WO2007019913A1

WO2007019913A1 - Vorrichtung zur schwingungsanregung eines einseitig in einem rasterkraftmikroskop befestigten federbalkens

Info

Publication number: WO2007019913A1
Application number: PCT/EP2006/006382
Authority: WO
Inventors: Walter Arnold; Kerstin Schwarz; Ute Rabe
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2007-02-22
Also published as: US8484757B2; US20110010809A1; DE102005038245B4; DE102005038245A1

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Schwingungsanregung einer einseitig in einem Rasterkraftmikroskop (RKM) befestigten und aus Halbleitermaterial, das über keine piezoelektrischen Eigenschaften verfügt, bestehenden Blattfeder, an deren freien Ende eine Spitze angebracht ist, die in Kontakt mit einer zu untersuchenden Probenoberfläche bringbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Blattfeder zumindest abschnittweise mit einer Metallschicht unter Ausbildung eines Schottky-Kontaktes verbunden ist, und dass eine elektrische Spannungs- oder Feldquelle vorgesehen ist, die im Bereich des Schottky-Kontaktes eine elektrische Wechselspannung erzeugt.

Description

Vorrichtung zur Schwingungsanregung eines einseitig in einem Rasterkraftmikroskop befestigten Federbalkens

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich eine Vorrichtung zur Schwingungsanregung eines einseitig in einem Rasterkraftmikroskop (RKM) befestigten und aus Halbleitermaterial, das über keine piezoelektrischen Eigenschaften verfügt, bestehenden Federbalkens, an dessen freien Ende eine Spitze angebracht ist, die in Kontakt mit einer zu untersuchenden Probenoberfläche bringbar ist.

Mit der Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie (RKM) wurde ein großer Fortschritt bei der Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften erreicht. Erstmals ist es mit Hilfe der Kraftmikroskopie (AFM, Atomic Force Microscopy) möglich, Informationen über Oberflächen und oberflächennahe Bereiche verschiedenster Proben und Komponenten mit einer Auflösung von Nanometern bis hinunter zu einzelnen Atomen zu erhalten.

Kraftmikroskope sind kommerziell erhältlich. Der Sensor besteht aus einer kleinen Blattfeder von etwa 100 μm bis 500 μm Länge mit einer Spitze, die mittels piezoelektrischer Verstellelemente über die Probe gerastert wird. Ein Positionssensor misst die Auslenkung der Feder. Dieser Positionssensor besteht häufig aus einer Laserdiode und einer positionsempfindlichen Photodiode. Der Laserstrahl wird auf die reflektierende Rückseite der Blattfeder fokussiert, dort reflektiert und auf die Photodiode gelenkt. Eine Verbiegung der Feder bewirkt eine Positionsänderung des Laserstrahls und damit eine Änderung der Photospannung. Die Topographie der Oberfläche wird abgebildet, indem über eine Regelschleife der Sensor oder die Probe während des Scannens senkrecht zur Probenoberfläche, d.h. in z-Richtung, so nachgeführt wird, dass die Auslenkung der Feder konstant bleibt. Die z-Spannung wird als Farbwert kodiert und über einen Rechner dargestellt.

Dynamische Betriebsarten hingegen, bei denen die Blattfeder in Schwingung versetzt wird, haben in der Rasterkraftmikroskopie in steigendem Maße an Bedeutung gewonnen, weil mit ihrer Hilfe empfindliche Proben ohne Beschädigung abgebildet werden können und weil aus Amplitude und Phase der Blattfederschwingung neben der Oberflächentopographie auch physikalische Eigenschaften der Probenoberfläche abgeleitet werden können.

Die Blattfeder wird dabei mit oder nahe ihrer Resonanzfrequenz in Schwingungen versetzt und über der Probenoberfläche positioniert, so dass die Blattfeder über ihre Spitze die Probenoberfläche nur für eine sehr geringe Zeit ihrer Oszillationsperiode berührt. Dadurch wird ein Schleifen der Spitze über die Probe verhindert, was bei Untersuchungen an schwach gebundenen oder weicher Probenoberflächen von Vorteil ist. Anders als im berührungslosen Modus ist die Oszillationsamplitude groß genug um die Adhäsionskräfte der Probenoberfläche zu überwinden. Mittels Amplitudenvariation können Oberflächenstrukturen identifiziert und vermessen werden. Wird die Probenspitze bspw. über eine Überhöhung geführt, so nimmt die Amplitude der Oszillation ab, läuft sie hingegen eine Vertiefung steigt die Amplitude automatisch an.

Mit Hilfe der so genannten Ultraschall-Kraftmikroskopie (Atomic Force Acoustic Microscopy, AFAM) kann man lokale elastische Eigenschaften von Materialien mit einer Ortsauflösung von einigen Nanometern abbilden und quantitativ bestimmen. Es handelt sich um einen dynamischen AFM Betriebsmodus, bei dem ausgenutzt wird, dass eine mit seiner Resonanzfrequenz schwingende Blattfeder kleinste Änderungen in den Spitze-Probe-Wechselwirkungen detektieren kann.

Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Schwingungsanregung der Blattfeder. So gilt es darauf zu achten, durch die im Rahmen zur Schwingungsanregung einzusetzenden Mittel und Techniken das durch die Blattfedergeometrie sowie deren Eigenelastizität vorgegebene Schwingungsverhalten möglichst wenig zu beeinträchtigen.

Stand der Technik

Im Folgenden soll ein Überblick über bekannte Anregungstechniken von AFM- Blattfedern gegeben werden:

Da die Blattfeder eines Rasterkraftmikroskops, wie eingangs erwähnt, einseitig in einer Halterung befestigt bzw. einspannt ist, bietet es sich an, ein zur Schwingungsanregung der Blattfeder erforderliches Schwingersystem im Bereich der Halterung selbst zu integrieren. Bevorzugt werden hierzu piezoelektrische Schwingersysteme eingesetzt, die neben der Blattfeder auch zumindest Teilbereiche der Halterung selbst in Schwingungen zu versetzen vermögen. Ein Nachteil dieser Art der Anregung ist, dass die Eigenresonanzen der Halterung sich mit den Eigenresonanzen des Federbalkens, die man messen möchte, überlagern können. Überdies sind bei dieser Art der Schwingungsanregung Grenzen gesetzt hinsichtlich erreichbarer Resonanzmoden längs der Blattfeder.

Eine andere Möglichkeit zur Schwingungsanregung der Blattfeder besteht darin, ein Schwingungssystem direkt auf die Blattfeder aufzubringen, um so störende Schwingungsanregungen im Bereich der Halterung zu vermeiden.

In Appl. Phys. Lett. 64, 12 (1994), J.Vac. Sei. Technol. B 15, 1506 (1997) sowie Appl. Phys. Lett. 85, 6398 (2004) wird vorgeschlagen, die Blattfeder mittels eines Ultraschallwandlers anzuregen, indem der Ultraschallwandler mit der zu untersuchenden Probe an einer der Probenoberfläche abgewandten Seite kontaktiert wird. Der Ultraschallwandler ist mit einem externen Frequenzgenerator verbunden, der den Wandler mit einer sinusförmigen Wechselspannung versorgt, so dass Longitudinal-, bzw. Transversalwellen in die Probe ausgesendet werden und somit senkrecht zur Probenoberfläche, bzw. längs der Oberfläche Verschiebungen hervorruft. Ist die Blattfeder über ihre Spitze in Kontakt mit der Probenoberfläche, so werden die Schwingungen von der Probenoberfläche auf die Blattfeder übertragen, die in Biege-, bzw. Torsions- und Lateralmoden zu schwingen beginnt. Angeregt werden auf diese Weise Kontaktresonanzen des Systems Probe-Blattfeder, bei denen Kräfte zwischen der Spitze der Blattfeder und der Probenoberfläche wirken, durch die sich die Resonanzen der freien Blattfeder zu höheren Frequenzen, den so genannten Kontaktresonanzen, hin verschieben.

Aus der US 6,006,593 geht ein Verfahren zur Messung von Oberflächeneigenschaften mittels AFM hervor, bei dem die Anregung der Blattfeder an deren Aufhängung am Ende der Blattfeder mittels eines Schwingungswandlers erfolgt, der mit einem Frequenzgenerator verbunden ist. Dieser Wandler überträgt die Schwingung auf die Blattfeder. Ist dieser in Kontakt mit der Probenoberfläche, so können mit dieser Methode ebenfalls Kontaktresonanzen des Systems Probe- Blattfeder angeregt werden. Als Wandler können ein Ultraschallwandler oder die thermoelastische Ausdehnung der Aufhängung durch einen amplitudenmodulierten Laserstrahl verwendet werden.

Auch sind kontaktfreie Anregungstechniken bekannt, mit denen die Blattfeder in resonante Schwingungen versetzt werden kann. So geht aus der DE 103 21 931 B4 ein diesbezügliches Verfahren hervor, dem die Erkenntnis zugrunde liegt, dass bei Schwingungsanregung der Probenoberfläche in lateral zur Oberfläche orientierte und längs einer Schwingungsrichtung linear polarisierte Schwingungen sowie zusätzlicher Ausrichtung der Blattfeder senkrecht zur Schwingungsrichtung über der Probenoberfläche, die Blattfeder durch innerhalb eines zwischen der Probenoberfläche und der Blattfeder befindlichen gasförmigen Koppelmediums, bspw. Luft, eingekoppelte Scherwellen zum Schwingen angeregt werden kann.

Einen anderen Ansatz beschreibt K. El Hami et al. in „Selective excitation of the Vibration modes of a cantilever spring, Sensores and Actuators A 64 (1998), 151- 155. Längs der Oberfläche der Blattfeder werden Polymerstreifen aus piezoelektrischem Material aufgebracht, die mit elektrischer Wechselspannung versorgt werden, wodurch die Blattfeder in resonante Schwingungen versetzt wird.

In der US-Schrift US 6,211 ,540 wird ein Halbleiter-Spannungs-Sensor beschrieben, der eine einseitig eingespannte Blattfeder vorsieht, deren Durchbiegung mittels eines Sensors erfasst wird, in dem ein Schottky-Kontakt enthalten ist. Rastert die Spitze der Blattfeder eine Probenoberfläche ab, so wird die Blattfeder ausgelenkt und es kommt zur Verbiegung der Blattfeder. Der Schottky-Kontakt, der sich auf der Blattfeder befindet, ändert seine elektrischen Eigenschaften aufgrund dieser Verformung.

Gleichsam der vorstehenden Druckschrift beschreibt die WO 97/24915 ein Mikro- elektromechanisches System, das eine verformbare Struktur aufweist, die mit einem Sensorelement, das bspw. als Schottky-Kontakt ausgebildet ist, kombiniert ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Schwingungsanregung einer einseitig in einem Rasterkraftmikroskop befestigten, und aus Halbleitermaterial bestehenden Blattfeder derart auszubilden, dass mit möglichst einfachen technischen Mitteln eine Schwingungsanregung der Blattfeder zuverlässig möglich wird und dies auch bei hohen Frequenzen, so dass auch resonante Schwingungsmoden höherer Ordnungen, d.h. 2. oder 3. Ordnung, angeregt werden können. Die Vorrichtung soll insbesondere keine teuren Materialien erfordern, so insbesondere nicht den Einsatz piezoelektrischer Materialien voraussetzen, und mit einfachen verfahrenstechnischen Mitteln realisierbar sein.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Vorteilhafte den Erfindungsgedanken in vorteilhafter weise ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Die lösungsgemäße Vorrichtung sieht eine Blattfeder vor, die aus einem Halbleitermaterial besteht, das selbst über keine piezoelektrischen Eigenschaften verfügt. Vorzugsweise eignet sich hierzu Silizium, das p-, n-dotiert oder undotiert vorliegen kann. Die Blattfeder ist zumindest abschnittsweise mit einer Metallschicht unter Ausbildung eines Schottky-Kontaktes verbunden, an dem eine elektrische Wechselspannung angelegt wird. Hierzu dient vorzugsweise eine elektrische Spannungsquelle, die mit der Metallschicht elektrisch verbunden ist. Alternativ oder in Kombination ist es jedoch auch möglich, in den Bereich des Schottky-Kontaktes mit einer geeigneten elektrischen Feldquelle eine im Schottky-Kontaktbereich wirkende elektrische Wechselspannung zu induzieren. Es zeigt sich, dass sich bei Anlegen einer elektrischen Wechselspannung im Schottky-Kontaktbereich freie resonante Schwingungen längs der Blattfeder ausbilden, ohne dabei auf piezoelektrische Materialien und den damit verbundenen an sich bekannten piezoelektrischen Effekt zurückgreifen zu müssen.

Auch ist es möglich, im Falle eines Oberflächenkontaktes der Spitze der Blattfeder mit einer Probe mit Hilfe des lösungsgemäßen Vorsehens eines Schottky-Kontaktes, Kontaktresonanzen im System Probe-Blattfeder anzuregen.

Durch Aufbringen einer Metallschicht auf wenigstens eine Blattfederoberfläche wird innerhalb des aus einem Halbleitermaterial bestehenden Federbalkens eine sogenannte Schottky-Barriere in Form einer Raumladungszone geschaffen, die sich als Verarmungsschicht an Ladungsträgern zwischen dem Halbleiter und der Metallschicht ausbildet. Wird am Schottky-Kontakt eine elektrische Wechselspannung angelegt, so ändert sich die Größe der Raumladungszone in Abhängigkeit der Wechselspannung, d.h. sie vergrößert bzw. verkleinert sich. Die Änderung der Dicke der sich ausbildenden Raumladungszone ist mit einer Gitterverzerrung des Halbleitermaterials verbunden, die wiederum unterschiedliche Ursachen haben kann. Nach dem derzeitigen Verständnis des zu beobachtenden Effektes zur Schwingungsanregung eines aus Halbleitermaterial gefertigten Federbalkens unter Ausbildung eines Schottky-Kontaktes, wird davon ausgegangen, dass die Kopplung an Gitterverzerrungen über mehrere Kopplungsmechanismen, zum Beispiel das so genannte Deformationspotential erfolgt. So kann beobachtet werden, dass sich Schwingungen in jenem Bereich des Federbalkens ausbilden, der von einer Metallschicht überzogen ist, d.h. in dem sich der Schottky-Kontakt befindet. Ausgehend von diesem Bereich übertragen sich die Schwingungen auf die gesamte Blattfeder, auch wenn sie nur teilweise mit einer entsprechenden Metallschicht kontaktiert ist. Grundsätzlich können, wie bereits vorstehend erwähnt, sowohl Eigenmoden des freien Federbalkens als auch Kontaktresonanzen angeregt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sorgt das Vorsehen einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle, deren Gleichspannungspotential an den Schottky-Kontakt in Überlagerung mit der Wechselspannung angelegt wird, für eine Vergrößerung oder Verkleinerung, je nach Polarität der Gleichspannung, der Tiefenausdehnung des Schottky-Kontaktes, wodurch die Effektivität der Anregung verändert und gezielt eingestellt werden kann.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a und b schematisierte Darstellung einer an einem Rasterkraftmikroskop befestigten Blattfeder mit metallisierter Blattfederoberfläche,

Fig. 2a - c Drauf- und Seitenansichten einer in einem Chip integrierten Blattfeder mit Metallschicht sowie

Fig. 3a - i Seiten- und Draufsichtdarstellungen einer Blattfeder mit unterschiedlich ausgebildeten Metallschicht-Anordnungen bzw. Metallschicht- Ausbildungen.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In den Fig. 1a und b sind jeweils schematisiert Seitenansichten einer Blattfederanordnung 2 gezeigt, die über ihre Probenspitze 3 in Kontakt mit der Probenoberfläche einer Probe 4 bringbar ist. Die Blattfederanordnung 2 ist einstückig aus einkristallinem Silizium gefertigt und weist einen Befestigungsabschnitt 2a auf, der im gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Federkraft beaufschlagte Klemmvorrichtung 5 einseitig an einem festen Gegenlager 1 des Rasterkraftmikroskops verbunden ist. Einseitig frei endend ragt seitlich über den Befestigungsabschnitt 2a die eigentliche Blattfeder 2b, auf deren Oberseite eine Metallschicht 6 abgeschieden ist, die zudem auch einen Bereich des Befestigungsabschnittes 2a überdeckt, an dem ein elektrischer Kontakt 7 vorgesehen ist, der mit einer Spannungsquelle 8 verbunden ist. Die Blattfederanordnung 2, auf die in den Figuren 2a bis 2c noch näher eingegangen wird ist vollständig aus einkristallinem Silizium gefertigt und somit mit den Mitteln der Siliziumtechnologie herstellbar. Aus diesem Grunde wird der Befestigungsabschnitt 2a zumeist auch als Chip bezeichnet, von dem sich die Blattfeder 2b als frei endender Steg absetzt.

Durch Abscheiden einer Metallschicht 6 auf der Halbleiteroberfläche der Blattfederanordnung samt Blattfederoberseite bildet sich ein Schottky-Kontakt aus, der sich als Verarmungsschicht an Ladungsträgern zwischen Halbleiter und der Metallschicht auszeichnet. Wird über die Spannungsquelle 8 ein Wechselspannungspotenzial an die Metallschicht 6 angelegt, so beginnt sich die Blattfeder 2b aufgrund auftretender Gitterverzerrungen periodisch zu deformieren. Durch geeignete Wahl der Wechselfrequenz des applizierten Wechselspannungspotenzials und in Abhängigkeit von Form und Größe der Blattfeder 2b beginnt die Blattfeder resonante Schwingungen auszuführen ohne dabei in Kontakt zu einem schwingenden Medium zu stehen. Das Schwingungsverhalten der Blattfeder 2b ist mit Hilfe eines Positionsdetektors 9 erfassbar, indem das an der Blattfederoberseite reflektierte Licht einer Lichtquelle 10, vorzugsweise eines Lasers, von einer Photodiode 11 detektiert und entsprechend ausgewertet wird. Die von Seiten der Photodiode generierten Diodensignale werden mit Hilfe eines schnellen Log-In-Verstärkers unter einem entsprechend nachgeschalteten Digital-Oszilloskops bezüglich Amplitude und Phase spektral ausgewertet.

Alternativ zur lediglich einseitigen Metallisierung der Blattfederoberseite ist es ebenso möglich, zur Schwingungsanregung die Blattfederanordnung 2 sowohl auf der Ober- als auch Unterseite mit einer entsprechenden Metallschicht 6 zu beschichten. Ein derartiger Aufbau ist in Fig. 1b in Seitenansicht dargestellt. Auf die bereits unter Bezugnahme in Fig. 1a eingeführten und beschriebenen Bezugszeichen wird an dieser Stelle, um Wiederholungen zu vermeiden, verwiesen. Zur Spannungsversorgung der an der Unterseite vorgesehenen Metallschicht 6' ist eine zweite Kontaktstelle T vorgesehen, über die eine entsprechende Spannungszuführung seitens der Spannungsquelle 8 erfolgt.

Sowohl im Falle des Ausführungsbeispiels in Fig. 1a als auch mit einer doppelseitigen Metallbeschichtung der Blattfederanordnung 2 ist es möglich, die Blattfeder 2b in Schwingungen zu versetzen, ohne dass die Probenspitze 3 in Kontakt mit der Oberfläche der Probe 4 ist. Wie bereits erwähnt kann durch geeignete Frequenzwahl des anliegenden Wechselspannungspotenzials das Schwingungsverhalten beeinflusst werden. Hierzu weist die Spannungsquelle 8 einen Funktionsgenerator zur Erzeugung von Wechselspannungen mit Frequenzen zwischen 10 kHz und 5 MHz. Die Spannungsquelle 8 verfügt darüber hinaus über eine Gleichspannungsquelle zur Erzeugung eines Gleichspannungspotenzials, bspw. von -50 Volt bis +50 Volt, das zusätzlich zur Wechselfrequenz, d.h. durch Addition zur Wechselspannung, an die Metallschicht 6 angelegt werden kann, so sich auch die Amplitude der sich längs der Blattfeder ausbildenden Schwingungen gezielt beeinflussen lassen.

Die Drauf- und Seitenansichten auf eine Blattfederanordnung 2 gemäß den Bilddarstellungen in Fig. 2a bis c zeigen unterschiedliche Ausbildungsformen der jeweils an der Oberseite der Blattfederanordnung 2 abgeschiedenen Metallschicht 6, die mittels an sich bekannter Abscheidetechniken, wie Bedampfen, Sputtern, galvanisches oder stromloses Metallabscheiden auf der jeweiligen Oberfläche der Blattfederanordnung aufgetragen werden kann.

Typischerweise weist die Blattfederanordnung 2 im Befestigungsabschnitt 2a eine Länge L von 4 mm, eine Breite B von ca. 2 mm und eine Dicke D von ca. 300 μm auf. Einstückig mit dem Befestigungsabschnitt 2a verbunden ist die Blattfeder 2b vorgesehen, die typischerweise eine Länge I zwischen 100 μm und 500 μm, eine Breite b von 20 μm bis 60 μm sowie eine Dicke d von 1 μm bis 10 μm aufweist. Die gesamte Blattfederanordnung 2 weist an ihrem der Blattfeder 2b zugewandten Endbereich gemäß Ausführungsbeispiel in Fig. 2a eine homogene Metallschicht 6 auf, vorzugsweise in Form einer Platin- oder Goldschicht, die eine Schichtdicke von typischerweise 100 nm bis 1 μm besitzt. Die der Zeichenebene gemäß Fig. 2a zugewandte Oberseite der Blattfeder 2b ist hierbei ganzflächig mit der Metallschicht 6 überzogen.

Grundsätzlich ist es zur Schwingungsanregung des Blattfederabschnittes 2b nicht erforderlich, den Befestigungsabschnitt 2a mit der Metallschicht 6 mit zu überdecken. Andererseits bedarf es jedoch entsprechender Kontaktbereiche, mit der die Metallschicht 6 elektrisch kontaktiert wird. Hierzu ist in Fig. 2b lediglich an der Oberseite des Befestigungsabschnittes 2a ein kleiner Bereich mit einer Metallschicht 6 überdeckt, der zur elektrischen Kontaktierung der die Blattfederoberseite 2b vollständig überdeckenden Metallschicht dient.

In Fig. 2c sind an der Oberfläche des Befestigungsabschnittes 2a räumlich zwei getrennte Elektrodenflächen 6a und 6b vorgesehen, die mit als Interdigital- Elektrodenstrukturen ausgebildeten, räumlich getrennten Metallschichten verbunden sind, die an der Oberfläche der Blattfeder 2b abgeschieden sind. Die Ausbildung der Metallschicht längs der Blattfederoberfläche in Form von Interdigital-Elektroden bzw. Interdigital-Finger führt zur Anregung von Torsionsmoden längs der einseitig eingespannten Blattfeder 2b. Selbstverständlich ist es möglich, die Ausbildung der Kontaktbereiche 6a und 6b unterschiedlich vorzunehmen und in unterschiedlicher Weise an der Oberfläche des Befestigungsabschnittes 2a anzubringen.

Fig. 3a zeigt eine Seiten- sowie Draufsicht auf die Blattfeder 2b, der in der Darstellung links einstückig in den Blattfederbefestigungsabschnitt 2a übergeht und in der Bilddarstellung rechts stegartig frei endend ausgebildet ist. In der in Fig. 3a dargestellten Form ist auf der Blattfederoberseite eine Metallschicht 6 ganzflächig aufgebracht, beispielsweise mittels Abscheidetechnik. Zwischen der aus einkristallinem Silizium bestehenden Blattfeder 2b und der darauf aufgebrachten, vorzugsweise aus Platin oder Gold bestehenden Metallschicht 6 bildet sich ein Schottky-Kontakt aus, der, wie eingangs erläutert, zu einer Raumladungszone im Sinne einer Ladungsverarmungszone führt, die in Gegenwart eines elektrischen Wechselpotentials aufgrund auftretender Gitterverzerrungen innerhalb des Halbleitermaterials Schwingungen längs der stegartig ausgebildeten Blattfeder 2b iniziiert, an deren Ende die Probenspitze 3 vorgesehen ist.

Wird im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a die Oberfläche der Blattfeder 2b gemäß Ausführungsbeispiel in Fig. 3b nur teilweise mit einer Metallschicht 6 bedeckt, so zeigt sich, dass sich bevorzugt die ersten drei freien Biegemoden des Blattfederabschnittes 2 angeregt werden können. Befindet sich darüber hinaus die Blattfeder 2b mit ihrer Probenspitze in Kontakt mit der Oberfläche einer Probe (nicht dargestellt), so ist es überdies möglich, mit Hilfe des wechselspannungsbeaufschlagten Schottky-Kontaktes zwischen der Metallschicht 6 und der Blattfeder 2b die ersten drei Biegekontaktresonanzen auszubilden.

Versuche haben gezeigt, dass es möglich ist, bevorzugt den ersten Biegemode der Blattfeder 2b anzuregen, sofern am Ende des Blattfederabschnittes 2b ein lokaler Metallschichtbereich 6' abgeschieden ist gemäß Bilddarstellung in Fig. 3c. Lediglich zur elektrischen Kontaktierung des Metallschichtbereiches 6' verläuft an der Oberseite der Blattfeder 2b ein ausgedünnter Metallschichtsteg 6", der jedoch möglichst kleinflächig ausgebildet ist und somit wenig Einfluss auf die Ausbildung eines Schottky-Kontaktes hat. Die Anregung des zweiten Biegemodes konnte gezielt erreicht werden, indem längs der Blattfeder 2b zwei voneinander beabstandete Metallschichtfelder 61 und 62 gemäß Bilddarstellung in Fig. 3d abgeschieden sind. Hierbei befindet sich ein Metallschichtfeld 61 etwas außerhalb zur Mitte der Blattfeder 2b und der zweite Metallschichtbereich 62 am Endbereich der Blattfeder 2b, der Probenspitze 3 unmittelbar gegenüberliegend. Beide Metallschichtfelder 61 und 62 sind über eine elektrische Verbindungsleitung 6", die möglichst schmal ausgebildet ist, elektrisch kontaktiert.

Zur Ausbildung des dritten Biegemodes der Blattfeder 2b sind jeweils drei Metallschichtfelder 61 , 62, 63 längs einer Oberseite der Blattfeder 2b vorgesehen (siehe Ausführungsbeispiel in Fig. 3e). Auch konnten besonders gute Erfolge bei der Anregung des zweiten Biegemodes verzeichnet werden, indem an der Oberseite der Blattfeder 2b zwei getrennte Metallschichtfelder 61 , 62 vorgesehen worden sind (siehe Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3f) und zusätzlich an der Unterseite des Blattfederabschnittes 2b ein weiteres Metallschichtfeld 63 angebracht wurde. Hierbei liegen die Metallschichtfelder 61 und 63 unmittelbar gegenüber.

Entsprechend der Elektrodenanordnung im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3g konnte die Ausbildung des dritten Biegemodes hinsichtlich des Blattfederabschnittes 2b gezeigt werden. Hier befinden sich ebenfalls an der Oberseite und Unterseite des Blattfederabschnittes 2b Elektrodenflächen 61 , 62, 63 sowie 64 und 65.

Schließlich zeigt Fig. 3g eine Prinzipdarstellung zur Anordnung von als Interdigital- Finger ausgebildete Metallschichten 6 auf der Oberseite der Blattfeder 2b. Mit der in Fig. 3g dargestellten Metallschichtanordnung können Torsionsmoden angeregt werden, vorzugsweise der zweite Mode. Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3i zeigt eine Interdigital-Elektrodenanordnung mit jeweils fünf getrennten Metallschichtbereichen 6, die an der Oberseite des Blattfederabschnittes 2b vorgesehen und jeweils durch randseitige schmale Metallisierungen 6' entsprechend elektrisch kontaktiert sind, mit der der fünfte Torsionsmode der Blattfeder angeregt werden kann.

Grundsätzlich ist festzuhalten, dass die Anordnung der Metallbeschichtungen je nach Modenanregung unterschiedlich auszubilden ist. Auch gilt es zu beachten, ob sich freie Resonanzen oder Kontaktresonanzen längs des Blattfeder ausbilden sollen. Gemäß den Ausführungsbeispielen in den Fig. 3f sowie 3g konnte gezeigt werden, dass durch zusätzliches Vorsehen von Metallschichtfeldern sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite die Schwingungsanregung längs der Blattfeder verstärkt werden konnte. Werden im Unterschied zu in den Figuren 3 f und 3 g gezeigten Ausführungsbeispielen die Metallschichtfelder auf der Ober- und Unterseite der Blattfeder versetzt zueinander angeordnet, so bilden sich Phasenverschobene Schwingungsmoden aus. Bezugszeichenliste

Befestigungsbereich des Rasterkraftmikroskops Blattfeder a Befestigungsabschnitt b Blattfederabschnitt

Probenspitze

Probe

Klemmvorrichtung

Metallschicht ¹ Metallschichtleitung 1-65 Metallschichtfelder

Kontaktstelle

Spannungsversorgi

Positionsdetektor 0 Lichtquelle, Laser 1 Photodiode

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Schwingungsanregung einer einseitig in einem Rasterkraftmikroskop (RKM) befestigten und aus Halbleitermaterial, das über keine piezoelektrischen Eigenschaften verfügt, bestehenden Blattfeder, an deren freien Ende eine Spitze angebracht ist, die in Kontakt mit einer zu untersuchenden Probenoberfläche bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder zumindest abschnittweise mit einer Metallschicht unter Ausbildung eines Schottky-Kontaktes verbunden ist, und dass eine elektrische Spannungs- oder Feldquelle vorgesehen ist, die im Bereich des Schottky-Kontaktes eine elektrische Wechselspannung erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder streifenartig mit zwei sich gegenüberliegenden Blattfederoberflächen ausgebildet ist, von denen wenigstens eine Blattfederoberfläche wenigstens teilweise mit der Metallschicht unter Ausbildung eines flächigen Schottky-Kontaktes überzogen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder aus einem n-, p- oder undotierten Halbleitermaterial, vorzugsweise aus einkristallinem Silizium, besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Spannungs- oder Feldquelle im Bereich des Schottky-Kontakes ein elektrisches Gleichspannungspotential erzeugt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht als homogene Flächenschicht mit konstanter Schichtdicke ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht strukturiert ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Ausbildung der Metallschicht durch Anwendung der CMOS-Technologie erfolgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht eine Schichtdicke von 100 nm bis 1 μm aufweist, die Dicke der Blattfeder zwischen 1 μm und 10 μm, die Länge der Blattfeder zwischen 100 μm und 500 μm und die Breite der Blattfeder zwischen 20 μm und 60 μm liegen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht Pt oder Au aufweist.