-04-09

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE69824909D1 DE69824909D1 (de) 2004-08-12
DE69824909T2 true DE69824909T2 (de) 2005-08-25

Family

ID=14020236

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