WO2019029757A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des elektrischen widerstandes eines objekts - Google Patents

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WO2019029757A1
WO2019029757A1 PCT/DE2018/000187 DE2018000187W WO2019029757A1 WO 2019029757 A1 WO2019029757 A1 WO 2019029757A1 DE 2018000187 W DE2018000187 W DE 2018000187W WO 2019029757 A1 WO2019029757 A1 WO 2019029757A1
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PCT/DE2018/000187
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Bert VOIGTLÄNDER
Felix LÜPKE
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
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    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R1/00—Details of instruments or arrangements of the types included in groups G01R5/00 - G01R13/00 and G01R31/00
    • G01R1/02—General constructional details
    • G01R1/06—Measuring leads; Measuring probes
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    • G01R1/073—Multiple probes
    • G01R1/07307—Multiple probes with individual probe elements, e.g. needles, cantilever beams or bump contacts, fixed in relation to each other, e.g. bed of nails fixture or probe card
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/2801—Testing of printed circuits, backplanes, motherboards, hybrid circuits or carriers for multichip packages [MCP]
    • G01R31/281—Specific types of tests or tests for a specific type of fault, e.g. thermal mapping, shorts testing
    • G01R31/2812—Checking for open circuits or shorts, e.g. solder bridges; Testing conductivity, resistivity or impedance

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the electrical resistance of an object.
  • a resistance measurement is carried out by the object to be measured is contacted via two probe tips with electrical lead wires.
  • the object to be measured the electrical leads which connect the object to the measuring devices for electric current or voltage and the measuring contacts, which establish the electrical contact to the object.
  • an object can be contacted at various locations, resulting in different electrical resistances.
  • the way and the exact positions of the contact determine the measured resistance.
  • the object to be measured already has electrical connections, as is the case with a resistor known as an electronic component with two lead wires, or with an electronic circuit board.
  • a known problem in the two-point measurement described above is that contact resistances and resistances in the lead wires falsify the resistance measurement because it is not the resistance of the object but the resistance of the object plus contact resistance plus resistances in the lead wires that is measured.
  • the four-point measurement or four-wire measurement is used in the prior art. This method is shown for example on the Wikipedia page https://de.wikipedia.org/wiki/Vierleiter sweater.
  • the four-wire measuring arrangement flows over two measuring contacts for current injection, an electric current through the object to be measured is measured with a current measuring device.
  • the voltage dropped across the object is tapped via two other voltage measuring contacts and with a Voltage measuring device, with high internal resistance, measured.
  • the resistance to be measured is calculated according to Ohm's law from the measured quantities and is known to be largely independent of the contact resistances of the contacts used for voltage measurement in the case of four-point measurement.
  • the four-wire measurement is also used in semiconductor technology and for determining the surface resistance of thin layers. This method is described in Wikipedia on the page https://de.wikipedia.org/wiki/Vier-Punkt-Methode.
  • multi-point scanning tunneling microscopy can be used to determine resistances of surfaces, films, and nanostructures with the four-point method.
  • the contacting of objects, the placement of tips on surfaces or nanostructures means a modification or damage on the nano- or atomic level, equivalent to an invasive contact.
  • the tips are usually positioned about 0.5 nm above the surface, which is equivalent to a non-invasive tunneling contact, wherein current measurements are performed.
  • Measurements with non-invasive contact are very difficult because it is always necessary to switch between voltage measurement and scanning tunneling microscope operation.
  • the voltage measurement may only be performed for a few msec, otherwise the distance between the tip and the sample will vary during the measurement due to the thermal drift at room temperature in the order of magnitude of the tunneling distance of approximately 0.5 nm. Thereafter, it is necessary to switch back to current measurement with grid tunnel operation in order to correct the tunnel distance.
  • the object of the invention overcomes the disadvantages mentioned.
  • systematic errors in the resistance measurement should be minimized or prevented.
  • the voltage measurement should be independent of the contact resistance and the resistances in the supply wires.
  • the design of the electronics and the exchange of contacts should be simplified and the non-invasive measurement should be simplified.
  • the distance between the sample and the measuring tip should preferably be kept constant.
  • the noise of the measuring signals should be reduced.
  • the voltage measurement is independent of the contact resistance and of the resistances in the supply wires.
  • the structure of the electronics and the swapping of contacts as well as the non-invasive measurement are simplified.
  • the distance between the sample and the measuring contact can be kept constant. Smoother measurements can be performed.
  • Electrically conductive object which injects or dissipates electricity at the contact point to the object to be examined.
  • the measuring electronics is a means for injecting a current and measuring an electric current when connected to the measuring contact for application of a current, and means for measuring the electrical voltage when connected to the measuring contact for the voltage measurement.
  • Control that regulates the voltage of a measuring contact for voltage measurement so that no current flows through the measuring contact.
  • the resistance of a sample is determined with a multi-point measurement, in which at least four measuring contacts are used, of which at least two serve to load a current and at least two for voltage measurement.
  • the object to be examined, or sample, hereinafter referred to as an object may be any material designed to conduct a current. These may be any conductive materials such as metals, alloys, semiconductors, organic compounds, or earthy materials. Furthermore, the to be measured
  • Object consist of a composition of different materials, in particular of the type mentioned above.
  • the object to be examined may be macroscopic, for example, the bottom of a terrain or even a smaller piece of material, at which the resistance for the smallest distances from measuring contacts to be measured.
  • the measuring contacts can be any material which is preferably rod-shaped depending on the application and / or the shape has a tip or a spherical apex, so that they have the ability to allow a flow of current.
  • the measuring contact may be made of metal, for example steel, copper or tungsten or of a semiconductor, for example silicon, or doped diamond, or other types of carbon, e.g. Carbon nanotubes.
  • a measuring contact can be dimensioned differently.
  • Measurements in a terrain or a large-scale object can be massive rods, in the microscopic area around needles or tips of a scanning probe microscope, ie a scanning tunneling microscope, an atomic force microscope or other types of scanning probe microscopes.
  • At least four measuring contacts are used.
  • the maximum number of measuring contacts is freely selectable and is limited only by practical conditions to upper values. For example, 5, 6, 7, 8, ... 10, ... 20, 30 or more measuring contacts can be used.
  • at least two measuring contacts for applying current are provided by these measuring contacts, and at least two measuring contacts are provided for measuring the voltage.
  • At least two measuring contacts for the application of electricity at least one measuring contact for supplying current injects a current and at least one measuring contact for application of current conducts the current.
  • the division may be half or have a different number ratio.
  • the numerical distribution of the other measuring contacts for applying current and measuring contacts for voltage measurement is freely selectable.
  • the division may be half or have a different number ratio.
  • the measuring contacts for the application of current need not differ structurally and materially from the measuring contacts for voltage measurement, but they can. If the measuring contacts are structurally and / or materially designed to be charged with current and the voltage measurement, this has the consequence that their function can be easily reversed.
  • Which of the measuring contacts is used for the application of current or for voltage measurement can be controlled by a software without the need for a change of the apparatus construction.
  • changes in the experimental setup and the implementation of the measurement method can be simplified. Relay switching is eliminated.
  • the replacement of the function of measuring contacts can be brought about manually.
  • the current is measured at each measurement contact for the voltage measurement.
  • each measuring contact for the voltage measurement is connected to a measuring electronics.
  • This measuring electronics is an electronic system which applies a voltage to the measuring contact and measures the current flowing through the contact.
  • These electronic elements are known in the art.
  • a Measuring electronics are called a transimpedance converter, which is subjected to a bias voltage.
  • ammeters which are biased.
  • a current is injected into or derived from the object to be measured.
  • a current is injected or discharged into the object to be measured.
  • the types of measuring electronics used for this purpose are known to the person skilled in the art.
  • a constant current source can be mentioned here as an example of a measuring electronics.
  • a transimpedance converter or ammeter to each of which a bias voltage is applied.
  • the injected current can also be measured.
  • a simple power dissipation can also serve a direct wire connection to the ground, without current measurement.
  • each measuring contact for measuring voltage is connected to a measuring electronics, which applies a voltage to each measuring contact for the voltage measurement and measures the current flowing through the contact.
  • the measurement electronics of the measurement contacts provided for current must not differ from the measuring electronics of the measuring contacts for voltage measurement, but it can. If the measuring electronics of the measuring contacts for structuring current and the voltage measurement are structurally identical, this has the consequence that their function can be easily reversed. In this case, it is possible to control by a software which of the measuring contacts is used for the application of current or for voltage measurement, without the need for a change in the construction of the apparatus. As a result, changes in the experimental setup and the implementation of the measurement method can be simplified. Relay switching is eliminated. Likewise, the replacement of the function of measuring contacts can be brought about manually.
  • the current flowing through each of the measuring contacts for the voltage measurement to the sample is controlled by the application of a bias voltage so that the current through these measuring contacts for the voltage measurement is equal to zero, or no more current flows. Then, the voltage of the object at the location of the contact for voltage measurement is equal to the applied bias voltage.
  • the applied voltage is adjusted so that no more current flows through this voltage measuring contact.
  • the voltage then applied is the voltage of the object at the point of contact.
  • proportional-integral control circuits can be mentioned here.
  • voltage sources can be mentioned.
  • a current of 0 amperes can be induced between the measuring contacts for the voltage measurement and the object to be examined by manually regulating the current.
  • the determination of the resistance is non-invasive.
  • the distance of the measuring contact to the surface of the object to be examined is kept constant. This is particularly relevant in the scanning probe microscopic measurement.
  • a non-invasive current injection can be realized in which the measuring contacts for directing current and / or measuring contacts for voltage measurement have no direct contact with the sample, but are at a distance which, for example, corresponds to a tunnel contact of approx , 5 nm corresponds.
  • various methods are known in the art.
  • the voltage measurement can be carried out in a time-varying manner with the voltage regulation, regulating the distance between tip and sample, in particular in scanning probe microscope operation. This can be used for any non-invasive voltage measuring contact.
  • a regulation for the distance between the tip and the sample in particular in Scanning Probe Microscope operation, can be carried out alternating with the current measurement of the measuring electronics at the measuring contacts for the application of current. This can be used for any non-invasive current injection contact.
  • the measurement signal used in Scanning Probe Microscopy for peak-to-sample pitch control is alternately time-timed with voltage regulation that regulates the current to 0 amps to determine the voltage at the contact.
  • the distance measurement signal may be any signal that allows determination of the distance of the tip of the measurement contact from the sample. For example, when using an atomic force microscope, the measured force between tip and sample, or in dynamic atomic force microscopy, the frequency shift or the amplitude of the oscillating scanning force microscope sensor. For a scanning tunneling microscope, it may be the measured tunneling current.
  • peak-to-sample separation does not remain constant over the measurement period due to drift, peak-to-sample separation can be alternated with current injection for each noninvasive current contact probe.
  • the determination of the resistance takes place from the measured quantities according to the Ohm 's Law.
  • the resistance of the sample results using mathematical models, which sets the measured values in relation to Ohm's law.
  • the distance between the measuring tip and the sample and the current flowing through the tip are measured at the same time instead of alternately.
  • two different measuring signals are needed, one for determining the distance of the measuring tip to the sample and one for measuring the current through the tip.
  • the atomic force interactions can be determined using an atomic force microscope
  • Measuring tip and sample are measured to determine the distance of the measuring contact and regulate and at the same time carried out the measurement of the current.
  • the measured voltages are independent of contact resistances and resistances in supply lines.
  • the noise of the voltage measurement is given only by the Johnson resistance noise of the contact resistance between the probe tip and the object to be measured. Compared to the use of a voltage follower according to the prior art, this does not give a lower limit of the noise due to the inherent noise of the voltage follower used.
  • the device has at least four measuring contacts.
  • the maximum number of measuring contacts is freely selectable and is limited only by practical conditions to upper values. For example, 5, 6, 7, 8, ... 10, ... 20, 30 or more measuring contacts may be present.
  • at least two measuring contacts for applying current and at least two measuring contacts for voltage measurement are provided by these measuring contacts.
  • the numerical distribution of the measuring contacts for the application of current in contacts, which inject electricity or discharge current is freely selectable.
  • the division may be half or have a different number ratio.
  • the division may be half or have a different number ratio.
  • the measuring contacts can be any material which, depending on the application, is preferably rod-shaped and / or has the shape of a point or a spherical apex, so that a flow of current is made possible.
  • the measuring contact consist of metal, for example steel, copper or tungsten or of a semiconductor, for example silicon, or doped diamond, or other types of carbon z.
  • a measuring contact can be dimensioned differently.
  • Measurements in a terrain or a large-scale object can be massive rods, in the microscopic area around needles or tips of a scanning probe microscope, ie a scanning tunneling microscope, an atomic force microscope, or other types of scanning probe microscopes.
  • means for measuring a current to which a bias voltage is applied are in the form of a measuring voltage at all measuring contacts, for the voltage measuring contacts
  • Measurement electronics These agents are known to the person skilled in the art. By way of example but not limitation, transimpedance transducers biased may be cited. As an alternative means amperemeter with bias voltage can be attached to the measuring contacts. For this purpose, the measuring electronics have means for applying a bias voltage. For this purpose, all known means for applying a bias into consideration.
  • These may be a simple wire or, by way of example but not limitation, a circuit that will shift the potentials.
  • the outputs of the measuring electronics lead to a computer, which processes the signals, or to an analog or digital measuring and control device.
  • the output of the measuring electronics is connected to a control circuit which is preferably located in the computer and which regulates the current so that it is zero at the tip-probe contact.
  • control loop The technical versions of a control loop are known to the person skilled in the art.
  • proportional-integral control circuits can be mentioned here.
  • voltage sources can be mentioned
  • the measuring contacts may be tips of a scanning probe microscope, which may be part of a multi-tip scanning probe microscope.
  • the device then has means for keeping constant the distance of the tips to the surface of the object to be examined.
  • Fig. 1 A schematic structure of the device according to the invention
  • Fig. 3 shows a transimpedance converter with means for applying a bias voltage
  • Fig. 4 A detailed schematic structure of the device according to the invention
  • FIG. 1 shows a sample 1 on which two measuring contacts for the application of current 2, 2a and two measuring contacts for voltage measurement 3, 3a are positioned.
  • a measuring electronics 4, 5, 6 and 7 is connected to the measuring contacts for the application of current 2, 2a and the measuring contacts for voltage measurement 3, 3a in each case.
  • These measuring electronics which measure the current 4, 5, 6 and 7 are connected to a computer 8 which evaluates the signals.
  • control circuits 9, 9a which regulate the current between the object to be examined 1 and the measuring contact for voltage measurement 3, 3a to zero amps.
  • FIG. 2 shows a transimpedance transducer with bias.
  • a line 10 is connected to the operational amplifier 1 1 at its inverting input "-.”
  • the output 12 of the operational amplifier 1 1 opens into a line 13, which returns via a resistor 14 into the current input 10.
  • Another line 15 exits, and a line 16 is connected to the non-inverting input "+" of the operational amplifier 11.
  • the input 10 is connected to the measuring contact.
  • the voltage applied to the measuring contact bias is given by the voltage applied to line 16.
  • the resulting current through the measuring contact is converted by means of the operational amplifier 1 1 into an output voltage proportional to the current, which is tapped off at the line 15. This is read into the software with an analog-to-digital converter.
  • the same device features have the same reference numerals.
  • the output 12 and the line 15 is connected to a control circuit 9, which regulates the current at the measuring contacts for voltage measurement to zero amps.
  • the bias voltage applied to the line 16 is varied by the control circuit so that the voltage which is tapped on line 15 and thus the current through the line 10 and thus the measuring contact, disappears.
  • the voltage applied to line 16 Voltage identical to the voltage of the object to be measured 1 at the position of the measuring contact for the voltage measurement 3, 3a, which is connected to the input 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Objekts Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Messung des elektrischen Widerstandes eines Objekts bei dem mindestens vier Messkontakte mit der Oberfläche des Objekts in elektrisch leitenden Kontakt gebracht werden, wobei von diesen mindestens vier elektrisch leitfähigen Messkontakten mindestens zwei Messkontakte, Messkontakte zur Beaufschlagung mit einem Strom (2, 2a) sind und mindestens zwei Messkontakte, Messkontakte zur Spannungsmessung (3, 3a) sind, wobei in das Objekt mit mindestens einem Messkontakte zur Beaufschlagung mit einem Strom (2, 2a) ein Strom injiziert wird und von mindestens einem Messkontakt zur Beaufschlagung mit Strom ein Strom abgeleitet wird, und an dem Objekt mit den mindestens zwei Messkontakten zur Spannungsmessung (3, 3a) jeweils eine Spannung gemessen wird, wobei an jedem Messkontakt zur Spannungsmessung eine Messelektronik angeschlossen wird, die den Strom, der durch den Kontakt zwischen dem Messkontakt zur Spannungsmessung (3, 3a) und dem Objekt fließt misst, wobei der Strom zwischen dem Messkontakt zur Spannungsmessung (3, 3a) und dem Objekt, durch Anlegen einer Vorspannung so geregelt wird, dass er nicht mehr fließt und damit die Vorspannung gleich der Spannung des Objekts an der Stelle des Messkontaktes zur Spannungsmessung ist. Der Widerstand des Objektes wird aus den Messwerten für Strom und Spannung nach dem Ohm' sehen Gesetz berechnet.

Description

B e s c h r e i b u n g Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Objekts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Objekts.
In vielen technischen Bereichen besteht der Bedarf, den elektrischen Widerstand von Objek- ten zu messen.
Nach dem Stand der Technik erfolgt eine Widerstandsmessung indem das zu messende Objekt über zwei Tastspitzen mit elektrischen Zuleitungsdrähten kontaktiert wird. Im Folgenden wird zwischen dem zu vermessenden Objekt, den elektrischen Zuleitungen, die das Objekt mit den Messeinrichtungen für elektrischen Strom oder Spannung verbinden und den Messkontakten, die den elektrischen Kontakt zu dem Objekt herstellen unterschieden. Im
Allgemeinen kann ein Objekt an verschiedenen Stellen kontaktiert werden, was zu verschiedenen elektrischen Widerständen führt. Somit bestimmen auch die Art und Weise bzw. die genauen Positionen der Kontaktierung den gemessenen Widerstand. Somit kann man streng genommen nicht vom Widerstand des Objekts, sondern nur von dem Widerstand eines Objekts mit einer bestimmten Kontaktierung sprechen.
In manchen Fällen verfügt das zu messende Objekt bereits über elektrische Anschlüsse, so wie es bei einem als Elektronikkomponente bekannten Widerstand mit zwei Zuleitungsdrähten, oder bei einer elektronischen Leiterplatte der Fall ist.
Bei einer Zweipunktmessung werden zwei elektrische Zuleitungsdrähte mit einer Span- nungsdifferenz, V, beaufschlagt und der durch die Zuleitungsdrähte fließende Strom, I, wird gemessen. Der elektrische Widerstand, R, des Objekts mit der spezifischen Kontaktierung ergibt sich aus der Ohm' sehen Formel zu R=U/I.
Ein bekanntes Problem bei der oben beschriebenen Zweipunktmessung ist, dass Kontakt- widerstände und Widerstände in den Zuleitungsdrähten die Widerstandsmessung verfälschen, weil nicht der Widerstand des Objekts, sondern der Widerstand des Objekts plus Kontaktwiderstände plus Widerstände in den Zuleitungsdrähten gemessen wird. Um dieses Problem zu umgehen wird nach dem Stand der Technik z.B. die Vierpunktmessung oder Vierleitermessung benutzt. Diese Methode ist beispielsweise auf der Wikipedia Seite https://de.wikipedia.org/wiki/Vierleitermessung dargestellt. Bei der Vierleiter-Messanordnung fließt über zwei Messkontakte zur Strominjektion ein elektrischer Strom durch das zu messende Objekt der mit einem Strom messgerät gemessen wird. Die am Objekt abfallende Spannung wird über zwei weitere Spannungsmess-Kontakte abgegriffen und mit einem Spannungsmessgerät, mit hohem Innenwiderstand, gemessen. Der zu messende Widerstand wird nach dem ohmschen Gesetz aus den Messgrößen berechnet und ist bei der Vierpunkmessung bekanntermaßen weitgehend unabhängig von den Kontaktwiderständen der Kontakte, die zur Spannungsmessung verwendet werden.
Die Vierleitermessung wird auch in der Halbleitertechnik und zur Bestimmung des Flächenwiderstandes von dünnen Schichten eingesetzt. Diese Methode ist in Wikipedia auf der Seite https://de.wikipedia.org/wiki/Vier-Punkt-Methode beschrieben.
Für die Ausführung der Vierleitermessung mit Kontaktabständen im Mikrometerbereich bis hinab in den Nanometerbereich kann die Multispitzen-Rastertunnelmikroskopie eingesetzt werden, um Widerstände von Oberflächen, dünnen Schichten und Nanostrukturen mit der Vierpunkt-Methode zu bestimmen.
Diese Messungen werden insbesondere in verschiedenen Kontaktkonfigurationen durch Austausch von strominjizierenden Messkontakten, die als Spitzen ausgeführt sind und spanungsmessende Spitzen und verschiedener geometrischer Anordnung der Kontakte, z.B. durch Änderung der Abstände zwischen den Spitzen oder Drehung von im Quadrat angeordneten Spitzen, durchgeführt.
Auf der Nanoskala bedeutet die Kontaktierung von Objekten, durch das Aufsetzen von Spit- zen auf Oberflächen oder Nanostrukturen eine Modifizierung bzw. Schädigung auf der nano- bzw. atomaren Ebene, gleichbedeutend mit einem invasiven Kontakt.
In der Rastertunnelmikroskopie werden die Spitzen üblicherweise ca. 0,5 nm oberhalb der Oberfläche positioniert, was gleichbedeutend mit einem nicht-invasivem Tunnelkontakt ist, wobei Strommessungen durchgeführt werden.
Das Verfahren einer Vierpunktmessung in der Multispitzen-Rastertunnelmikroskopie ist beispielsweise in der Veröffentlichung von R. Hobara, N. Nagamura, S. Hasegawa, I. Matsu- da, Y. Yamamoto, Y. Miyatake und T. Nagamura in REWIEW OF SCIENTIFIC
INSTRUMENTS 78, 053705 (2007) beschrieben. In dieser Veröffentlichung wird eine invasi- ve Spannungsmessung mit einem hochohmigen Operationsverstärker, der als Spannungs- folger beschaltet ist, realisiert.
Dies ist in Abb. 2 dieser Veröffentlichung und im Text auf Seite 3 in dem Kapitel:„Extend the Z piezoactuators by a preset amount, and make direct contacts between tips and sample. " beschrieben. In einer Veröffentlichung von T. Druga et. al. (T. Druga, M. Wenderoth, J. Homoth, M.A. Schneider, und G. Ulbrich) Review of Scientific Instruments 81 , 083704 (2010)) wird eine Methode zur Spannungsmessung beschrieben, bei der die an eine Spitze des Rastertunnelmikroskops angelegte Spannung variiert bzw. geregelt wird, bis der Strom zwischen Spitze und Probe verschwindet. Diese Spannung ist dann gleich der Spannung der Probe an der Stelle der Spitze.
Mit den Verfahren nach dem Stand der Technik sind einige Nachteile verbunden. Trotz der Vierpunktmessung erfolgt die Messung der Spanungsdifferenz mit einem Voltmeter mit endlichem Innenwiderstand. Beispielsweise wird bei Hobara et. al. die Spannungsmessung durch einen hochohmigen Operationsverstärker, der als Spannungsfolger beschaltet ist, realisiert, was einem Voltmeter mit endlichem Innenwiderstand entspricht, was die Spannungsmessung verfälscht. Die Durchführung der Messungen ist aufwendig, weil sowohl eine Stromquelle inklusive einer Strommessung, als auch eine Spannungsmessung benötigt wird. Mitunter werden Kontakte, die in einer Messung zur Strominjektion benutzt wurden bei einer weiteren Messung als Kontakte zur Spannungsmessung benutzt. Dieses Vertauschen der Kontakte ist nachteilig für schnelle Messungen mit verschiedenen Kontaktkonfigurationen.
Messungen mit nicht-invasivem Kontakt sind nur sehr schwer möglich, weil ständig zwischen Spannungsmessung und Rastertunnelmikroskop-Betrieb umgeschaltet werden muss. Die Spannungsmessung darf nur für einige msec erfolgen, da sonst während der Messung, wegen des thermischen Drifts bei Raumtemperatur, der Abstand zwischen Spitze und Probe in der Größenordnung des Tunnelabstands von ca. 0,5 nm variiert. Danach muss schon wieder auf Strommessung mit Rastertunnel-Betrieb umgeschaltet werden, um den Tunnel- abstand auszuregeln.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung die genannten Nachteile zu überwinden. Insbesondere sollen systematische Fehler bei der Widerstandsmessung minimiert oder verhindert werden. Die Spannungsmessung soll unabhängig von den Kontaktwiderständen und den Wider- ständen in den Zuleitungsdrähten erfolgen. Der Aufbau der Elektronik und das Vertauschen von Kontakten soll vereinfacht werden und die nicht-invasive Messung soll vereinfacht werden. Der Abstand zwischen Probe und Messspitze soll vorzugsweise konstant gehalten werden. Das Rauschen der Messsignale soll verringert werden. Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 und des nebengeordneten Anspruchs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil der Ansprüche angegebenen Merkmalen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es nunmehr möglich systematische Messfehler bei der Vierpunktmessung zu minimieren oder zu verhindern. Die Spannungsmessung erfolgt unabhängig von den Kontaktwiderständen und von den Widerständen in den Zuleitungsdrähten. Der Aufbau der Elektronik und das Vertauschen von Kontakten sowie die nicht-invasive Messung werden vereinfacht. Der Abstand zwischen der Probe und dem Messkontakt kann konstant gehalten werden. Es können rauschfreiere Messungen durchgeführt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden wird die Erfindung in ihrer allgemeinen Form beschrieben, ohne dass dies einschränkend auszulegen ist. Zunächst werden einige Begriffe definiert.
Messkontakt zur Beaufschlagung mit einem Strom:
Elektrisch leitfähiges Objekt, welches an der Kontaktstelle zum zu untersuchenden Objekt Strom injiziert oder ableitet.
Messkontakt für die Spannungsmessung:
Elektrisch leitfähiges Objekt, über welches die Spannung des zu untersuchenden Objekts an der Kontaktstelle gemessen wird.
Messkontakt:
Oberbegriff für den Messkontakt für die Spannungsmessung und den Messkontakt für die Beaufschlagung mit einem Strom.
Messelektronik:
Die Messelektronik ist ein Mittel zur Injektion eines Stroms und zur Messung eines elektrischen Stroms, wenn sie am Messkontakt zur Beaufschlagung mit einem Strom angeschlos- sen ist, und ein Mittel zur Messung der elektrischen Spannung, wenn sie am Messkontakt für die Spannungsmessung angeschlossen ist. Regelkreis:
Regelung, die die Spannung eines Messkontaktes zur Spannungsmessung so reguliert, dass durch den Messkontakt kein Strom mehr fließt.
Erfindungsgemäß wird der Widerstand einer Probe mit einer Mehrpunktmessung ermittelt, bei der mindestens vier Messkontakte eingesetzt werden, von denen mindestens zwei zur Beaufschlagung mit einem Strom und mindestens zwei zur Spannungsmessung dienen.
Bei dem zu untersuchenden Objekt, bzw. der Probe, die im Folgenden als Objekt bezeichnet wird, kann es sich um jedes Material handeln, das so beschaffen ist, dass es einen Strom leitet. Dies können jegliche leitfähige Materialien, wie Metalle, Legierungen, Halbleiter, orga- nische Verbindungen oder erdige Materialien sein. Weiterhin kann das zu vermessende
Objekt aus einer Zusammensetzung von verschiedenen Materialien, insbesondere der oben genannten Art bestehen.
Das zu untersuchende Objekt kann makroskopisch sein, beispielsweise der Boden eines Geländes oder aber auch ein kleineres Materialstück, an dem der Widerstand für kleinste Abstände von Messkontakten gemessen werden soll.
Bei den Messkontakten kann es sich um jedes Material handeln, welches je nach Anwendung vorzugsweise stabförmig ist und/oder die Form eine Spitze oder einen sphärischen Apex aufweist, sodass sie die Fähigkeit besitzen einen Stromfluss zu ermöglichen. Beispielsweise kann der Messkontakt aus Metall, beispielsweise Stahl, Kupfer oder Wolfram bestehen oder aus einem Halbleiter, zum Beispiel Silizium, oder dotiertem Diamant, oder anderen Arten von Kohlenstoff, z.B. Kohlenstoff-Nanoröhren.
Je nach zu untersuchender Probe kann ein Messkontakt unterschiedlich dimensioniert sein. Für Messungen in einem Gelände oder eines großflächigen Objekts kann es sich um massive Stangen handeln, im mikroskopischen Bereich um Nadeln oder Spitzen eines Rasterson- denmikroskops, also eines Rastertunnelmikroskops, eines Rasterkraftmikroskops oder anderer Arten von Rastersondenmikroskopen.
Erfindungsgemäß werden mindestens vier Messkontakte eingesetzt. Die maximale Anzahl der Messkontakte ist jedoch frei wählbar und ist nur durch praktische Gegebenheiten nach oberen Werten hin beschränkt. So können beispielsweise 5, 6, 7, 8,...10,...20, 30 oder mehr Messkontakte eingesetzt werden. Erfindungsgemäß sind von diesen Messkontakten mindestens zwei Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom vorgesehen und mindestens zwei Messkontakte zur Spannungsmessung vorgesehen.
Von diesen mindestens zwei Messkontakten zur Beaufschlagung mit Strom injiziert mindes- tens ein Messkontakt zur Beaufschlagung von Strom einen Strom und mindestens ein Messkontakt zur Beaufschlagung mit Strom leitet den Strom ab. Bei mehr als zwei Messkontakten zur Beaufschlagung mit Strom ist die zahlenmäßige Aufteilung der Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom, die einen Strom injizieren und Messkontakten zur Beaufschlagung mit Strom, die den Strom ableiten frei wählbar. So kann die Aufteilung hälftig sein oder auch ein anderes Zahlenverhältnis aufweisen.
Bei mehr als vier Messkontakten ist die zahlenmäßige Aufteilung der weiteren Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom und Messkontakten zur Spannungsmessung frei wählbar. So kann die Aufteilung hälftig sein oder auch ein anderes Zahlenverhältnis aufweisen.
Auch die Wahl der räumlichen Verteilung von Messkontakten zur Beaufschlagung mit Strom und Messkontakten zur Spannungsmessung auf dem zu untersuchenden Objekt ist frei wählbar.
Die Messkontakte für die Beaufschlagung mit Strom müssen sich baulich und stofflich nicht von den Messkontakten zur Spannungsmessung unterscheiden, können es aber. Wenn die Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom und die Spannungsmessung baulich und /oder stofflich gleich ausgestaltet sind, hat dies zur Folge, dass deren Funktion leicht vertauscht werden kann.
Welcher der Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom oder zur Spannungsmessung herangezogen wird, kann durch eine Software angesteuert werden, ohne, dass man dazu eine Änderung des apparativen Aufbaus benötigt. Dadurch können Veränderungen des experimentellen Aufbaus und die Durchführung des Messverfahrens vereinfacht werden. Ein Schalten von Relais entfällt. Ebenso kann der Austausch der Funktion von Messkontakten manuell herbeigeführt werden.
Erfindungsgemäß wird an jedem Messkotakt für die Spannungsmessung der Strom gemessen.
Dazu ist jeder Messkontakt für die Spannungsmessung an eine Messelektronik angeschlossen. Diese Messelektronik ist eine Elektronik, welche an den Messkontakt eine Spannung anlegt und den durch den Kontakt fließenden Strom misst. Diese Elektronikelemente sind dem Fachmann bekannt. Beispielhaft aber nicht beschränkend kann hier als Beispiel für eine Messelektronik ein Transimpedanzwandler genannt werden, der mit einer Vorspannung beaufschlagt wird. Als andere äquivalente Mittel können Amperemeter genannt werden, die mit einer Vorspannung beaufschlagt sind.
An den Messkontakten zur Beaufschlagung mit einem Strom wird ein Strom in das zu ver- messende Objekt injiziert oder von ihm abgeleitet.
An den Messkontakten zur Beaufschlagung mit Strom wird ein Strom in das zu vermessende Objekt injiziert oder abgeleitet. Die dazu verwendeten Arten von Messelektroniken sind dem Fachmann bekannt. Beispielhaft aber nicht beschränkend kann hier als Beispiel für eine Messelektronik eine Konstantstromquelle genannt werden. Als andere äquivalente Mittel können ein Transimpedanzwandler oder Amperemeter genannt werden, an denen jeweils eine Vorspannung anliegt. Mit diesen Elektroniken kann der injizierte Strom auch gemessen werden. Als einfache Stromableitung kann auch eine direkte Drahtverbindung zur Erde, ohne Strommessung, dienen.
Erfindungsgemäß ist jeder Messkontakt zur Spannungsmessung an eine Messelektronik angeschlossen, welche an jeden Messkontakt für die Spannungsmessung eine Spannung anlegt und den durch den Kontakt fließenden Strom misst.
Die Messelektroniken der für Beaufschlagung mit Strom vorgesehenen Messkontakte müssen sich nicht von den Messelektroniken der Messkontakte zur Spannungsmessung unterscheiden, können es aber. Wenn die Messelektroniken der Messkontakte zur Beaufschla- gung mit Strom und die Spannungsmessung baulich gleich ausgestaltet sind, hat dies zur Folge, dass deren Funktion leicht vertauscht werden kann. In diesem Fall kann durch eine Software gesteuert werden, welcher der Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom oder zur Spannungsmessung herangezogen wird, ohne dass man dazu eine Änderung des apparativen Aufbaus benötigt. Dadurch können Veränderungen des experimentellen Aufbaus und die Durchführung des Messverfahrens vereinfacht werden. Ein Schalten von Relais entfällt. Ebenso kann der Austausch der Funktion von Messkontakten manuell herbeigeführt werden.
Erfindungsgemäß wird der Strom, der durch jeden der Messkontakte für die Spannungsmessung zur Probe fließt, durch das Anlegen einer Vorspannung so geregelt, dass der Strom durch diese Messkontakte für die Spannungsmessung gleich null ist, bzw. kein Strom mehr fließt. Dann ist die Spannung des Objektes an der Stelle des Kontaktes zur Spannungsmessung gleich der angelegten Vorspannung.
Dies kann manuell oder mittels einer automatischen Regelung erfolgen.
Dabei kann im Falle eines Messkontaktes für die Spannungsmessung über einen Regelkreis der über eine Software gesteuert wird, die angelegte Spannung so anpasst werden, dass kein Strom mehr über diesen Spannungsmesskontakt fließt. Die dann anliegende Spannung ist die Spannung des Objektes an der Stelle des Kontaktes.
Diese Ausführungen eines Regelkreises sind dem Fachmann bekannt.
Beispielhaft aber nicht beschränkend können hier Proportional- Integral- Regelkreise genannt werden. Als andere äquivalente Mittel können Spannungsquellen genannt werden.
Alternativ kann zwischen den Messkontakten für die Spannungsmessung und dem zu untersuchenden Objekt auch ein Strom von 0 Ampere herbeigeführt werden, indem der Strom manuell reguliert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform bei der Multispitzen-Rastersondenmikroskopie erfolgt die Bestimmung des Widerstandes nicht-invasiv.
Hierzu wird der Abstand des Messkontaktes zur Oberfläche des zu untersuchenden Objekts konstant gehalten. Dies ist insbesondere bei der rastersondenmikroskopischen Messung relevant. Bei der Multispitzen-Rastersondenmikroskopie kann eine nicht-invasive Strominjektion realisiert werden, bei der die Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom und/oder Messkontakten zur Spannungsmessung keinen direkten Kontakt zur Probe haben, sondern sich in einem Abstand befinden, der beispielsweise einem Tunnelkontakt von ca. 0,5 nm entspricht. Hierzu sind dem Fachmann verschiedene Methoden bekannt. Hierbei kann für nicht-invasive Messungen an den Messkontakten die Spannungsmessung eine Regelung für den Abstand zwischen Spitze und Probe, insbesondere beim Rastersondenmikroskop-Betrieb, zeitlich abwechselnd mit der Spannungsregelung durchführt werden. Dies kann für jeden nicht-invasiven Spannungsmesskontakt betrieben werden.
Für nicht-invasive Messungen an den Messkontakten für die Beaufschlagung mit Strom kann eine Regelung für den Abstand zwischen Spitze und Probe, insbesondere beim Rastersondenmikroskop-Betrieb, zeitlich abwechselnd mit der Strommessung der Messelektronik an den Messkontakten für die Beaufschlagung mit Strom durchführt werden. Dies kann für jeden nicht-invasiven Strominjektionskontakt betrieben werden.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der sowohl der Messkontakt für die Beaufschlagung mit Strom, als auch der Messkontakt für die Spannungsmessung nicht-invasiv betrieben werden. In einer Ausführungsform wird das Messsignal, welches in der Rastersondenmikroskopie für die Abstandsregelung zwischen Spitze und Probe verwendet wird, zeitlich abwechselnd mit der Spannungsregelung, die den Strom auf 0 Ampere regelt, zur Bestimmung der Spannung an dem Kontakt betrieben. Bei dem Abstands-Messsignal kann es sich um ein beliebiges Signal handeln, welches die Bestimmung des Abstandes der Spitze des Messkontakts von der Probe ermöglicht. Beispielsweise können es bei Verwendung eines Rasterkraftmikroskops die gemessene Kraft zwischen Spitze und Probe, oder in der dynamischen Rasterkraftmikroskopie die Frequenzverschiebung oder die Amplitude des oszillierenden Rasterkraftmikroskop-Sensors sein. Bei einem Rastertunnelmikroskop kann es der gemessene Tunnelstrom sein.
Wenn der Spitze-Probe Abstand auf Grund von Drift über den Messzeitraum nicht konstant bleibt, kann eine Regelung für den Abstand zwischen Spitze und Probe abwechselnd mit einer Strominjektion für jeden nicht-invasiven Messkontakt für die Beaufschlagung mit Strom erfolgen. Die Bestimmung des Widerstands erfolgt aus den Messgrößen nach dem Ohm 'sehen Gesetz.
Bei Messungen mit mehr als zwei Messkontakten für die Beaufschlagung mit Strom und/oder zwei Messkontakten zur Spannungsmessung ergibt sich der Widerstand der Probe unter Verwendung mathematischer Modelle, welche die Messgrößen in Verhältnis setzt und auf das Ohm'sche Gesetz zurückführt.
In einer alternativen Ausführungsform werden der Abstand zwischen Messspitze und Probe und der durch die Spitze fließende Strom zeitgleich -statt abwechselnd- gemessen. Hierzu werden zwei voneinander verschiedene Messsignale, eins zur Bestimmung des Abstands der Messspitze zur Probe und eins zur Messung des Stroms durch die Spitze, benötigt. Beispielsweise kann über ein Rasterkraftmikroskop die Kraftwechselwirkungen zwischen
Messspitze und Probe gemessen werden um den Abstand des Messkontakts zu bestimmen und zu regulieren und zeitgleich die Messung des Stroms erfolgen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die gemessenen Spannungen unabhängig von Kontaktwiderständen und Widerständen in Zuleitungen. Bei Kontaktwiderständen weniger als ~10 MOhm ist das Rauschen der Spannungsmessung nur durch das Johnson Widerstandsrauschen des Kontaktwiderstandes zwischen der Messspitze und dem zu messenden Objekt gegeben. Im Vergleich zur Verwendung eines Spannungsfolgers nach dem Stand der Technik ist hierdurch keine untere Grenze des Rauschens durch das Eigenrauschen des verwendeten Spannungsfolgers gegeben.
Für die Spannungsmessung und die Beaufschlagung mit Strom sind gleich aufgebaute mit Messelektroniken zur Messung des Stroms unter Anlegen einer Vorspannung vorteilhaft. Bei der Verwendung von gleich aufgebauten Messkontakten und/oder Messelektroniken kann ein Vertauschen der Aufgaben der Messspitzen mit der Funktion Strom Injektion oder Spannungsmessung durch eine Software ohne Schalten von Relais realisiert werden. Im Vergleich zum Stand der Technik ist die für solche Messungen notwendige Elektronik, durch Wegfallen der Schaltungen, welche in vorhergien Realisierungen die Spannungsmessung zur Aufgabe hatten, weniger aufwendig und damit weniger anfällig gegenüber Störungen, wie Rauschen. Nicht-invasive Messungen werden vereinfacht.
Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verfügung gestellt, welche im Folgenden beschrieben wird und nicht einschränkend auszulegen ist.
Erfindungsgemäß besitzt die Vorrichtung mindestens vier Messkontakte. Die maximale Anzahl der Messkontakte ist jedoch frei wählbar und ist nur durch praktische Gegebenheiten nach oberen Werten hin beschränkt. So können beispielsweise 5, 6, 7, 8, ...10,...20, 30 oder mehr Messkontakte vorhanden sein. Erfindungsgemäß sind von diesen Messkontakten mindestens zwei Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom und mindestens zwei Messkontakte zur Spannungsmessung vorgesehen.
Bei mehr als zwei Messkontakten ist die zahlenmäßige Aufteilung der Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom in Kontakte, welche Strom injizieren oder Strom ableiten frei wählbar. So kann die Aufteilung hälftig sein oder auch ein anderes Zahlenverhältnis aufweisen. So kann die Aufteilung hälftig sein oder ein anderes Zahlenverhältnis aufweisen.
Bei mehr als vier Messkontakten ist die zahlenmäßige Aufteilung der weiteren Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom und Messkontakten zur Spannungsmessung frei wählbar. So kann die Aufteilung hälftig sein oder auch ein anderes Zahlenverhältnis aufweisen. Bei den Messkontakten kann es sich um jedes Material handeln, welches je nach Anwendung vorzugsweise stabförmig ist und/oder und die Form eine Spitze oder einen sphärischen Apex aufweist, sodass ein Stromfluss ermöglicht wird. Beispielsweise kann der Messkontakt aus Metall, beispielsweise Stahl, Kupfer oder Wolfram bestehen oder aus einem Halbleiter zum Beispiel Silizium, oder dotiertem Diamant, oder anderen Arten von Kohlenstoff z. B. Kohlenstoff-Nanoröhren.
Je nach zu untersuchendem Objekt kann ein Messkontakt unterschiedlich dimensioniert sein. Für Messungen in einem Gelände oder einem großflächigen Objekt kann es sich um massive Stangen handeln, im mikroskopischen Bereich um Nadeln oder Spitzen eines Rastersondenmikroskops, also eines Rastertunnelmikroskops, eines Rasterkraftmikroskops, oder anderer Arten von Rastersondenmikroskopen.
Erfindungsgemäß befinden sich an allen Messkontakten, zur Spannungsmesskontakten Mittel zum Messen eines Stroms, an die eine Vorspannung angelegt wird, in Form einer
Messelektronik. Diese Mittel sind dem Fachmann bekannt. Beispielhaft aber nicht beschränkend können Transimpedanzwandler, die mit einer Vorspannung beaufschlagt sind genannt werden. Als alternative Mittel können Amperemeter mit Vorspannung an die Messkontakte angebracht sein. Dazu verfügt die Messelektronik über Mittel zum Anlegen einer Vorspan- nung. Dafür kommen alle bekannten Mittel zum Anlegen einer Vorspannung in Betracht.
Diese können ein einfacher Draht oder beispielhaft aber nicht beschränkend eine Schaltung sein, welche die potentiale verschieben.
Die Ausgänge der Messelektronik führen zu einem Computer, welcher die Signale verarbeitet, oder zu einer analogen, oder digitalen Mess- und Regeleinrichtung. Im Fall der Messkontakte für die Spannungsmessung ist der Ausgang der Messelektronik an einen Regelkreis angebunden, welcher sich vorzugsweise in dem Computer befindet und der den Strom so regelt, dass er am Spitze-Probe Kontakt gleich null ist.
Die technischen Ausführungen eines Regelkreises sind dem Fachmann bekannt.
Beispielhaft aber nicht beschränkend können hier Proportional- Integral- Regelkreise ge- nannt werden. Als andere äquivalente Mittel können Spannungsquellen genannt werden
Weiterhin können die Messkontakte Spitzen eines Rastersondenmikroskops sein, welche Bestandteil eines Multispitzen-Rastersondenmikroskops sein können.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Vorrichtung dann Mittel zum konstant halten des Abstands der Spitzen zur Oberfläche des zu untersuchenden Objekts. Im Folgenden werden Figuren beschrieben, in denen eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Es zeigt:
Fig. 1 : Einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Fig. 2 Einen Transimpedanzwandler mit Mitteln zum Anlegen einer Vorspannung
Fig. 3 Einen Transimpedanzwandler mit Mitteln zum Anlegen einer Vorspannung und
Regelkreis für einen Messkontakt zur Spannungsmessung
Fig. 4: Einen detaillierten schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
In Figur 1 ist eine Probe 1 dargestellt, auf welcher sich zwei Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom 2, 2a und zwei Messkontakte zur Spannungsmessung 3, 3a positioniert sind. An die Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom 2, 2a und die Messkontakte zur Spannungsmessung 3, 3a ist jeweils eine Messelektronik 4, 5, 6 und 7 angeschlossen. Diese Messelektroniken, die den Strom messen 4, 5, 6 und 7 sind mit einem Computer 8 verbunden, der die Signale auswertet. Im Fall der Messkontakte für die Spannungsmessung befinden sich im Computer für jeden Messkontakt zur Spannungsmessung 6, 7 Regelkreise 9, 9a, welche den Strom zwischen dem zu untersuchenden Objekt 1 und dem Messkontakt zur Spannungsmessung 3, 3a auf null Ampere regeln.
Figur 2 zeigt einen Transimpedanzwandler mit Vorspannung. Eine Leitung 10 ist mit dem Operationsverstärker 1 1 an dessen invertierenden Eingang„-" verbunden. Der Ausgang 12 des Operationsverstärkers 1 1 mündet in eine Leitung 13, die über einen Widerstand 14 in den Stromeingang 10 zurückführt. Aus dem Ausgang 12 des Operationsverstärkers 1 1 tritt eine weitere Leitung 15 aus. An den nicht-invertierenden Eingang„+" des Operationsverstärkers 1 1 ist eine Leitung 16 verbunden. Der Eingang 10 ist mit dem Messkontakt verbunden. Die am Messkontakt anliegende Vorspannung ist durch die an Leitung 16 angelegte Spannung gegeben. Der resultierende Strom durch den Messkontakt wird mit Hilfe des Operati- onsverstärkers 1 1 in eine zum Strom proportionale Ausgangsspannung umgewandelt, welche an der Leitung 15 abgegriffen wird. Diese wird mit einem Analog-Digital Wandler in die Software eingelesen.
In Figur 3 haben gleiche Vorrichtungsmerkmale dieselben Bezugszeichen. Zusätzlich ist der Ausgang 12 und die Leitung 15 an einen Regelkreis 9 angeschlossen, welcher an den Messkontakten zur Spannungsmessung den Strom auf null Ampere reguliert. Die Vorspannung, welche an der Leitung 16 anliegt, wird durch den Regelkreis so variiert dass die Spannung welche an Leitung 15 abgegriffen wird und somit auch der Strom durch die Leitung 10 und somit den Messkontakt, verschwindet. In diesem Fall ist die an Leitung 16 anliegende Spannung identisch mit der Spannung des zu messenden Objekts 1 an der Position des Messkontaktes für die Spannungsmessung 3, 3a, welcher an den Eingang 10 angeschlossen ist.
In Figur 4 haben gleiche Vorrichtungsmerkmale die selben Bezugszeichen, wie in den vorhe- rigen Figuren.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes eines Objekts, bei dem
mindestens vier Messkontakte mit der Oberfläche des Objekts in elektrisch leitenden Kontakt gebracht werden, wobei von diesen mindestens vier elektrisch leitfähigen Messkontakten mindestens zwei Messkontakte, Messkontakte zur Beaufschlagung mit einem Strom (2, 2a) sind und mindestens zwei Messkontakte, Messkontakt zur Spannungsmessung (3, 3a) sind, wobei in das Objekt mit mindestens einem Messkontakt zur Beaufschlagung mit einem Strom (2, 2a) ein Strom injiziert wird und von mindestens einem Messkontakt zur Beaufschlagung mit Strom ein Strom abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Objekt mit den mindestens zwei Messkontakten zur Spannungsmessung (3, 3a) jeweils eine Spannung gemessen wird, wobei an jedem Messkontakt zur Spannungsmessung eine Messelektronik angeschlossen wird, die den Strom, der durch den Kontakt zwischen dem Messkontakt zur Spannungsmessung (3, 3a) und dem Objekt fließt misst, wobei der Strom zwischen dem Messkontakt zur Spannungsmessung (3, 3a) und dem Objekt durch Anlegen einer Vorspannung an den Messkontakt (3, 3a) so geregelt wird, dass er nicht mehr fließt und damit die Vorspannung gleich der Spannung des Objekts an der Stelle des Messkontaktes zur Spanungsmessung ist. .
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messkontakte eingesetzt werden, die stabförmig sind und/oder die Form einer Spitze oder einen sphärischen Apex aufweisen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass Messkontakte aus einem Metall, Stahl, Kupfer oder Wolfram oder einem Halbleiter, Silizium, dotiertem Diamant oder Kohlenstoff-Nanoröhren eingesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass 4 bis 30 Messkontakte eingesetzt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anzahl der Messkontakte zur Beaufschlagung mit Strom (2, 2a) und die Anzahl der Messkontakte zur Spannungsmessung (3, 3a) gleich ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass Spitzen eines Rastersondenmikroskops als Messkontakte eingesetzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messung nicht-invasiv durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur nicht-invasiven Messung der Spannung an den Messkontakten zur Spannungsmessung (3, 3a) eine Regelung für den Abstand zwischen der Spitze des Rastersondenmikroskops und dem Objekt zeitlich abwechselnd mit der Spannungsregelung durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur nicht-invasiven Beaufschlagung eines Stroms an den Messkontakten zur Beaufschlagung mit Strom (2, 2a) eine Regelung für den Abstand zwischen der Spitze des Rastersondenmikroskops und dem Objekt zeitlich abwechselnd mit der Beaufschlagung mit Strom zum Zweck der Strominjektion durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand zwischen den Messkontakten zur Beaufschlagung mit Strom (2, 2a) eine Regelung für den Abstand zwischen der Spitze des Rastertunnelmikroskops und dem Objekt gleichzeitig mit der Strominjektion durchgeführt wird.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand zwischen den Messkontakten zur Spannungsmessung (3, 3a) eine Regelung für den Abstand zwischen der Spitze des Rastertunnelmikroskops und dem Objekt gleichzeitig mit der Spannungsmessung durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand zwischen dem Messkontakten zur Beaufschlagung mit Strom (2, 2a) und zur Spannungsmessung (3, 3a) zu dem Objekt gleichzeitig durch zwei verschiedene Messsignale zur Bestimmung des Abstandes der Messkontakte und zur Messung des Stroms bzw. der Messung der Spannung gemessen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand zwischen den Messkontakten und dem Objekt in der Größenordnung eines Tunnelkontaktes eingestellt wird.
14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit mindestens vier Messkontakten,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie mindestens zwei Messkontakte für eine Strominjektion (2, 2a) und zwei Messkontakte für eine Spannungsmessung (3, 3a) besitzt, welche jeweils an eine Messelektronik angeschlossen sind und dass die Messkontakte zur Spannungsmessung (3, 3a) an eine Regelung angeschlossen sind, welche den Strom auf null Ampere reguliert.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messelektronik ein Transimpedanzwandler mit Mitteln zum Anlegen einer Vorspannung oder ein Amperemeter mit Mitteln zum Anlegen einer Vorspannung ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messkontakte aus elektrisch leitfähigem Material bestehen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektrische Material eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus Metall, Kupfer, Stahl, Wolfram, Halbleiter Silizium, dotiertem Diamant und Kohlenstoff- Nanoröhren ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie zwischen 4 und 30 Messkontakten besitzt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anzahl der Messkontakte zur Strominjektion (2, 2a) und die Anzahl der Messkontakte zur Spannungsmessung (3, 3a) gleich ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messkontakte stabförmig sind und/oder die Form einer Spitze oder einen sphärischen Apex aufweisen.
21 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messkontakte Spitzen eines Rastersondenmikroskops sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie über Mittel zum konstant halten des Abstands der Spitzen des Rastersondenmikroskops von dem zu untersuchenden Objekts besitzt.
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