WO1996032622A1 - Anordnung zur erfassung der topographie einer oberfläche - Google Patents

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WO1996032622A1
WO1996032622A1 PCT/EP1996/001497 EP9601497W WO9632622A1 WO 1996032622 A1 WO1996032622 A1 WO 1996032622A1 EP 9601497 W EP9601497 W EP 9601497W WO 9632622 A1 WO9632622 A1 WO 9632622A1
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piezo
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electrical
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PCT/EP1996/001497
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Karlheinz Bartzke
Torsten Antrack
Karl Besocke
Ehrhard Dammann
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Carl Zeiss Jena Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32—AC mode
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/34—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for detecting the
  • a force microscope is specified in EP-A2 0 223 918, in which a probe tip is brought close to a sample until interatomic forces occur.
  • the probe tip is attached to a micro bending spring. The deflections of the
  • Micro-bending springs are detected by a tunnel tip arranged above the micro-bending spring, evaluated and piezoelectrically compensated.
  • a force microscopic sensor in which a tip is attached to a high-frequency piezoresonator.
  • phase changes that occur on the piezoresonator when the vibrating tip is approached to the sample are recorded and fed as a control signal to a piezo positioning technique that tracks the sensor of the sample surface with a constant measuring force
  • the cantilever with the probe tip is closed
  • Resonance vibrations are excited and the change in the cantilever resonance is determined by an optical system when the probe tip approaches the sample surface.
  • the occurring phase change of two polarized light beams is used for the measurement via a Wallaston prism by carrying out intensity measurements by means of two photodiodes.
  • the sample is fed to the probe tip at a contact-free distance by means of a piezo tube scanner, the measurement signal (distance signal) determined by the optical system being kept constant.
  • the control variable of the piezotube is evaluated and gives a conclusion about the topography of the surface.
  • the probe tip and cantilever are electrically conductive and connected to a tunnel current amplifier.
  • a tunnel voltage is applied between the probe and the probe tip.
  • the tunnel current flowing between the sample and the tip is strongly dependent on the distance and is in the nA range.
  • the rehearsal will by means of a piezotube scanner so that the tunnel current remains constant.
  • the control signals of the piezotube give an image of the electronic density of states of the sample surface.
  • the simultaneous, simultaneous combination of force and tunnel microscopy is achieved with this arrangement in that the force microscopic deflections of the cantilever are detected and evaluated by the optical system during the tunnel microscopic measurement of the sample.
  • Cantilever required, which must be relatively stiff to avoid instabilities in the measurement process. However, this leads to a reduction in sensitivity in force microscopic measurements. Furthermore, optical systems are required which detect and compensate for the deflections that occur in tunnel microscopic measurements due to cantilever bending.
  • the invention is based on the task of simultaneous, force and tunnel microscopic measurements at the same location to be able to perform one after the other or at the same time, while increasing the sensitivity, simplifying the measuring process and reducing the susceptibility to faults.
  • This object is achieved in a generic arrangement in that in addition to a first device, by means of which a tunnel current between the micro-probe tip and
  • the piezo actuator by means of which the resonance behavior of a piezo resonator can be measured and depending on changes in the occurring vibration amplitudes or frequency phase changes occurring the piezo actuator can be controlled and by a third device by means of which the proportion of harmonics of the tunnel current can be measured, and by a switching process with which either the first, the second or third device can be connected to the piezo actuator.
  • the piezoresonator consists of at least two electrical excitation electrodes provided with electrical connection elements and at least one micro-probe tip.
  • Piezoresonator designed as a rod oscillator.
  • the electrically conductive micro-probe tip arranged on the piezoresonator is electrically connected to one of the excitation electrodes via a bridge.
  • the electrically conductive micro-probe tip arranged on the piezoresonator is connected to the first and / or second switchable device via a separate electrical conductor track.
  • the piezo resonator is mechanically pluggable on the piezo actuator and that an electrically conductive connection between the electrical connection elements is achieved in order to enable easy replacement.
  • the micro-probe tip optionally consists of magnetic or permanent magnetic material.
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of the arrangement according to the invention
  • Fig. 3 shows a structural embodiment of a probe element
  • an RF generator 4 is electrically connected via the electrical connection element 8 in a piezo actuator 1 via the connection element 6 with a probe element 2 which vibrates the probe element 2 with a generator frequency f Q of z. B. excites 1 MHz.
  • the tunnel voltage Urj> is applied to the probe element 2 provided with a micro probe tip 25 via the tunnel direct current amplifier 12, the low-pass filter 10 and the electrical connection elements 9 and 7.
  • the sample 5 is connected to ground in FIG. 1, so that the tunnel voltage Ur is present between the micro-probe tip 25 and the sample 5.
  • Tunnel current that has direct and alternating current components.
  • the AC component consists of the fundamental wave of e.g. 1 MHz, caused by the vibration of the
  • Non-linearity of the tunnel current characteristic i.e. the nonlinear dependence of the tunnel current on the
  • z. B. an RC link Through a low pass 10, z. B. an RC link, the DC components of the tunnel current selected, amplified by a tunnel DC amplifier 12 and supplied to an electrical switch 13 (position 1) and a measurement evaluation system 15. Via the switch 13 (position 1), the signal reaches a controller 14, e.g. B. a PID controller that generates a controller signal (31) which is applied to the measuring system 15 and a piezo control electrode 16.
  • a controller 14 e.g. B. a PID controller that generates a controller signal (31) which is applied to the measuring system 15 and a piezo control electrode 16.
  • Circuit filters out the harmonic component of the tunnel current of ⁇ n • f Q from the electrical signal mixture s (t), where n is a natural number> 2.
  • An alternating current amplifier 19 amplifies the harmonic component of the tunnel current and leads the signal to a lock-in
  • Amplifier 20 a phase sensitive amplifier.
  • the lock-in amplifier 20 is synchronized with the aid of the HF generator 4 in the rhythm of n times the generator frequency Q , so that at its output the
  • Harmonic signal of the tunnel current arises, which is present in position 2 of the electrical switch 13 on the controller 14 and on the measurement evaluation system 15.
  • Alternating current amplifier 22 amplified, a comparator 23 and a phase discriminator 24 supplied.
  • Phase discriminator 24 are supplied. The
  • Phase discriminator 24 generates depending on the
  • Phase difference of the square-wave signals is a voltage which is supplied to the controller 14 and the measurement evaluation system 15 via the electrical switch 13 in switch position 3.
  • the regulator signal S 1 has 13 different voltage values, which in
  • Position 1 is an expression of the electronic density of states
  • position 2 is an expression of the surface potentials
  • position 3 is an expression of the surface forces of the sample.
  • the measurement evaluation system 15 is a computer equipped with A / D converters. At the output of the measurement evaluation system 15, a measured value output, for example a monitor, is connected with whose help the measured value signals are displayed.
  • the probe element 2a shows an advantageous embodiment of a probe element 2 with the micro-probe tip 25.
  • the probe element 2 consists of a rod-shaped piezoresonator 26 a and 26 b and the integrated mounting element 26 c, which carries the rod resonator in the vibration node.
  • the geometric dimensions of the halves 26 a and 26 b of the piezoresonator are preferably the same and, in a preferred embodiment, are designed as a rod-shaped resonator, to which the exciter electrode halves 27 a, b and 28 a, b are applied.
  • On the support member 26 c are electrical
  • the excitation electrode 27 a is electrically connected to the micro probe tip 25 via an electrical bridge 29.
  • excitation electrodes 27 a, 27 b, 28 a, 28 b and the electrical conduction path 27 c, 28 c and the electrical bridge 29 between the excitation electrode 27 a and the micro-probe tip 25 are produced by methods customary in electrical engineering, for example by means of vacuum evaporation techniques.
  • Piezoresonators 26 a and 26 b cause mechanical longitudinal vibrations directed against one another. This causes the micro-probe tip 25 to oscillate in the manner described in FIG. 1.
  • the electrically conductive micro-probe tip is connected to points A and B (shown in FIG. 1) by a separate electrical conductor track 30.
  • the evaluation of the tunnel current in DC and AC components is realized via the low-pass filter 10 and the electrically switchable band-pass filter 18. This arrangement also permits an evaluation of the fundamental wave (eg 1 MHz) of the tunnel current, which is generated by the vibrations of the probe element 2 caused by the HF generator 4.
  • a base 3 serves the simplified
  • the electrical connection elements 6, 7 of the probe element 2 are mechanically detachable, for. B. as a connector with the piezo actuator 1 via the
  • Plug contacts 31, 32 connected in an electrically conductive manner.
  • the electrical connection elements 6, 7 and the plug contacts 31, 32 have the shapes and materials customary for connectors in electrical engineering.

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Abstract

Eine Anordnung zur Erfassung der Topographie einer Oberfläche umfaßt ein schwingendes Abtastelement (2), das aus einem Piezoresonator besteht, auf dem eine Mikrotastspitze (25) angebracht ist, ferner einen Piezoaktuator (1) zum Verstellen des Abstands zwischen der Mikrotastspitze (25) und der Oberfläche einer Probe (5) und eine erste Einrichtung zum Messen eines Tunnelstroms zwischen Mikrotastspitze (25) und Oberfläche der Probe (5) und, in Abhängigkeit davon, zum Ansteuern des Piezoaktuators (1). Ferner sind eine zweite Einrichtung zum Messen des Resonanzverhaltens des Piezoresonators und zum Ansteuern des Piezoaktuators (1) in Abhängigkeit von Änderungen der auftretenden Schwingungsamplituden, Resonanzfrequenzen oder Phasenverschiebungen, eine dritte Einrichtung zum Messen des Anteils an Oberwellen des Tunnelstroms und eine Schalteinrichtung (13) vorgesehen, mit der wahlweise die erste, die zweite oder die dritte Einrichtung an dem Piezoaktuator (1) anschaltbar ist.

Description

ANORDNUNG ZUR ERFASSUNG DER TOPOGRAPHIE EINER OBERFLACHE Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der
Topographie einer Oberfläche
Bei der Kraftmikroskopie wird mit einer an einer mikroskopisch kleinen Lamelle angebrachten Tastspitze die Probenoberfläche angetastet. Mittels Piezoaktuatoren wird die Probe an der Spitze so vorbeigeführt, daß ein ständig gleichbleibender Kraftkontakt zwischen Tastspitze und Probenoberfläche zustande kommt /G. Binning, C. F. Quate, Ch. Gerber, "Ato ic Force
Microscopy", Phys. Rev. Lett. 56 (1986) 9, 930 - 933/. Bei der Tunnelmikroskopie wird mittels Piezostelltechnik eine elektrisch leitfähige Spitze in einem Bereich von etwa 1 nm an eine leitfähige Probenoberfläche gebracht. Wird zwischen Spitze und Probenoberfläche eine elektrische Spannung angelegt, so beginnt ein Tunnelstrom in nA- Größenordnung zu fließen. Eine Veränderung des Spaltes zwischen Spitze und Probenoberfläche von z. B. 0,1 nm bewirkt eine Veränderung des Tunnelstroms um eine Größenordnung. Diese starke Abstandsabhängigkeit wird ausgenutzt, um die Spitze mittels Piezostelltechnik der Probenoberfläche nachzuführen
/G. Binning, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel, "Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy, Phys. Rev. Lett 49 (1982) 1, 57 - 61/.
So sind zahlreiche Anordnungen und Verfahren zur Kraft- und Tunnelmikroskopie bekannt geworden. In EP-A2 0 223 918 ist ein Kraftmikroskop angegeben, bei dem eine Tastspitze so weit an eine Probe herangeführt wird, bis interatomare Kräfte auftreten. Die Tastspitze ist auf einer Mikrobiegefeder befestigt. Die Auslenkungen der
Mikrobiegefeder werden von einer über der Mikrobiegefeder angeordneten Tunnelspitze erfaßt, ausgewertet und piezoelektrisch kompensiert.
Weiterhin wird ein kraftmikroskopischer Sensor beschrieben, bei welchem eine Spitze auf einem hochfrequenten Piezoresonator befestigt ist.
Die bei Nährung der schwingenden Spitze an die Probe sich am Piezoresonator ergebenden Phasenänderungen werden erfaßt und als Regelsignal einer Piezostelltechnik zugeführt, welche den Sensor der Probenoberfläche mit konstanter Meßkraft nachführt
/K. Bartzke et al., "The needle sensor - a micromechanical detector for atomic force microscopy", Int. Journ. of
Optoelectronics, 1993, VOL. 8, NOS. 5/6,
669 - 676/.
Es ist weiterhin eine Anordnung bekannt, die sowohl kraft- als auch tunnelmikroskopische Auswertungen ermöglicht
/D. Anselmetti, Ch. Gerber, B. Michel, H.-J. Güntherodt, H. Rohrer, "Compact, combined scanning tunneling/force microscope",
Rev. Sei. Instrum. 63 (5), May 1992, 3003 - 3005/.
Für die kraftmikroskopische Messung im Noncontact-Mode wird der Cantilever mit der Tastspitze zu
Resonanzschwingungen erregt und von einem optischen System die Änderung der Cantilever-Resonanz bei Annährung der Tastspitze an die Probenoberfläche ermittelt. Hierzu wird über ein Wallaston-Prisma die auftretende Phasenänderung zweier polarisierter Lichtstrahlen für die Messung ausgenutzt, indem mittels zweier Photodioden Intensitätsmessungen ausgeführt werden. Die Nachführung der Probe zur Tastspitze in einem berührungsfreien Abstand erfolgt mittels eines Piezoröhrchenscanners, wobei das von dem optischen System ermittelte Meßsignal (Abstandssignal) konstant gehalten wird. Die Regelgröße des Piezoröhrchens wird ausgewertet und gibt einen Rückschluß auf die Topographie der Oberfläche.
Für die tunnelmikroskopische Messung sind Tastspitze und Cantilever elektrisch leitfähig ausgebildet und mit einem Tunnelstromverstärker verbunden. Zwischen Probe und Tastspitze ist eine Tunnelspannung angelegt. Der zwischen Probe und Spitze fließende Tunnelstrom ist stark abstandsabhängig und liegt im nA-Bereich. Die Probe wird mittels Piezoröhrchenscanner so an der Spitze vorbeigeführt, daß der Tunnelstrom konstant bleibt. Die Regelsignale des Piezoröhrchens ergeben ein Abbild der elektronischen Zustandsdichte der Probenoberfläche.
Die gleichzeitig verlaufende, simultane Kombination von Kraft- und Tunnelmikroskopie wird mit dieser Anordnung dadurch erzielt, daß während der tunnelmikroskopischen Messung der Probe die kraftmikroskopischen Auslenkungen des Cantilevers von dem optischen System erfaßt und ausgewertet werden.
Bei den bekannten Anordnungen und Verfahren zur gleichzeitig verlaufenden simultanen Kombination von kraft- und tunnelmikroskopischen Messungen ist ein
Cantilever erforderlich, der relativ steif sein muß, um Instabilitäten im Meßprozeß zu vermeiden. Das führt jedoch zu einer Verringerung der Empfindlichkeit bei kraftmikroskopischen Messungen. Des weiteren sind optische Systeme erforderlich, die die bei tunnelmikroskopischen Messungen durch Cantileververbiegungen auftretenden Auslenkungen erfassen und kompensieren.
Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, simultane, kraft- und tunnelmikroskopische Messungen am gleichen Ort nacheinander oder zugleich durchführen zu können, bei gleichzeitiger Erhöhung der Empfindlichkeit,Vereinfachung des Meßverfahrens und Reduzierung der Störanfälligkeit.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsmäßigen Anordnung dadurch gelöst, daß neben einer ersten Einrichtung, mittels derer ein Tunnelstrom zwischen Mikrotastspitze und
Oberfläche einer Probe meßbar und in Abhängigkeit davon der Piezoaktuator ansteuerbar ist, durch eine zweite
Einrichtung, mittels derer das Resonanzverhalten eines Piezoresonators meßbar und in Abhängigkeit von Änderungen der auftretenden Schwingungsamplituden oder von auftretenden Frequenz-Phasenänderungen der Piezoaktuator ansteuerbar und durch eine dritte Einrichtung mittels derer der Anteil an Oberwellen des Tunnelstroms meßbar ist, und durch ein Schaltvorgang, mit dem wahlweise die erste, die zweite oder dritte Einrichtung an den Piezoaktuator anschaltbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht der Piezoresonator aus mindestens zwei mit elektrischen Anschlußelementen versehenen elektrischen Erregerelektroden und mindestens einer Mikrotastspitze.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Piezoresonator als Stabschwinger gestaltet.
Es ist vorteilhaft, daß die auf dem Piezoresonator angeordnete elektrisch leitfähige Mikrotastspitze über eine Brücke mit einer der Erregerelektroden elektrisch verbunden ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die auf dem Piezoresonator angeordnete elektrisch leitfähige Mikrotastspitze über eine gesonderte elektrische Leitungsbahn mit der ersten und/oder zweiten zuschaltbaren Einrichtung verbunden.
Es ist weiterhin von Vorteil, daß der Piezoresonator mechanisch steckbar auf dem Piezoaktuator angebracht ist und eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrischen Anschlußelementen erreicht wird, um ein leichtes Auswechseln zu ermöglichen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besteht die Mikrotastspitze wahlweise aus magnetischem oder permanentmagnetischem Material.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird in einem einfachen Aufbau eine wahlweise simultane, kraft- und tunnelmikroskopische Messung am gleichen Ort nacheinander oder zugleich ermöglicht. Dabei wird eine deutliche Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber bekannten Anordnungen erreicht.
Darüber hinaus wird durch eine Vereinfachung des Aufbaus der Tasteinrichtung eine Verringerung der Beschädigung der Prüfoberfläche während des Meßvorganges und eine
Steigerung der Unempfindlichkeit gegenüber mechanischen Störschwingungen erreicht.
Die erfindungsgemäße Anordnung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung
Fig. 2 a), b) Ausführungsformen eines Tastelementes
Fig. 3 eine bauliche Ausführungsform eines Tastelementes
Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Anordnung ist ein HF-Generator 4 über das elektrische Anschlußelement 8 in einem Piezoaktuator 1 über das Anschlußelement 6 mit einem Tastelement 2 elektrisch verbunden, der das Tastelement 2 zu Schwingungen mit einer Generatorfrequenz fQ von z. B. 1 MHz anregt. Die elektrisch leitfähige Mikrotastspitze 25, die auf dem Tastelement 2 angeordnet ist, schwingt vor der Probe 5. Die Tunnelspannung Urj> liegt über den Tunnelgleichstromverstärker 12, den Tiefpaß 10 und den elektrischen Anschlußelementen 9 und 7 an dem mit einer Mikrotastspitze 25 versehenen Tastelement 2 an.
Die Probe 5 ist in Fig. 1 mit Masse verbunden, so daß die TunnelSpannung Ur zwischen der Mikrotastspitze 25 und der Probe 5 anliegt.
Zwischen Probe 5 und Mikrotastspitze 25 fließt ein
Tunnelstrom, der Gleich- und Wechselstromanteile aufweist.
Der Wechselstromanteil besteht aus der Grundwelle von z.B. 1 MHz, hervorgerufen durch die Schwingung des
Piezoresonators 2 und Oberwellen, verursacht durch die
Nichtlinearität der Tunnelstromkennlinie, d.h. der nichtlinearen Abhängigkeit des Tunnelstromes vom
Tunnelspalt. Gleichzeitig entstehen durch die Kräfte zwischen der Probe 5 und der
Mikrotastspitze 25 an dem Tastelement 2
Resonanzänderungen. Diese Resonanzänderungen rufen z.B.
Phasenänderungen zwischen der Generator- und der
Piezoresonatorspannung hervor, so daß am elektrischen Anschlußelement 9 ein elektrisches Signalgemisch s(t) aus
Tunnelgleich- und Wechselstrom und elektrischen
Phasenänderungen anliegt.
Durch einen Tiefpaß 10, z. B.ein RC-Glied, werden die Gleichstromanteile des Tunnelstromes selektiert, durch einen Tunnelgleichstromverstärker 12 verstärkt und einem elektrischen Schalter 13 (Stellung 1) und einem Meßauswertesystem 15 zugeführt. Über den Schalter 13 (Stellung 1) gelangt das Signal an einen Regler 14, z. B. ein PID-Regler, der ein Reglersignal (31) erzeugt, das an dem Meßsystem 15 und an einer Piezo-Steuerelektrode 16 anliegt.
Ein elektrisch schaltbarer Bandpaß 18, z. B. eine LC-
Schaltung, filtert aus dem elektrischen Signalgemisch s(t) den Oberwellenanteil des Tunnelstromes von ≥ n • fQ heraus, wobei n eine natürliche Zahl > 2 ist. Ein WechselStromverstärker 19 verstärkt den Oberwellenanteil des Tunnelstromes und führt das Signal einem Lock-in-
Verstärker 20, einem phasenempfindlichen Verstärker, zu.
Der Lock-in-Verstärker 20 wird mit Hilfe des HF-Generators 4 im Rhythmus des n-fachen der Generatorfrequenz Q synchronisiert, so daß an dessen Ausgang das
Oberwellensignal des Tunnelstromes entsteht, das in Stellung 2 des elektrischen Schalters 13 am Regler 14 und am Meßauswertesystem 15 anliegen.
Aus dem Signalgemisch s(t) wird mit einem Bandpaß 21, z. B.einer LC-Schaltung, die Grundfrequenz fG herausgefiltert, in einem nachgeordneten
WechselStromverstärker 22 verstärkt, einem Komparator 23 und einem Phasendiskriminator 24 zugeführt. Der Komparator
23 ist außerdem am Ausgang des HF-Generators 4 angeschlossen und erzeugt aus den jeweiligen
Wechselspannungssignalen Rechtecksignale, die dem
Phasendiskriminator 24 zugeführt werden. Der
Phasendiskriminator 24 erzeugt in Abhängigkeit von der
Phasendifferenz der Rechtecksignale eine Spannung, die über den elektrischen Schalter 13 in Schalterstellung 3 dem Regler 14 und dem Meßauswertesystem 15 zugeführt wird.
Der Regler 14, z. B. ausgebildet als PID-Regler, steuert den Piezoaktuator 1 so, daß in Schalterstellung 1 des Schalters 13 der Tunnelgleichstrom, in Schalterstellung 2 des Schalters 13 der Tunnelwechselstrom und in Schalterstellung 3 die Phasendifferenz konstant bleibt.
Das Reglersignal S 1 hat je nach Stellung des elektrischen Schalters 13 unterschiedliche Spannungswerte, die in
Stellung 1 ein Ausdruck der elektronischen Zustandsdichte, in Stellung 2 ein Ausdruck der Oberflächenpotentiale und in Stellung 3 ein Ausdruck der Oberflächenkräfte der Probe sind. Das Meßauswertesystem 15 ist ein Rechner, bestückt mit A/D-Wandlern. Am Ausgang des Meßauswertesystems 15 ist eine Meßwertausgabe, z.B. ein Monitor, angeschlossen, mit dessen Hilfe die Meßwertsignale angezeigt werden.
In Fig. 2a ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines Tastelementes 2 mit der Mikrotastspitze 25 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform besteht das Tastelement 2 aus einem stabförmigen Piezoresonator 26 a und 26 b und dem integrierten Halterungselement 26 c, das den Stabresonator im Schwingungsknoten trägt.
Die geometrischen Abmessungen der Hälften 26 a und 26 b des Piezoresonators sind vorzugsweise gleich und in einer bevorzugten Ausbildungsform als stabförmiger Resonator ausgebildet, auf die die Erregerelektrodenhälften 27 a, b und 28 a, b aufgebracht sind. Auf dem Halterungselement 26 c sind elektrische
Leiterbahnen 27 c und 28 c aufgebracht, die mit den elektrischen Anschlußelementen 6 und 7 verbunden sind.
Die Erregerelektrode 27 a ist über eine elektrische Brücke 29 mit der Mikrotastspitze 25 elektrisch verbunden.
Die Herstellung der Erregerelektroden 27 a, 27 b, 28 a, 28 b und der elektrischen Leitungsbahn 27 c, 28 c und der elektrischen Brücke 29 zwischen der Erregerelektrode 27 a und Mikrotastspitze 25 erfolgt durch in der Elektrotechnik übliche Verfahren, z.B. mittels Vakuumbedampftechniken. Über das elektrische Anschlußelement 6, welches über das gemäß Fig. 1 dargestellte elektrische Anschlußelement 8 an den HF-Generator 4 angeschlossen ist und dem
Eingangswiderstand des Bandpaßes 21 über die elektrischen Anschlüsse 7,9 entstehen zwischen den Elektroden 27 a und
28 a, 27 b und 28 b elektrische Wechselfelder, die die
Piezoresonatoren 26 a und 26 b zu gegeneinander gerichteten mechanischen longitudinalen Schwingungen veranlassen. Damit erfolgt eine Schwingung der Mikrotastspitze 25 nach der in Fig. 1 beschriebenen Art und Weise.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 b ist die elektrisch leitfähige Mikrotastspitze durch eine gesonderte elektrische Leitungsbahn 30 mit den Punkten A und B (dargestellt in Fig. 1) verbunden. Damit wird unter Zugrundelegung der in Fig. 1 beschriebenen Wirkungsweise der elektrischen Schaltung und der Schalterstellung 2 des Schalters 13 a über den Tiefpaß 10 und den elektrisch schaltbaren Bandpaß 18 die Auswertung des Tunnelstromes in Gleich- und Wechselstromanteilen realisiert. Diese Anordnung gestattet auch eine Auswertung der Grundwelle (z. B. 1 MHz) des TunnelStromes, die durch die vom HF-Generator 4 verursachten Schwingungen des Tastelementes 2 erzeugt wird.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Tastelementes 2. Ein Sockel 3 dient der vereinfachten
Handhabung des Tastelementes 2. Bei dieser Ausführungsform sind die elektrischen Anschlußelemente 6, 7 des Tastelementes 2 mechanisch lösbar, z. B. als Steckverbinder, mit dem Piezoaktuator 1 über die
Steckkontakte 31, 32 elektrisch leitfähig verbunden.
Die elektrischen Anschlußelemente 6, 7 und die Steckkontakte 31, 32 weisen die für Steckverbinder in der Elektrotechnik üblichen Formen und Materialien auf.
1 Piezoaktuator
2 Tastelement
3 Sockel
4 HF-Generator 5 Probe
6 elektrisches Anschlußelement
7 elektrisches Anschlußelement
8 elektrisches Anschlußelement
9 elektrisches Anschlußelement 9 a elektrisches Anschlußelement
10 Tiefpaß
11 einstellbare Gleichspannungsquelle
12 Tunnelgleichstromverstärker
13 elektrischer Schalter 13 a elektrischer Schalter
14 Regler
15 Meßauswertesystem
16 Piezo-Steuerelektrode
17 Meßwertausgabe 18 elektrisch schaltbarer Bandpaß
19 Wechselstromverstärker
20 Lock-in-Verstärker
21 Bandpaß
22 Wechselstromverstärker 23 Komparator
24 Phasendiskriminator
25 Mikrotastspitze 26 a, b, c Piezoresonator 27 a Erregerelektroden
27 b Erregerelektroden
27 c elektrische Leitungsbahn
28 a Erregerelektroden
28 b Erregerelektroden
28 c elektrische Leitungsbahn
29 elektrische Brücke
30 elektrische Leitungsbahn
31 Sockel
32, 33 Steckkontakte s(t) elektrisches Signalgemisch
S 1 Reglersignal
*G Generatorfrequenz
Uτ Tunnelspannung

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Erfassung der Topographie einer
Oberfläche, mit einem schwingenden Abtastelement (2) , bestehend aus einem Piezoresonator, auf dem eine Mikrotastspitze (25) angebracht ist, mit einem Piezoaktuator (1) zur Verstellung des Abstandes zwischen der Mikrotastspitze (25) und der Oberfläche einer Probe (5) und mit einer ersten Einrichtung, mittels derer ein Tunnelstrom zwischen Mikrotastspitze und Oberfläche einer Probe (5) meßbar und in Abhängigkeit davon der Piezoaktuator (1) ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zweite Einrichtung, mittels derer das Resonanzverhalten des Piezoresonators (26 a, 26 b, 26 c) meßbar und in Abhängigkeit von Änderungen der auftretenden Schwingungsamplituden, Resonanzfrequenzen oder Phasenverschiebungen der Piezoaktuator (1) ansteuerbar und durch eine dritte Einrichtung mittels derer der Anteil an Oberwellen des Tunnelstroms meßbar ist, und durch eine Schalteinrichtung (13) , mit der wahlweise die erste, die zweite oder dritte Einrichtung an den Piezoaktuator (1) anschaltbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoresonator (26 a, 26 b, 26 c) aus mindestens zwei mit elektrischen Anschlußelementen (6, 7) versehenen elektrischen Erregerelektroden (27 a, 27 b, 28 a, 28 b) und mindestens einer Mikrotastspitze (25) besteht.
3. Anordnung nach Anspruch l und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoresonator (26 a, 26 b, 26 c) als Stabschwinger ausgebildet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Piezoresonator (26 a, 26 b, 26 c) angeordnete Mikrotastspitze (25) leitfähig ist und mit einer der Erregerelektroden (27 a, 27 b, 27 c oder 28 a, 28 b, 28 c) über die Brücke (29) elektrisch verbunden ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Piezoresonator (26 a, 26 b, 26 c) angeordnete Mikrotastspitze (25) leitfähig ist und über eine gesonderte leitfähige elektrische Leitungsbahn (30) mit der ersten und/oder zweiten zuschaltbaren Einrichtung verbunden ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoresonator (26 a, 26 b, 26 c) mechanisch steckbar auf dem Piezoaktuator (1) angebracht ist und eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den elektrischen Anschlußelementen (6 und 8, 7 und 9) erreicht wird.
7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrotastspitze (25 aus magnetischem oder permanentmagnetischem Material besteht.
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