DE3750406T2 - Atomarer Kräftesensor mit interferometrischer Messung der Eigenschaften eines Datenträgers. - Google Patents

Atomarer Kräftesensor mit interferometrischer Messung der Eigenschaften eines Datenträgers.

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf atomare Kräftemikroskope (AKM) und im einzelnen auf einen atomaren Kräftesensorkopf zum Messen der Eigenschaften eines Datenträgers mit interferometrischen Mitteln. Voraussetzung für die Anwendbarkeit der Erfindung auf Datenträger ist, daß diese an ihrer Oberfläche einen Freiheitsgrad in ihrer Molekülstruktur oder in der Anordnung ihrer Moleküle aufweisen, davon abhängig, ob ein Datenbit gespeichert oder nicht gespeichert wird. Diese Datenträger selbst sind nicht Gegenstand dieser Erfindung.
  • Bei dem von G. Binnig in EP-A-0 223 918 vorgeschlagenen atomaren Kräftemikroskop, das von G. Binnig, C.F. Quate und Ch. Gerber in Phys. Rev. Letters, Band 56, Nr. 9, März 1986, auf den Seiten 930-933 beschrieben wurde, wird eine sehr feine, an einem federähnlichen Freiträger angebrachte Spitze verwendet, um das Profil einer zu untersuchenden Oberfläche abzutasten. Bei den hierbei verwendeten Abständen treten zwischen den Atomen am Scheitelpunkt der Spitze und den Atomen auf der Oberfläche sehr kleine Kräfte auf, was zu einem sehr geringen Ausschlag des Freiträgers führt. In dem Vorschlag von Binnig wird dieser Ausschlag mit Hilfe eines Tunnelmikroskops gemessen, das heißt, eine elektrisch leitfähige Tunnelspitze wird in Tunnelabstand an der Rückseite des Freiträgers plaziert, und die Veränderungen des Tunnelstroms dienen zur Bestimmung des Ausschlags. Da die Eigenschaften des Freiträgers bekannt sind, können die zwischen der AKM-Spitze und der zu prüfenden Oberfläche auftretenden Kräfte bestimmt werden.
  • Die zwischen einer sehr feinen Spitze und einer Oberfläche auftretenden Kräfte werden üblicherweise als van-der-Waal'sche Kräfte, kovalente Kräfte, Ionenkräfte oder Kernabstoßungs-Interaktionskräfte beschrieben. Die bei der Methode mit atomarem Abstand zwischen einzelnen Atomen auftretenden Energien, respektive am Scheitelpunkt der Spitze und auf einer Oberfläche, bewegen sich im Bereich von Eo = 0,01 . . . 10 eV = 10²² . . . 10¹&sup8; Joule. Die entsprechenden Abstände liegen im Sub-Nanometerbereich von x&sub0; = 10 . . . 1000 pm = 0,01 . . . 1 nm. Die betreffenden Kräfte (das heißt, die ersten Ableitungen der Potentialfunktion) liegen daher im Bereich von Ko = 10 pN . . . 10 nN. Die daraus resultierenden atomaren "Federkonstanten", das heißt, die zweiten Ableitungen der Potentialfunktion, liegen im Bereich von C&sub0; = 100 . . .0,01 N/m. Diese Daten lassen sich aus Oberflächenuntersuchungen und aus vielen anderen Quellen, wie zum Beispiel den Werten elastischer Konstanten, ableiten.
  • Über Experimente mit den van-der-Waal'schen Kräften wird in "Measurements of Attractive Forces Between Flat Plates" von M.J. Sparnaay, Physica XXIV (1958), Seiten 751-764, berichtet. Fig. 2 dieser Quellenangabe zeigt einen Aufbau mit einem Freiträger, der an einem Ende befestigt ist und der auf halber Länge eine Platte eines aus zwei Parallelplatten bestehenden Plattenpaares trägt. Die andere Platte des Plattenpaares ist unabhängig vom Freiträger angebracht. Das Gewicht des Trägers wird von einer Feder ausgeglichen und die Auslenkung des Trägers bei Interaktion des Plattenpaares wird bestimmt von der Veränderung eines Kondensators, dessen eine Platte an dem Freiträger angebracht ist, während die andere Platte fest ist.
  • Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung ist die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer atomaren Kräftemeßvorrichtung, bei der nicht die Tunneltechnik, sondern andere Techniken angewendet werden, während der Freiträger als Kraft-/Auslenkungsumsetzer beibehalten wird. Die Vorrichtungen gemäß der Erfindung können als atomare Kräftemikroskope verwendet werden, sie können jedoch auch einem breiteren Anwendungsbereich zugeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist demnach bestrebt, einen atomaren Kräftesensorkopf zur Messung der Eigenschaften eines Datenspeichermediums zu offenbaren, der mindestens einen an einem Ende befestigten Freiträger aufweist, und der ein Interaktionselement trägt, das zu dem genannten festen Ende einen bestimmten Abstand aufweist, und das mit der Oberfläche des genannten zu untersuchenden Speichermediums in Wechselwirkung tritt, und Mittel zum Erfassen der Auslenkung des genannten Freiträgers, wenn das genannte Interaktionselement mit der Oberfläche des genannten Speichermediums in Wechselwirkung tritt. Die genannten Erfassungsmittel sind so gestaltet, daß sie die genannte Auslenkung von der Ausgangsposition des genannten Freiträgers, ausgehend von einem Ausgangspegel dieses Werts, in eine Veränderung eines elektrischen Werts umwandeln, der kein Tunnelstrom ist. Der Sensorkopf der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Interaktionselement als eine feine Spitze ausgestaltet ist, die einen integrierten Bestandteil des genannten Freiträgers bildet, der seinerseits von einem Körper aus über ein in diesem angeordnetes Durchkontaktloch verläuft, daß der genannte Freiträger einen Metallfilm aufweist, daß das genannte Durchkontaktloch auf der dem genannten Freiträger gegenüberliegenden Seite des genannten Körpers mit einem halbtransparenten Spiegel verschlossen ist, daß ein Laser mit der Achse des genannten Durchkontaktlochs ausgerichtet ist, daß ein Strahlenteiler in einem bestimmten Winkel in dem Pfad des Laserstrahls angeordnet ist, so daß ein Teil des Lichts von dem genannten Laser auf einen Fotodetektor abgelenkt wird, wobei die Anordnung einen Fabry-P rot-lnterferometer bildet, und der Wert des Ausgangssignals von dem genannten Fotodetektor ein Maß für die Auslenkung des genannten Freiträgers ist, wenn dessen Spitze mit der Oberfläche des Speichermediums in Wechselwirkung tritt.
  • Einzelheiten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung sollen nachfolgend anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben werden, bei der es sich um einen Querschnitt durch einen als Fabry-P rot-Interferometer angeordneten mikromechanischen Sensorkopf handelt.
  • In der Technik ist bekannt, daß interferometrische Techniken die Messung von Positionsveränderungen bis unter 0,1 nm erlauben. Die erreichbare Ansprechempfindlichkeit ist vergleichbar mit kapazitiven Methoden und Tunnelmethoden und reicht für die atomare Kräftemessung aus.
  • Während optische Methoden im allgemeinen den Nachteil haben, daß kompliziertere Geräte und Ausrichtungsverfahren als bei rein elektronischen Verfahren erforderlich sind, haben sie gegenüber anderen Methoden einige wichtige Vorteile:
  • 1. Das Signal stellt eine Verschiebung dar, deren Durchschnitt über einer ziemlich großen Fläche des Freiträgers ermittelt wurde, und ist damit gegenüber einzelnen atomaren Veränderungen in der Meßzone nicht empfindlich.
  • 2. Der Lichtstrahl übt praktisch keine Kräfte auf den Freiträger aus.
  • 3. Der Lichtstrahl ermöglicht eine kontaktfreie berührungslose Messung.
  • In der Abbildung wird ein atomarer Kräftesensorkopf 1 dargestellt, der einen mikromechanischen Freiträger 2 mit einer sehr feinen Spitze 3 umfaßt. Ein Metallfilm 4, mit dem der Freiträger 2 beschichtet ist, bildet einen Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen, der im Vergleich zur Wellenlänge groß ist, zum Beispiel 50 · 300 um. Ein zweiter, halb transparenter Spiegel 5 wild auf der Rückseite des Körpers 6, an dem der Freiträger 2 angeordnet ist, montiert. Ein Durchkontaktloch 7 zwischen den Spiegeln 4 und 5 ermöglicht das Durchtreten von Licht.
  • Die beiden Parallel-Spiegel 4 und 5 bilden ein Fabry-P rot- Interferometer. Der Abstand zwischen ihnen kann durch elektrostatische Auslenkung des Freiträgers 2 angepaßt werden, wobei der Metallfilm 4 und der Körper 6 als Elektroden dienen. Zu diesem Zweck kann der Körper 6 aus einem dotierten Halbleiter bestehen. Der Freiträger 2 kann so ausgerichtet werden, daß eine maximale Verschiebungsempfindlichkeit erzielt wird (die an der Steigung der Airy'schen Funktion auftritt, welche die Reflexions-/Transmissionseigenschaften nach Fabry-P rot beschreibt).
  • Das Interferometer wird von einem Laser 8 beleuchtet, der unter dem Körper 6 angeordnet ist. Ein Strahlenteiler 9 läßt einen Teil des Lichts durch das Durchkontaktloch 7 zum Fabry-P rot-Interferometer 4/5 durchtreten. Das vom Interferometer 4/5 reflektierte Licht wird auf einen Fotodetektor 10 abgelenkt. Bei exakter Justierung zeigen sich alle Veränderungen des Abstands zwischen der Spitze 3 und der Oberfläche 11 der zu untersuchenden Probe 12, die durch auf die Spitze 2 einwirkende Kräfte verursacht werden, als eine Veränderung der reflektierten Lichtintensität.
  • Um die beste Auflösung zu erzielen, sollte das Ausführungsbeispiel des atomaren Kräftesensorkopfes, der soeben beschrieben wurde, im Vakuum betrieben werden. Sowohl der Laser als auch der Fotodetektor können im Vakuum angeordnet und in den mikromechanischen Chip integriert werden.
  • Bringt man die Spitze 3 in die Nähe der Oberfläche 11 der Probe 12, treten die am dichtesten zusammenliegenden Atome an der Spitze und an der Oberfläche miteinander in Wechselwirkung und entwickeln zwischen sich eine Kraft, die durch ihr Interaktionspotential Uint, ihren Abstand r und die Federkonstante C des Freiträgers 2 bestimmt wird. Im Gleichgewichtszustand, das heißt, wenn die Federkraft C x durch die atomare Kraft dUint/dr ausgeglichen ist, wird die Auslenkung des Freiträgers 2 durch die folgende Gleichung angegeben:
  • Uint + 1/2 C x² = Min.
  • Das dargestellte Ausführungsbeispiel kann so justiert werden, daß sich eine statische Auslenkung von x 10 . . . 100 ppm ergibt, die mit statischen Mitteln nachgewiesen werden kann. Der Freiträger 2 ist außerdem ein harmonischer Oszillator mit einer Eigenfrequenz wo. In Anwesenheit der genannten atomaren Interaktion verschiebt sich die Resonanzfrequenz des Freiträgers 2 entsprechend der folgenden Gleichung:
  • Bei diesem Term wird angenommen, daß Terme höherer Ordnung des Interaktionspotentials keinen Beitrag zur Bewegungsgleichung leisten. Die Messung der Frequenzverschiebung hat den großen Vorteil, daß die Längenmessung entfallen kann, was zu einer einfacheren Kalibrierung des Sensorkopfes führt.
  • Die Konstruktion dieses Sensorkopfes muß unter Berücksichtigung von einander entgegenstehenden Forderungen optimiert werden: Für eine hohe Sensibilität ist eine schwache Federkonstante C wünschenswert. Die maximal tolerable Amplitude der thermischen Schwingungen der Anordnung erfordert jedoch eine niedrigere Grenze. Weiter sollte C größer als das Maximum von d²Uint/dr² sein, damit keine metastabilen Gleichgewichtspositionen existieren, die einen zuverlässigen Betrieb des Sensorkopfes unmöglich machen. Dies kann bei der kurzreichweitigen kovalenten Bindungs-Interaktion, bei der zweite Ableitungen des Potentials der Größenordnung 10 . . . 100 N/m zu erwarten sind, zu einem schwerwiegenden Problem werden. Daher ist ein ziemlich starrer Freiträger wünschenswert.
  • Um eine genaue Untersuchung der schwachen Anziehungskräfte zwischen zwei Atomen, das heißt der zweiten Ableitung des Interaktionspotentials Cint = d²Uint/dr², zu ermöglichen, sollte das gezeigte Ausführungsbeispiel unter Berücksichtigung der folgenden Überlegungen dimensioniert werden:
  • Die zweite Ableitung Cint des Interaktionspotentials Uint und die gemessene Frequenzverschiebung Δω haben zueinander die folgende Beziehung:
  • Cint = 2 Ceff Δω/ω&sub0;
  • hierbei entspricht Ceff ungefähr der statischen Federkonstanten des Freiträgers 2. Die Nachweisschwelle Cmin kann als Eigenfrequenz ω&sub0;, als der Q-Faktor des Resonators, und als die Integrationszeit τ der Frequenzmessung ausgedrückt werden:
  • für Cmin wird 0,01 N/m eingesetzt; vor kurzem wurde für einen mikromechanischen Freiträger ein Q-Faktor von 1000 festgelegt; die Integrationszeit τ darf 10 ms nicht überschreiten, um eine Rastermikroskopie mit konstanter Kraft zusätzlich zu der Messung des Interaktionspotentials Uint zu ermöglichen; und die Eigenfrequenz ω&sub0; sollte etwa 27π · 10 kHz betragen, um eine adäquate Isolierung gegenüber Umgebungsschwingungen zu ermöglichen. Mit diesen Parametern erhält man Ceff = 4 N/m und eine Detektor-Empfindlichkeit von 1,25 kHz/(N/m). Mit anderen Worten, bei einem Cmin von 0,01 N/m erhält man eine Frequenzverschiebung von 12,5 Hz. Die effektive Amplitude der thermischen Schwingungen beträgt 0,016 nm bei Flüssigstickstofftemperatur und 0,03 nm bei Raumtemperatur.
  • Terme des Interaktionspotentials Uint in einer Größenordnung von über 3 lassen eine zusätzliche Frequenzverschiebung proportional zum Quadrat der Schwingungsamplitude entstehen. Diese Frequenzverschiebung verursacht eine Mehrdeutigkeit Cah des gemessenen Werts für Cint in der Größenordnung von
  • Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß Ceff = K · fR, wobei K eine Konstante nahe Eins ist, können die Maße für den Freiträger 2 für die Kraftkonstante fR und für die Resonanzfrequenz ω&sub0; aus den folgenden Gleichungen berechnet werden:
  • hierbei ist E = 7,2 · 10¹&sup0; N/m² das Elastizitätsmodul nach Young für SiO&sub2;, w, t und l stehen für Breite, Dicke beziehungsweise Länge des Freiträgers 2, und p = 2,2 · 10³ kg/m³ ist die spezifische Dichte des Freiträgermaterials. Aus den oben genannten Parametern und unter Zugrundelegung der realistischen Annahme, daß w = 8t, ergeben sich für die Abmessungen des Freiträgers für w = 115 um, für t = 14 um und für l = 1150 um.

Claims (2)

1. Atomarer Kräftesensorkopf (1) zum Messen der Eigenschaften eines Datenspeichermediums (12), mindestens einen Freiträger (2) umfassend, der an einem Ende befestigt ist, und der ein Interaktionselement (3) trägt, in einem Abstand von dem genannten festen Ende, zur Interaktion mit der Oberfläche (11) des genannten zu prüfenden Speichermediums (12), und Mittel (4 . . . 10) zum Erfassen der Auslenkung des genannten Freiträgers (2), wenn das genannte Interaktionselement (3) mit der Oberfläche (11) des genannten Speichermediums (12) in Wechselwirkung tritt, wobei die genannten Erfassungsmittel (4 . . . 10) so gestaltet sind, daß sie die Auslenkung des genannten Freiträgers (2), ausgehend von einem Ausgangswert dieses Werts, in eine Veränderung eines elektrischen Werts, der kein Tunnelstrom ist, umwandeln, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Interaktionselement als eine feine Spitze (3) ausgestaltet ist, die einen integrierten Bestandteil des genannten Freiträgers (2) bildet, der seinerseits von einem Körper (6) aus über ein darin angeordnetes Durchkontaktloch (7) verläuft, daß der genannte Freiträger (2) einen Metallfilm (4) trägt, daß das genannte Durchkontaktloch (7) auf der Seite des genannten Körpers (6) gegenüber dem genannten Freiträger (2) mit einem halbtransparenten Spiegel (5) verschlossen ist, daß ein Laser (8) mit der Achse des genannten Durchkontaktlochs (7) ausgerichtet ist, daß ein Strahlenteiler (9) in einem bestimmten Winkel in dem Pfad des Laserstrahls angeordnet ist, so daß ein Teil des Lichts von dem genannten Laser (8) auf einen Fotodetektor (10) abgelenkt wird, wobei die Anordnung einen Fabry-P rot-Interferometer bildet, und der Wert des Ausgangssignals von dem genannten Fotodetektor (10) ein Maß für die Auslenkung des genannten Freiträgers (2) ist, wenn seine Spitze (3) in Wechselwirkung mit der Oberfläche (11) des Speichermediums (12) tritt.
2. Atomarer Kräftesensorkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Freiträger (2) so konstruiert ist, daß seine Kraftkonstante fR beziehungsweise seine Resonanzfrequenz ω&sub0; den folgenden Gleichungen gehorchen:
hierbei ist E das Elastizitätsmodul nach Young; w, t und 1 sind Breite, Dicke beziehungsweise Länge des Freiträgers (2) und p ist die spezifische Dichte des Freiträgermaterials.
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