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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Mikroskopsystem, welches ein
Elektronenmikroskop und ein Rastersondenmikroskop, insbesondere
ein Rastertunnelmikroskop, kombinieren kann, und durch das Mikroskopsystem
wird es möglich,
eine gleichzeitige Beobachtung einer Probe durch die erwähnten zwei
verschiedenen Arten von Mikroskopen unter Ultrahochvakuumbedingungen
zu machen.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Im
Allgemeinen ist als ein Verfahren zum Installieren eines Rastertunnelmikroskops
(hierin kurz STM), das in „Ultramicroscopy
48 (1993) 433~444" offenbarte
Verfahren bekannt.
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Das
herkömmliche
Mikroskopsystem, welches Proben gleichzeitig durch ein Elektronenmikroskop
und ein Rastertunnelmikroskop beobachtet, ist in 2 gezeigt.
Wie aus 2 klar verstanden werden kann,
weist das System eine Konstruktion auf, die gekennzeichnet ist durch
Ausstatten eines Körpers
mit einem Probenhalter H und einem Rastertunnelmikroskop M in einem
zylindrischen Elektronenmikroskophalter 17, der mit einem
Fenster, welches einen Elektronenstrahl hindurchlässt (WD1)
und einem Fenster, welches einen Elektronenstrahl von einer Probe
(WD2), die beobachtet werden soll, aufnimmt, ausgestattet ist. Und
das Mikroskopsystem ist auch dadurch gekennzeichnet, dass es an
geeigneten Haltemitteln befestigt werden kann, um es in die Vakuumkammer
einzuführen
und aus dieser herauszunehmen. Für
die Beobachtung einer Probe durch die zwei Mikroskope, nachdem die
Probe SA, die beobachtet werden soll, auf den Probenhalter H gesetzt wurde,
wird das Mikroskopsystem in eine Vakuumkammer eingeführt und
befestigt, dann werden die Probe und Sonde 12 des Rastertunnelmikroskops gereinigt
durch Absaugen des Inneren der Kammer. Allerdings, aus Sicht des
strukturellen Merkmals des Systems, ist eine Beobachtung der Probe,
welche eine saubere Oberfläche
aufweist, schwierig, weil die Probe der Atmosphäre ausgesetzt ist. Des Weiteren ist
es in diesem System, da das Reinigen der Sonde des Rastertunnelmikroskops
und der Probe zur selben Zeit durchgeführt werden, schwierig, beide
zu dem erwünschten
Reinheitsgrad zu reinigen. Und weiterhin ist es sehr schwierig,
eine Ultrahochvakuumbedingung zu erhalten.
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In 2 wird
das Inspektionsverfahren der Oberfläche der Probe durch das Mikroskopsystem wie
folgt veranschaulicht. Das bedeutet, dass die Oberfläche der
Probe durch das Fenster WD1 mit dem beschleunigten Elektronenstrahl
S bestrahlt wird, wobei der reflektierte Elektronenstrahl R von der
Oberfläche
der Probe aus dem Fenster WD2 herausgenommen wird, und die Oberfläche der
Probe beobachtet wird, während
das Rastertunnelmikroskop die Oberfläche der Probe mittels der Sonde 12 scannt
und die Oberfläche
der Probe durch Beobachten eines elektrischen Tunnelstroms inspiziert.
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Im
Allgemeinen ist es für
die Beobachtung einer Probe durch ein Elektronenmikroskop und ein Rastersondenmikroskop
(hierin kurz SPM), das durch ein Rastertunnelmikroskop dargestellt
wird, nötig,
eine Hochvakuumbedingung aufrechtzuerhalten, um die Oberfläche der
Probe vor Kontamination zu schützen.
Des Weiteren sollte die Sonde des Rastersondenmikroskops immer rein
gehalten werden. Um ein Genauigkeitsrastersondenmikroskopbild zu erhalten,
ist es notwendig, die beiden oben genannten Punkte zu erfüllen. Unterdessen
sind die Reinigungsbedingungen, welche für eine Sonde eines Rastersondenmikroskops
und für
eine Probe konfiguriert werden, verschieden, und wenn es nötig ist, die
Bedingung zu vereinheitlichen, müssen
die Ausgangsmaterialien einer Sonde und einer Art von Probe beschränkt werden.
Wie in der Beschreibung des Stands der Technik veranschaulicht,
wird des Weiteren, wenn der Fall betrachtet wird, in welchem eine Sonde
und eine Probe in einem Körper
kombiniert werden, die Oberfläche
der Probe bei dem Reinigungsprozess der Sonde kontaminiert und im
Gegenteil wird die Sonde bei dem Reinigungsprozess der Probe kontaminiert.
Darum ist es sowohl für
Probe als auch Sonde notwendig, unter der jeweils besten Bedingung
gereinigt zu werden, bei dieser Bedingung gehalten zu werden und
für einen
Austausch getrennt in die Atmosphäre herausgenommen werden zu
können.
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Als
ein Beispiel des Rastersondenmikroskops können außer einem Rastertunnelmikroskop ein
Rasterkraftmikroskop (AFM), ein optisches Rasternahfeldmikroskop
(SNOM), ein Rasterreibungskraftmikroskop (FFM), ein Rasteroberflächenpotentialmikroskop
(SSPM), ein optisches Rasternahfeld/Rasterkraftmikroskop (SNOAM)
und eine Rasternahfeldfluoreszenzspektroskopie (SNFS) erwähnt werden.
Die Theorie dieser Mikroskope und Ausgestaltungen sind bekannt.
Die Beschreibung, die sich in dieser Patentschrift und Zeichnungen
auf das Rastertunnelmikroskop bezieht, kann auf das herkömmliche
Rastersondenmikroskop und oben genannte andere Arten von Rastersondenmikroskopen angewandt
werden. Darum muss die Veranschaulichung der Zeichnung, die auf
das Rastertunnelmikroskop verweist, so verstanden werden, dass sie
sich auf das herkömmliche
Rastersondenmikroskop und oben genannte andere Rastersondenmikroskope
bezieht.
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U.
Memmert et al., „Combined
ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope scanning electron
microscope system",
Review of Scientific Instruments, vol. 67 (6), Seiten 2269–2273, 1.
Juni 1996, offenbart ein Mikroskopsystem, das die Merkmale des Oberbegriffs
von Anspruch 1 aufweist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfinder dieser Erfindung haben ein Elektronenmikroskop und ein
Rastersondenmikroskop kombiniert, um eine gleichzeitige Beobachtung
durch die zwei verschiedenen Arten von Mikroskopen möglich zu
machen, und eine Studie durchgeführt,
um ein Verfahren zum Reinigen einer Probe und einer Sonde des Rastersondenmikroskops
unter den geeigneten Bedingungen für jedes zu reinigende Objekt
zu entwickeln, sogar wenn die Bedingung zum Reinigung dieser verschieden
sind, und haben die vorliegende Erfindung erreicht auf Grundlage
der folgenden Kenntnisse. Das bedeutet, dass es durch unabhängiges Verbinden
einer Ultrahochvakuumkammer, in welche ein Rastersondenmikroskop
(von einem SPM-Halter gehalten) eingeführt werden kann und herausgenommen
werden kann, und einer Ultrahochvakuumkammer, in welche eine Probe
eingeführt
und herausgenommen werden kann, mit einer Ultrahochvakuumelektronenmikroskopkammer
ermöglicht
wird, das Rastersondenmikroskop und die Probe getrennt unter verschiedenen
Bedingungen zu reinigen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mikroskopsystem bereitzustellen,
mit welchem eine gleichzeitige Beobachtung durch Elektronenmikroskop
und durch ein Rastersondenmikroskop unter Ultrahochvakuumbedingung
möglich
ist, und das Reinigen einer Probe und einer Sonde unter verschiedenen
geeigneten Bedingungen möglich
ist, während
die Kammer eines Ultrahochvakuumelektronenmikroskops bei Ultrahochvakuumbeobachtungsbedingung
gehalten wird, und des Weiteren eine Probe und eine Sonde getrennt
gewechselt werden können.
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Die
Erfindung von Anspruch 1 dieser Erfindung ist ein Mikroskop, mit
welchem die gleichzeitige Beobachtung unter Ultrahochvakuumbedingungen durch
ein Elektronenmikroskop und durch ein Rastersondenmikroskop möglich ist,
das eine Probenbehandlungskammer und eine Ultrahochvakuumelektronenmikroskopkammer
umfasst, wobei die Probenbehandlungskammer 5 mit einem
Probenhalter 4, mit welchem bei Verwendung eine Probe gehalten
wird, ausgestattet ist, und eine Ultrahochvakuumkammer 1 für ein Rastersondenmikroskop
umfasst, die mit einem Rastersondenmikroskophalter 2 ausgestattet ist,
in welchem ein Rastersondenmikroskop (SPM) enthalten ist, die mit
einer Ultrahochvakuumelektronenmikroskopkammer 9, die mit
einem Beobachtungstisch 3 ausgestattet ist, verbunden ist,
wobei der Beobachtungstisch 3 konfiguriert ist zum Feststellen
des Probenhalters 4, mit welchem bei Verwendung eine Probe
gehalten wird, welche aus der Probenbehandlungskammer 5 herausgenommen wird,
und des Rastersondenmikroskophalters 2, in welchem ein
Rastersondenmikroskop enthalten ist, welches bei Verwendung aus
der Ultrahochvakuumkammer 1 für ein Rastersondenmikroskop
herausgenommen wird an die Beobachtungsposition des Elektronenmikroskops,
wobei der Beobachtungstisch des Weiteren so ausgestaltet ist, dass
er bei Verwendung ein Bestrahlen der mit dem Probenhalter gehaltenen Probe
mit einem Elektronenstrahl für
die Beobachtung durch das Elektronenmikroskop und ein Herausnehmen
eines Elektronenstrahls aus der Probe ermöglicht, und wobei die Ultrahochvakuumkammer 1 für ein Rastersondenmikroskop
und die Probenbehandlungskammer 5 getrennt mit Mitteln
zum Transferieren und Feststellen des Rastersondenmikroskophalters 2 und
des Probenhalters 4 zu dem bzw. an dem Beobachtungstisch 3 und
des Weiteren zum Entfernen dieser von dem Beobachtungstisch und zum
Herausnehmen aus der Ultrahochvakuumelektronenmikroskopkammer 9 ausgestattet
sind. Die Erfindung von Anspruch 2 ist dadurch gekennzeichnet, dass
das Rastersondenmikroskop ein Rastertunnelmikroskop ist, des Weiteren
ist die Erfindung von Anspruch 3 das Mikroskop von Anspruch 1, wobei
die Mittel zum Transferieren und zum Feststellen des Rastersondenmikroskophalters 2 und
des Probenhalters 4 in die bzw. an der Ultrahochvakuumelektronenmikroskopkammer 9 und
zum Entfernen dieser von dort Transferstäbe (TR1 und TR2) sind, welche einen
Mechanismus zum Halten des Halters aufweisen.
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Die
Ladeverschlusskammer 8 (LLC) kann vorzugsweise mit der
Probenbehandlungskammer 5 verbunden werden, welche kombiniert
werden, um den Probenhalter 4 aus der Probenbehandlungskammer
herauszunehmen, bei einem Beibehalten der inneren Vakuumbedingung
für einen
Austausch von Proben. Des Weiteren können in der Probenbehandlungskammer 5 der
Transferstab (TR2) und der Transferstab (TR3) vorzugsweise montiert
werden. Der Transferstab (TR2) ist vorhanden zum Einführen des
Probenhalters 4 in die Ultrahochvakuumelektronenmikroskopkammer 9,
und zum Transferieren des Probenhalters 4 von der Herausnahmeposition
der Ultrahochvakuumelektronenmikroskopkammer zu der Position der
Probenbehandlungskammer 5, und zum Transferieren des Probenhalters
in die umgekehrte Richtung, während
ein Transferstab (TR3) vorhanden ist zum Transferieren des Probenhalters von
der Probenbehandlungskammer zu der Ladeverschlusskammer und zum
Transferieren des Probenhalters in der umgekehrten Richtung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Diagramm, das ein Mikroskopsystem dieser Erfindung
veranschaulicht, welches ein Elektronenmikroskop und ein Rastersondenmikroskop
oder ein Rastertunnelmikroskop kombiniert, um eine gleichzeitige
Beobachtung durch genannte Mikroskope unter einer Ultrahochvakuumbedingung
zu ermöglichen.
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2 ist
ein schematisches Diagramm, das ein Mikroskopsystem veranschaulicht,
welches ein herkömmliches
Elektronenmikroskop und ein Rastertunnelmikroskop kombiniert, welches
eine gleichzeitige Beobachtung ermöglicht.
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3 ist
eine schematische Veranschaulichung einer Greifstruktur eines SPM-
oder STM-Halters und von Transferstab TR1 des Halters.
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4 ist
eine schematische Veranschaulichung der Struktur, die den Beobachtungstisch 3 mit SPM-
oder STM-Halter 2 und dem Probenhalter 4 kombiniert.
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5-1 ist eine Schnittansicht des Halters 2 der
SPM- oder STM-Einheit, welche an der Fläche geschnitten ist, die die
Mittellinie umfasst.
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5-2 ist eine Seitenansicht einer SPM- oder STM-Einheit
von der Sonden-(12)-Seite.
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6-1 ist eine schematische Veranschaulichung des
Elektronenstrahls für
ein Elektronenmikroskop und der Sonde eines STM in Nähe der Probe.
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6-2 ist eine vergrößerte Ansicht von 6-1.
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7 ist
ein STM-Bild, welches erhalten wird durch Abrastern der Probe, um
256 Beobachtungspunkte in x-Richtung und 256 Beobachtungspunkte in
y-Richtung zu erhalten.
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8 ist
eine Abbildung eines Elektronenmikroskopbildes der Probe, kurz vor
der STM-Beobachtung von 7, die von Sonde 12 eines
STM beobachtet wurde.
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9 ist
eine Elektronenmikroskopbeobachtungsabbildung der Sonde, die in
x-Richtung abtastet.
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In
den Zeichnungen bedeutet jede numerische Nummer und Markierung:
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- 1
- Kammer
für ein
Rastersonden- oder Rastertunnelmikroskop (SPM oder STM)
- 2
- Halter
für ein
Rasternsonden- oder Rastertunnelmikroskop (SPM oder STM)
- 3
- Beobachtungstisch
- 4
- Probenhalter
- 5
- Probenbehandlungskammer
- 6.
- Ultrahochvakuumabpumpsystem
für SPM-
oder STM-Kammer 1
- 6'
- Ultrahochvakuumabpumpsystem
für Probenbehandlungskammer 5
- 6''
- Ultrahochvakuumabpumpsystem
für Elektronenmikroskopkammer 9
- 7,
10, 11.
- Ventil
- 8
- Ladeverschlusskammer
(LLC)
- 9
- Elektronenmikroskopkammer
- 12
- Sonde
- 13
- Zylindrischer
Teil von SPM- oder STM-Halter
- 14
- Flügel (SPM-
oder STM-Halter)
- 15
- Einlass
(Beobachtungstisch)
- 16
- Blattfeder
(Beobachtungstisch)
- 17
- Elektronenmikroskophalter
- 18
- Aussparung
- 19
- Probenhaltervorsprung
- 20
- Öffnung für Elektronenstrahl
- 21
- Antriebstisch
- WD
- Fenster
- GA
- Kerbenteil
- H
- Probenanordnungsteil
- M
- Rastertunnelmikroskop
- RR
- Rubinstab
- TR1
- Transferstab
für SPM-
oder STM-Halter
- TR2
- Transferstab
für Probenhalter
- TR3
- Transferstab
für Ladeverschlusskammer
- TR4
- Transferstab
für Anheben
von Probenhalter
- PJ
- Vorsprung
(SPM- oder STM-Halter)
- TH
- Spitzenhalterungsteil
(SPM- oder STM-Halter)
- SIP
- Ionen
?? pumpe
- TMP
- Turbomolekularpumpe
- RP
- Drehpumpe
- TSP
- Titan-Sublimationspumpe
- SPZT
- Rasterpiezoelement
- MPZT
- Piezoelement
für Trägheitsantrieb
- CW
- Gegengewicht
- S
- Elektronenstrahl
für die
Beobachtung
- R
- Reflektierter
Elektronenstrahl
- SA
- zu
beobachtende Probe
- CS
- Druckschraubenfeder
- e–
- Beobachtender
Elektronenstrahl
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Hiernach
wird das strukturelle Merkmal der vorliegenden Erfindung umfassend
beschrieben und in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht. In der Veranschaulichung wird der Fall
genannt, welcher ein Rastertunnelmikroskop, das von einem Rastersondenmikroskop
dargestellt wird, verwendet. Die unten veranschaulichte Theorie
kann auf verschiedene Arten von Rastersondenmikroskopen angewandt werden.
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Die
Ultrahochvakuumkammer für
ein Rastertunnelmikroskop (STM-Kammer 1)
wird mit der Ultrahochvakuumelektronenmikroskopkammer (Elektronenmikroskopkammer 9)
verbunden, nachdem die Sonde 12 des STM, das in dem STM-Halter 2 enthalten
ist, durch Abpumpen des Inneren der STM-Kammer 1 auf ein
Ultrahochvakuumniveau gereinigt wurde, wobei der STM-Halter 2 zu
der Elektronenmikroskopkammer 9 mittels des Transferstabs (TR1)
für den
STM-Halter transferiert wird, und der STM-Halter 2 wird
mit dem Beobachtungstisch 3 verbunden. Des Weiteren wird
die Probe in dem Probenhalter 4, der sich in der Probenbehandlungskammer 5 befindet,
welche mit der Elektronenmikroskopkammer 9 verbunden ist,
gehalten und durch Abpumpen des Inneren der Probenbehandlungskammer 5 gereinigt,
dann transferiert mittels des Transferstabs (TR2) und wie SPM-Halter 2 mit
dem Beobachtungstisch 3 verbunden.
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Elektronenmikroskopkammer 9 und STM-Kammer 1 sind
verbunden und es befindet sich ein Ventil 7 (Schieberventil)
dazwischen, des Weiteren sind Elektronenmikroskopkammer 9 und
Probebehandlungskammer 5 verbunden und es befindet sich
ein Ventil 10 dazwischen. STM-Halter 2 und Probenhalter 4 können durch
diese Ventile 7 und 10 hindurchtreten, und diese
Ventile müssen
genügend
Fähigkeit
aufweisen, um die Ultrahochvakuumbedingung der Elektronenmikroskopkammer 9 aufrechtzuerhalten.
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An
der STM-Kammer 1 sind das Ultrahochvakuumabpumpsystem 6,
das aus einer Drehpumpe (RP), einer Turbomolekularpumpe (TMP) und
einer Ionengetterpumpe (SIP) besteht, und ein Transferstab (TR1),
welcher den STM-Halter 2 in die Elektronenmikro skopkammer 9 einführt und
ihn von dieser transferiert, vorgesehen. Die Probenbehandlungskammer 5 ist
auch mit einem Ultrahochvakuumabpumpsystem 6', das aus einer Drehpumpe (RP),
einer Turbomolekularpumpe (TMP), einer Ionengetterpumpe (SIP) und
einer Titan-Sublimationspumpe (TSP) besteht, und einem Transferstab
(TR2) des Probenhalters 4 ausgestattet, welcher den Probenhalter 4 in
die Elektronenmikroskopkammer 9 einführt und ihn von dort transferiert.
Des Weiteren ist an dem Boden der Probenbehandlungskammer 5 ein Transferstab
(TR4), welcher den Probenhalter 4 nach oben und unten bewegt,
vorgesehen, wobei sich ein Ventil 11 zwischen dieser und
der Ladeverschlusskammer 8 (LLC) befindet, welche es ermöglichen, den
Probenhalter 4 in die Probenbehandlungskammer 5 einzuführen oder
aus dieser herauszunehmen, und ein Transferstab (TR3) für die Ladeverschlusskammer 8 (LLC)
zum Einführen
und Herausnehmen des Probenhalters 4 ist vorgesehen.
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An
der Elektronenmikroskopkammer 9 sind ein Ultrahochvakuumabpumpsystem 6'', das aus einer Ionengetterpumpe
(SIP) und einer Titan-Sublimationspumpe (TSP) besteht, und ein Beobachtungstisch 3 zum
Feststellen des Probenhalters 4 und des STM-Halters an die Beobachtungsposition
vorgesehen.
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Wie
in 3 gezeigt, weist die Pfeilspitze von Transferstab
(TR1) ein strukturelles Merkmal zum Halten des STM-Halters 2 durch
Ergreifen der Vorsprünge
(PJ), mit denen beide Seiten des Spitzenhalterungsteils (TH, siehe 4)
des STM-Halters 2 ausgestattet sind, auf. An der Speerspitze
von TR1 ist ein Kerbenteil (GA), in welches PJ eingebracht wird,
vorgesehen, und TH, welches in TR1 gesteckt wird, drückt eine
Druckschraubenfeder CS, die sich in der Speerspitze von TR1 befindet
(in der Zeichnung ist dieser Teil durch perspektivische Ansicht
veranschaulicht, um den Bezug zwischen CS und TH zu zeigen), und
diese Druckschraubenfeder drückt
den TH-Teil mit einer abstoßenden
Kraft zurück.
Folglich wird der PJ-Teil in den Kerbenteil (GA) niedergedrückt.
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STM-Halter 2,
welcher wie oben veranschaulicht gehalten und transferiert wird,
ist mit einem Spitzenhalterungsteil TH, einem zylindrischen Teil 13 und
Flügeln 14,
die von beiden Seiten des zylindrischen Teils hervorstehen, ausgestattet.
Der zylindrische Teil 13 wird in den Einlass 15,
der in dem Beobachtungstisch 3 eingelassen ist, eingeführt, bis die
Flügel 14 die
Oberfläche
berühren,
in welche der Einlass eingelassen wurde. Nachdem die Flügel 14 die
Oberfläche
des Einlasses für
das zylindrische Teil berühren,
wird der STM-Halter 2 gedreht
durch Drehen von TR1, und die Flügel 14 gleiten
unter die Blattfedern 16, mit denen die Oberfläche des
Beobachtungstischs 3 ausgestattet ist, wo der Einlass eingelassen
ist, und werden festgestellt, indem sie durch die Blattfedern niedergedrückt werden.
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Im
Ganzen ist die Form von Probenhalter 4 flach, welcher einen
Probenhaltervorsprung 19, um ihn an der Speerspitze von
TR2 zu halten, und an der gegenüberliegenden
Seite von 19 ein Aussparungsteil 18 umfasst, an
welchen eine Probe montiert wird. Und der Probenhalter 4 wird
mittels des TR2 transferiert und an dem Beobachtungstisch 3 festgestellt, welcher
sich an der Position befindet, an welcher die Probe der Sonde 12 des
STM zugewandt ist. Indessen ist die Struktur eines Probenhalters
nicht beabsichtigt, auf die oben genannte Struktur zum Halten der
Probe, die beobachtet werden soll, begrenzt zu sein, solange die
gleichzeitige Beobachtung durch ein Rastertunnelmikroskop und ein
Elektronenmikroskop möglich
ist.
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In
einem Fall eines Transmissionselektronenmikroskops wird ein Elektronenstrahl
für die
Beobachtung von dem oberen Bereich der Elektronenmikroskopkammer 9 eingestrahlt,
durchdringt eine Probe SA, die an dem Aussparungsteil 18 des
Probenhalters 4 vorgesehen ist, tritt durch eine Öffnung 20 für einen
Elektronenstrahl hindurch und wird auf einem fluoreszierenden Schirm
(nicht gezeigt in den Zeichnungen), der an dem unteren Teil der
Elektronenmikroskopkammer vorgesehen ist, aufgenommen.
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Im
Fall eines Beugungselektronenmikroskops kann ein gebeugter Elektronenstrahl
von der Öffnung 20 für einen
Elektronenstrahl aufgenommen werden, genauso wie bei dem Transmissionselektronenmikroskop,
indem ein Einstrahlwinkel eines Beobachtungselektronenstrahls gegen
die Probe leicht verändert
wird.
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Ein
strukturelles Merkmal eines Rastertunnelmikroskops und eines Halters
wird von der folgenden Veranschaulichung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
verstanden werden. 5-1 ist eine Querschnittsansicht
eines STM- und STM-Halters
(STM-Einheit) durch eine vertikale Linie, die eine mittige Linie
von einem zylindrischen Teil 13 umfasst, und 5-2 ist eine Seitenansicht einer STM-Einheit von
Sonde 12. SPZT ist ein Rasterpiezoelement, welches die
Sonde 12 in X-, Y- und Z-Achsenrichtung rastert. Ein Trägheitsantriebspiezo
MPZT ist ein Element zum ungefähren
Lokalisieren der Sonde 12 in Nähe der Beobachtungsposition
der Probe, während Gegengewicht
CW wirkt, um eine effektive Kraft zu erzeugen, um einen Antriebstisch,
an welchem die zwei Piezoelemente montiert sind, in die rechte und linke
Richtung durch Vibration zu bewegen, wenn Elektronenspannung auf
das Trägheitsantriebspiezoelement
geladen wird.
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Wie
klar in 5-2 gezeigt, ist der Antriebstisch 21 auf
zwei Rubinstäben
RR angeordnet, welche an dem STM-Halter montiert sind. Ein Rand
des Antriebstischs, welcher einen Rubinstab berührt, ist eine Oberfläche, auf
welcher eine V-Kerbe eingeprägt
ist, und ein anderer Rand, welcher einen anderen Rubinstab berührt, ist
eine flache Oberfläche,
und in diesem Fall wirkt die V-Kerbe als eine Führung zum Bewegen des Antriebstischs
entlang mit dem Rubinstab, während
der flache Rand zum glatten Halten des Antriebstischs wirkt.
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Jedes
Piezoelement ist elastisch entsprechend mit der Größe von elektrischer
Spannung, die auf beide Enden in einer kristallinen Richtung geladen
wird, darum kann die Sonde, die an der Pfeilspitze angebracht ist,
mit einer Genauigkeit in einem Bereich von 0,01 nm bewegt werden.
Des Weiteren, da die Auflösungskraft
eines Mikroskops von der Genauigkeit einer Pfeilspitze einer Sonde
bestimmt wird, ist die Pfeilspitze einer Sonde scharf verarbeitet sowohl
aus einer mechanischen als auch einer chemischen Sicht, und das
ausmachende Material muss ein Material sein, welches eine harte
Bedingung aushalten kann. Gold, Wolfram oder Platin können als das
Anfangsmaterial der Sonde verwendet werden. Das Positionieren einer
Sonde wird automatisch von einem Computersteuerungssystem durchgeführt, welches
eine Vorrichtung zum Messen des Tunnelstroms besitzt.
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Genaue Beschreibung des Beispiels
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Die
vorliegende Erfindung wird des Weiteren in dem folgenden Beispiel
und beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht, allerdings sollte
klar sein, dass die Erfindung nicht beabsichtigt ist, auf das Beispiel
und beigefügte
Zeichnungen beschränkt
zu sein.
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Beispiel
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Elektronenmikroskopkammer 9 wird
mittels eines Ultrahochvakuumabpumpsystems 6'' ultrahoch evakuiert
(2 × 10–8 Pa).
STM, das in STM-Halter 2 enthalten ist, wird in STM-Kammer 1 gereinigt,
deren Inneres mittels eines Ultrahochvakuumabpumpsystems 6 ultrahoch
evakuiert (8 × 10–8 Pa)
wird, dann zu einem Beobachtungstisch 3 in einer Elektronenmikroskopkammer 9 durch
Ventil 7 mittels TR1 transferiert und festgestellt. Elektrische
Spannung, die an ein Piezoelement, welches X-, Y- und Z-Achsen eines STM steuert, angelegt
werden soll, wird durch elektrische Leitungen (nicht gezeigt in
den Zeichnungen) zugeführt,
welche sich entlang mit der Beförderung
von STM-Halter 2 durch Ventil 7 erstrecken.
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Elektrische
Spannung-Transferabstands-Eigenschaft des Elements ist 200 nm/150
V in X-, Y-Richtung und 600 nm/150 V in Z-Richtung.
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Die
zu beobachtende Probe, die aus goldvakuumbedampften Kupferdraht
von 0,2 mm besteht, wird in dem Aussparungsteil 18 des
Probenhalters 4 montiert, und ultrahoch evakuiert (2 × 10–8 Pa)
mittels eines Ultrahochvakuumabpumpsystems 6' und gereinigt, dann transferiert
und festgestellt an dem Beobachtungstisch 3 in einer Elektronenmikroskopkammer 9 durch
Ventil 10 mittels TR2.
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Des
Weiteren wird ein Beobachtungselektronenstrahl (200 KV) von einem
Elektronenmikroskop auf die Probe eingestrahlt gleichzeitig mit
Beobachtung von dem STM und der Elektronenstrahl, der durch die
Probe hindurchgetreten ist, wird auf einem Fluoreszenzschirm (nicht
gezeigt in den Zeichnungen) aufgenommen und beobachtet. Der Zustand dieses
Phänomens
ist in 6-1 und 6-2 veranschaulicht,
welche eine teilweise vergrößerte Ansicht von 6-1 ist. Die Pfeilspitze von Sonde 12 des STM
ist nahe der Beobachtungsposition für die Probe, welche das vakuumaufgedampfte
gestreift gewachsene Gold ist, und ein Beobachtungselektronenstrahl
e– von
einem Elektronenmikroskop wird eingestrahlt und tritt durch die
Probe hindurch und wird auf einem Fluoreszenzschirm aufgenommen. Gleichzeitig
kann der Zustand von Sonde 12 des STM von dem Elektronenstrahl
beobachtet werden. 7 ist ein STM-Bild, welches durch
Rastern der Probe zum Erhalten von 256 Beobachtungspunkten in X-Richtung
und 256 Beobachtungspunkten in Y-Richtung erhalten wird. Das STM-Bild
wird erhalten durch Anlegen einer Vorspannung von –0,05 V,
Rastern von Sonde 12 um einen konstanten Tunnelstrom von
1 nA fließen
zu lassen, das bedeutet, es wird erhalten von Rastersonde 12 durch
Konstanthalten des Abstands zwischen Sonde 12 und Probenoberfläche, und
es kann als das Oberflächenbeobachtungsbild der
Probe bezeichnet werden. 8 ist eine Abbildung eines Elektronenmikroskopbilds
der Probe kurz vor der STM-Beobachtung von 7, beobachtet
bei Sonde 12 des STM durch Zurückspeisen der Rasterbeobachtungsbedingung
mittels eines Tunnelstroms, um die Beobachtungsbedingung zu der
Rasterbeobachtungsbedingung zu steuern (Vs = –0,05 V, Sondentunnelstrom
= 1 nA). In diesem Bild ist TIP eine Pfeilspitze der Sonde. Und 9 ist
eine Abbildung eines Elektronenmikroskopbilds einer Richtung von 7,
welche die Bewegung einer Sonde beobachtet, die beispielsweise in
X-Richtung rastert, während (a)
eine Abbildung kurz nach einem Abrastern ist und sechs Proben alle
0,2 Sekunden abgetastet werden.
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Da
es mit dem Mikroskop dieser Erfindung möglich ist, jede Kammer unabhängig auf
ein Ultrahochvakuumniveau zu evakuie ren, ist es möglich, die beste
Reinigungsbedingung zu wählen,
die zu einer Probe und einer Sonde passt, und es ist auch möglich, eine
Probe und eine Sonde unter Beibehaltung der Ultrahochvakuumbedingung
der anderen Kammer zu wechseln, insbesondere von Elektronenmikroskopkammer 9.
Des Weiteren werden eine Probe und eine Sonde nicht in einem unnötigen Fall
der Atmosphäre
ausgesetzt.