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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Rastersondenmikroskop,
das einen Quarzoszillator verwendet, um die Position einer Sonde
zu regeln.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
folgenden werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft und mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Rastersondenmikroskops im wesentlichen
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
schematische Ansicht des Rastersondenmikroskops des Standes der
Technik ist, das Laserlicht verwendet;
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3 eine
schematische Ansicht des Rastersondenmikroskops des Standes der
Technik ist, das einen Quarzoszillator verwendet;
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4 eine
schematische Ansicht der Ausführungsform
1 eines Rastersondenmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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5 eine
schematische Ansicht der Ausführungsform
2 eines Rasterson denmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung
ist; und
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6 eine
schematische Ansicht der Ausführungsform
3 eines Rastersondenmikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgrund
der obenbeschriebenen Struktur kann die Oberflächentopographie mit hoher Reproduzierbarkeit
in der Größenordnung
von Nanometern gemessen werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.