DE4412383C2 - Atomic force microscope with a scanning probe designed as a lever arm clamped on one side - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rasterkraftmikroskop mit einer Rastersonde, die als einseitig eingespannter Hebelarm ausgebildet ist und deren Auslenkung beim Ab­ tasten einer Feststoffoberfläche von einem Sensor ge­ messen wird. Aus den Druckschriften "Appl. Phys. Let­ ters, Bd. 62, 1993, S. 834-836" sowie "Jpn. J. Appl. Phys., Bd. 33, Jan. 1994, S. 334-340" sind auf Hebel­ armen von Rastersondenmikroskopen integrierte elektri­ sche Dehnungswiderstände bekannt, die zur Messung der Auslenkung des Hebelarms verwendet werden.The invention relates to an atomic force microscope with a grid probe that is clamped on one side Lever arm is formed and their deflection when Ab probing a solid surface from a sensor will measure. From the publications "Appl. Phys. Let ters, vol. 62, 1993, pp. 834-836 "and" Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 33, Jan. 1994, pp. 334-340 "are on lever arms of scanning probe microscopes integrated electri cal expansion resistances known to measure the Deflection of the lever arm can be used.

Rasterkraftmikroskope dienen zur Untersuchung von Fest­ stoffoberflächen, insbesondere zur Auflösung der Topo­ graphie einer Feststoffoberfläche bis hin zu atomarer Auflösung. Als Rastersonde zur Abtastung der Feststoff­ oberfläche weisen Rasterkraftmikroskope gewöhnlich ei­ nen einseitig eingespannten elastischen Hebelarm auf, dessen freies Ende eine Tastspitze trägt, die von den Oberflächenkräften ausgelenkt wird, die zwischen Fest­ stoffoberfläche und Tastspitze wirken. Als langreich­ weitige Kräfte zwischen Feststoffoberfläche und Tast­ spitze wirken van-der-Waalssche, magnetische oder elek­ trostatische Kräfte oder Kapillarkräfte, als kurzreich­ weitige Kräfte lassen sich von der Tastspitze bei­ spielsweise Kräfte aufgrund von Physi- und Chemiesorp­ tion oder Adhäsion erfassen, wobei elastische und pla­ stische Verformungen der Feststoffoberfläche und der Tastspitze eine entscheidene Rolle spielen. Die Abstän­ de zwischen Tastspitze und Feststoffoberfläche betragen beim Abtasten zwischen 0 und 1 µm. Atomic force microscopes are used to examine festivals fabric surfaces, especially to dissolve the topo graphic of a solid surface up to atomic Resolution. As a scanning probe for scanning the solid Atomic force microscopes usually have a surface an elastic lever arm clamped on one side, the free end of which carries a probe tip, which the Surface forces are deflected between hard fabric surface and probe tip act. As long extensive forces between the solid surface and the probe van der Waalssche, magnetic or elec- trical look great trostatic or capillary forces, as short-range Far-reaching forces can be exerted by the probe tip For example, forces due to physics and chemistry sorp tion or adhesion, whereby elastic and pla static deformations of the solid surface and the  Touch tip play a crucial role. The distances de between the probe tip and the solid surface when scanning between 0 and 1 µm.  

Für das Messen der Auslenkung des Rastersonden-Hebel­ arms beim Abtasten der Feststoffoberfläche entsprechend einer vorgegebenen Rasterbewegung, im folgenden kurz "rastern" genannt, sind bereits mehrere Meßverfahren bekannt. So werden das Elektronentunneln angewandt (vgl. G. Binning et al in Helv. Phys. Acta, Bd. 55, 1982, S. 726-735) oder die optische Interferrometrie (vgl. Y. Martin et al in J. Appl. Phys., Bd. 61, 1987, S. 4723-4729) die Laserstrahlablenkung (vgl. G. Meyer et al in Appl. Phys. Lett. Bd. 53, 1988, S. 1045-1049) oder Kapazitätsmessungen (vgl. R. Erlandsson et al in J. Vac. Sci., Technol., Bd. A6, 1988, S. 266-270) eingesetzt.For measuring the deflection of the scanning probe lever arms when scanning the solid surface accordingly a predetermined grid movement, briefly below Called "raster" are several measuring methods known. This is how electron tunneling is used (see G. Binning et al in Helv. Phys. Acta, Vol. 55, 1982, pp. 726-735) or optical interferrometry (cf. Y. Martin et al in J. Appl. Phys., Vol. 61, 1987, pp. 4723-4729) laser beam deflection (see G. Meyer et al in Appl. Phys. Lett. Vol. 53, 1988, pp. 1045-1049) or capacitance measurements (see R. Erlandsson et al in J. Vac. Sci., Technol., Vol. A6, 1988, Pp. 266-270).

Sensoren dieser Art messen die Auslenkung des Hebelarms jeweils indirekt. Die Meßwerte werden ohne Berührung des Hebelarms ermittelt, damit die durch die wirksamen Oberflächenkräfte hervorgerufenen Auslenkungen der Tastspitze nicht verfälscht werden.Sensors of this type measure the deflection of the lever arm each indirectly. The measured values are without touch of the lever arm so that the effective Surface forces caused deflections of the The tip of the probe cannot be falsified.

Solche Meßmethoden sind jedoch sehr aufwendig. Der Justierbedarf ist erheblich und es fehlt an Empfindlichkeit insbesondere dann, wenn Rasterbilder mit hoher Frequenz, z. B. Taktfrequenzen von mehr als 1 kHz abgebildet werden sollen. Bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, wie sie bei Eignung eines Rastertunnelmikroskops für den Einsatz in einer UHV- Anlage oder in einem Tieftemperaturkryostaten oder einer chemischen Reaktionskammer zu berücksichtigen sind, erweisen sich die bekannten Meßanordnungen als nicht robust genug.However, such measurement methods are very complex. Of the The need for adjustment is considerable and is lacking Sensitivity especially when raster images at high frequency, e.g. B. clock frequencies of more than 1 kHz should be mapped. With different Ambient conditions, such as the suitability of a Scanning tunnel microscope for use in a UHV Plant or in a low-temperature cryostat or a chemical reaction chamber are, the known measuring arrangements prove to be not robust enough.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zur Messung der Auslenkung eines Rastersonden-Hebelarms für ein Rasterkraftmikroskop zu schaffen, mit dem geringe Auslenkungen bei hoher Empfindlichkeit zuverlässig und in schneller Taktfolge nachweisbar sind. Der Sensor soll darüber hinaus für möglichst viele Umgebungsbe­ dingungen geeignet sein.The object of the invention is a sensor for measurement the deflection of a scanning probe lever arm for a To create atomic force microscope with the slight Deflections with high sensitivity reliable and  are detectable in a fast cycle. The sensor is also intended for as many surrounding areas conditions.

Diese Aufgabe wird bei einem Rasterkraftmikroskop der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Der Sensor ist auf dem Rastersonden-Hebelarm als elektrisches Widerstands­ element integriert, das geeignet ist, die bei der Auslenkung des Hebelarms auftretenden Dehnungen auf der Oberfläche des Hebelarms proportional durch elektri­ sche Spannungsänderungen analog zu einem Widerstands­ dehnmeßstreifen wiederzugeben. Dabei wird eine aus DE-OS 22 18 909 bekannte Widerstandsmeßanordnung benutzt, mit der mechanische Spannungen in Bauwerken durch Messung der linearen Dehnungen des Bauwerks mittels eines elektrischen Dehnungswiderstands erfaßt werden, der auf einem zweiteiligen Träger aufgebracht ist. Die Anordnung ist geeignet, den Wert der linearen Dehnung des Bauwerks zur Widerstandsmessung maßstäblich zu vergrößern. Ausgehend von dieser bekannten Meßanordnung besteht der erfindungsgemäße Sensor aus einer zwei­ teiligen Brücke, die auf der Oberfläche der Rastersonde befestigt ist, wobei zwischen den beiden Brückenteilen, die eine Lücke zwischen sich aufweisen, ein elektri­ scher Dehnungswiderstand angeordnet ist, der die Lücke überspannt. Die beiden Brückenteile sind gemäß der Erfindung freitragend und als Kragbalken nur an einem ihrer Enden auf der Oberfläche des Rastersonden-Hebel­ arms befestigt, wobei sie sich jeweils in Längsrichtung des Rastersonder-Hebelarms aufeinander zugerichtet erstrecken. Die Brückenteile sind so gefertigt, daß sie sich bei einer Relativverschiebung der Brückenteilauf­ lager in Längsrichtung starr gegenüber dem sich elastisch dehnenden elektrischen Dehnungswiderstand verhalten. This task is carried out in an atomic force microscope type mentioned by the in claim 1 specified features solved. The sensor is on the Scanning probe lever arm as electrical resistance integrated element that is suitable for the Deflection of the lever arm occurring strains on the Surface of the lever arm proportional by electri voltage changes analogous to a resistance to show strain gauges. One becomes from DE-OS 22 18 909 known resistance measuring arrangement used, with the mechanical stresses in structures Measurement of the linear strains of the structure using an electrical expansion resistance can be detected, which is applied on a two-part carrier. The Arrangement is suitable for the value of linear expansion of the structure for resistance measurement to scale enlarge. Based on this known measuring arrangement the sensor according to the invention consists of two piece bridge that is on the surface of the scanning probe is fastened, between the two bridge parts, that have a gap between them, an electri shear resistance is arranged, the gap spanned. The two bridge parts are according to the Invention unsupported and as a cantilever on only one their ends on the surface of the scanning probe lever arms attached, each extending lengthways of the grid special lever arm facing each other extend. The bridge parts are made so that they with a relative displacement of the bridge part Longitudinally rigid bearing opposite to itself elastic stretch electrical resistance behavior.  

Auch sind die Brückenteile elektrisch leitfähig und tragen die elektrischen Anschlüsse für die Widerstands­ meßleitungen.The bridge parts are also electrically conductive and carry the electrical connections for the resistors test leads.

Bei einem Hebelarm eines Rastersondenmikroskops kommt es wegen der nur minimalen Größe des Hebelarms auf das Anbringen des Widerstands erheblich an. Dehnungsmeß­ streifen, wie sie in der Druckschrift DE-OS 22 18 909 beschrieben sind, sind auf Hebelarmen von Rastersonden­ mikroskopen nicht einsetzbar. Wesentlich für die Erfin­ dung ist die anspruchsgemäße Integration der Wider­ standselemente mit lithographischen Mitteln oder durch Aufdampfen mit anschließender Unterätzung zur Ausbil­ dung der freitragenden Brückenteile, sowie das Ein­ schneiden der Brücke mit Elektronenstrahllithographie und das Auftragen des elektrischen Widerstandes durch Schrägbedampfung der Brückenteile. Darüber hinaus ist von Bedeutung, daß die freitragenden Brückenteile elek­ trisch leitfähig ausgebildet sind, damit die Wider­ standsänderungen des Dehnungswiderstandes bei diesen Abmessungen des Hebelarms überhaupt abgetastet werden können.With a lever arm of a scanning probe microscope comes it because of the minimal size of the lever arm Attaching the resistor significantly. Strain gauge strip as in DE-OS 22 18 909 are described, are on lever arms of scanning probes microscopes cannot be used. Essential for the Erfin is the sophisticated integration of the contradiction stand elements with lithographic means or by Evaporation followed by underetching for training cantilever bridge parts, as well as the on cutting the bridge using electron beam lithography and applying the electrical resistance Oblique steaming of the bridge parts. Beyond that important that the cantilever bridge parts elek are trically conductive, so that the contra changes in the level of resistance to expansion in these Dimensions of the lever arm are scanned at all can.

Die beiden gemäß der Erfindung als Kragbalken freitra­ genden Brückenteile überspannen insgesamt eine Länge L, die sich bei einer Auslenkung des Rastersonden- Hebelarms um den Betrag ΔL ändert. Um diesen Betrag ΔL verändern auch die beiden Brückteile ihren Lückenab­ stand l, so daß der elektrische Dehnungswiderstand, der die Lücke zwischen den Brückenteilen überdeckt, relativ zur Lückenlänge l um den Anteil Δ L/l gedehnt oder ver­ kürzt wird, je nach Verstärkung oder Verminderung der Krümmung des Rastersonden-Hebelarms bei seiner Auslen­ kung infolge der an der Tastspitze wirksamen Oberflä­ chenkräfte. Die relative Dehnung auf der Oberfläche des Rastersonden-Hebelarms Δ L/L wird somit für die Wider­ standsmessung im Maßstab L/l vergrößert. Verhält sich L zu l wie 10 : 1, so ist die mit dem Dehnungswiderstand gemessene Dehnung um das 10fache verstärkt, in gleicher Weise wie das aus DE-OS 22 18 909 bereits bekannt ist. Gemäß der Erfindung wird zur Einhaltung der benötigten Elastizität des Rastersonden-Hebelarms und unter Be­ rücksichtigung der gegebenen Abmessungen im µm-Bereich jeder Brückenteil ohne jegliche Unterfütterung freitra­ gend ausgebildet und zugleich als elektrischer Leiter benutzt.Freitra the two according to the invention as cantilever bridge parts span a total length L, which are caused by a deflection of the scanning probe Lever arm changes by the amount ΔL. By this amount ΔL the two bridge parts also change their gaps stood l, so that the electrical expansion resistance, the covers the gap between the bridge parts, relatively stretched or ver to the gap length l by the proportion Δ L / l is reduced, depending on the increase or decrease in the Curvature of the scanning probe lever arm when it is deflected kung due to the effective at the probe tip  forces. The relative strain on the surface of the Scanning probe lever arm Δ L / L is thus for the contra level measurement enlarged in L / l. Relationship to L to l like 10: 1, so is the one with the stretch resistance measured elongation increased by 10 times, in the same Way as is already known from DE-OS 22 18 909. According to the invention is required to comply with the Elasticity of the scanning probe lever arm and under loading taking into account the given dimensions in the µm range each bridge part freitra without any relining trained and at the same time as an electrical conductor used.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgese­ hen, auf dem Rastersonden-Hebelarm beidseitig Sensoren der vorgenannten Art aufzubringen, so daß bei jeder He­ belarmauslenkung einer der Dehnungswiderstände eine Verlängerung, der andere eine Stauchung erfährt und durch Addition der gemessenen Spannungsänderungen die Meßempfindlichkeit gesteigert wird. In a further embodiment of the invention, it is provided sensors on both sides of the scanning probe lever arm to apply the aforementioned type, so that with each He arm deflection one of the elongation resistances one Extension, the other undergoes a compression and by adding the measured voltage changes Measurement sensitivity is increased.  

Zum Eliminieren von Temperaturschwankungen beim Rastern, die auf zweifache Weise eine Auslenkung des Rastersonden-Hebelarms vortäuschen kann, nämlich einerseits durch temperaturabhängige Dehnung oder Verkürzung des Rastersonden-Hebelarms und andererseits durch eine temperaturabhängige Widerstandsänderung des jeweils verwendeten Widerstandsmaterials, ist es vorgesehen, auf dem Rastersondenhebelarm - z. B. beidseitig des Hebelarms auf seiner Ober- und Unterseite, die sich bei der Auslenkung dehnen oder verkürzen -, jeweils zusätzlich einen Sensor der vorbeschriebenen Art jedoch mit Brückenteilen anzu­ ordnen, die im Gegensatz zu den vorgenannten Sensoren in ihrer gesamten Länge fest mit dem Rastersonden- Hebelarm verbunden sind. Werden bei einer solchen Anordnung die elektrischen Widerstandsänderungen über jeweils die Länge L gemessen und alle gemessenen Spannungswerte in einer elektrischen Widerstands- Brückenschaltung addiert, erhält man von einer Temperaturänderung unabhängige Spannungsdifferenzen und somit einen temperaturunabhängigen Dehnungswert.To eliminate temperature fluctuations in the Raster, which is a deflection of the Can pretend scanning probe lever arm, namely on the one hand by temperature-dependent expansion or Shortening the scanning probe lever arm and on the other hand by a temperature-dependent change in resistance of the Resistance material used, it is provided on the grid probe lever arm - z. B. on both sides of the lever arm on its top and Underside that stretch or when deflected shorten -, one additional sensor each the type described above but with bridge parts arrange that in contrast to the aforementioned sensors the entire length of the grid probe Lever arm are connected. Be at such a Arrangement over the electrical resistance changes each measured the length L and all measured Voltage values in an electrical resistance Bridge circuit added, you get from one Temperature changes independent voltage differences and thus a temperature-independent elongation value.

Mit einer solchen Anordnung der Sensoren auf dem Rastersonden-Hebelarm werden auch Schwankungen von Kontaktspannungen oder Spannnungsabfälle eliminiert.With such an arrangement of the sensors on the Scanning probe lever arm will also fluctuate from Contact voltages or voltage drops eliminated.

Eine Sondenanordnung nur auf einer Seite des Raster­ sonden-Hebelarms vereinfacht die Herstellung und das Aufbringen der Sonden. Insbesondere werden zur Kompensation von Störeffekten zusätzlich zu einer die Auslenkung des Rastersonden-Hebelarms messenden Sonde zwei Sonden am Einspannende des Hebelarms aufgebracht, wobei eine der Sonden freitragende Brückenteile und die andere Brückenteile aufweist, die über ihrer gesamten Länge mit dem Einspannende fest verbunden sind.A probe arrangement only on one side of the grid probe lever arm simplifies production and that Application of the probes. In particular, for Compensation of interference effects in addition to the Deflection of the scanning probe lever arm-measuring probe two probes applied to the clamping end of the lever arm, one of the probes cantilevered bridge parts and the  has other bridge parts covering their entire Length are firmly connected to the clamping end.

Als Material für die Brückenteile sind neben Edel­ metallen auch resistente Materialien, wie Niob, Graphit, oder Wolframkarbid geeignet, die jeweils hohe spezifische elektrische Widerstände aufweisen. Der Dehnungswiderstand kann aus gleichem Material wie die Brückenteile oder aus einem mechanisch elastischerem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit bestehen, z. B. aus Gold.As a material for the bridge parts are next to noble metals also resistant materials such as niobium, Graphite, or tungsten carbide, each high have specific electrical resistances. Of the Elongation resistance can be made of the same material as that Bridge parts or from a mechanically more elastic Material with good electrical conductivity, e.g. B. made of gold.

Für den erfindungsgemäßen Sensor ist dessen Integration auf dem Rastersonden-Hebelarm von wesentlicher Bedeutung. Die Abstützungen und Auflager der Brücken­ teile auf dem Rastersonden-Hebelarm sowie die Be­ festigung der Dehnungswiderstände auf den freitragenden Brückenteilen werden lithografisch gefertigt oder erfolgen mittels Aufdampfen des Widerstandsmaterials, wobei die freitragende Länge der Brückenteile und die Lückenbreite zwischen den Brückenteilen durch wieder Abtragen des Brückenmaterials mittels Ätztechnik erzeugt wird.For the sensor according to the invention is its integration essential on the scanning probe lever arm Meaning. The supports and supports of the bridges parts on the scanning probe lever arm and the loading consolidation of the stretch resistance on the cantilever Bridge parts are made lithographically or by vapor deposition of the resistance material, the unsupported length of the bridge parts and the Gap between the bridge parts by again Removal of the bridge material using etching technology is produced.

Die Erfindung und weitere Ausbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:The invention and further developments of the invention are based on exemplary embodiments explained. The drawing shows in detail:

Fig. 1 Querschnitt eines Rastersonden-Hebelarms mit integriertem Sensor. Fig. 1 cross section of a scanning probe lever arm with an integrated sensor.

Fig. 2 Querschnitt eines Rastersonden-Hebelarms mit beidseits auf dem Hebelarm integrierten Sensoren zur Kompensation von Störeffekten. Fig. 2 cross section of a scanning probe lever arm with sensors integrated on both sides on the lever arm to compensate for interference effects.

Fig. 3 Querschnitt eines Rastersonden-Hebelarms während seiner Herstellung mit Schrägbedampfung. Fig. 3 cross section of a scanning probe lever arm during its manufacture with oblique vapor deposition.

Fig. 4 Querschnitt eines Rastersonden-Hebelarms nach Fig. 3 nach Fertigstellung des Sensors durch Schrägbedampfung. Fig. 4 cross section of a scanning probe lever arm according to Fig. 3 after completion of the sensor by oblique vapor deposition.

In Fig. 1 ist ein Teilschnitt eines Rastersonden- Hebelarms 1 mit auf den Hebelarm integriertem Sensor bestehend aus zwei Brückenteilen 2, 3 und einem elektrischen Dehnungswiderstand 4, der eine zwischen den Brückenteilen 2, 3 vorgesehene Lücke 5 mit einer Länge 1 überdeckt. Die Brückenteile 2, 3 sind als Kragbalken freitragend auf dem Rastersonden-Hebelarm 1 angebracht und erstrecken sich jeweils mit ihren freitragenden Enden aufeinander zugerichtet über eine Länge L in Längsrichtung des Rastersonden-Hebelarms 1 zwischen Einspannende 6 und Tastspitzenende 7 des Rastersonden-Hebelarms. Am Tastspitzenende 7 ist eine Tastspitze 8 angebracht.In Fig. 1 is a partial section of a scanning probe lever arm 1 with integrated on the lever arm sensor consisting of two bridge parts 2 , 3 and an electrical expansion resistor 4 , which covers a gap 5 provided between the bridge parts 2 , 3 with a length 1 . The bridge parts 2 , 3 are cantilevered on the scanning probe lever arm 1 and each extend with their self-supporting ends facing each other over a length L in the longitudinal direction of the scanning probe lever arm 1 between clamping end 6 and probe tip end 7 of the scanning probe lever arm. A probe tip 8 is attached to the probe tip end 7 .

Die freitragenden Brückenteile 2, 3 weisen zur Be­ festigung auf dem Rastersonden-Hebelarm 1 Auflager 9, 10 auf, die z. B. durch lithographisches Auftragen oder durch Aufdampfen des Brückenmaterials auf die Ober­ fläche des Rastersonden-Hebelarms integriert werden. Die Brückenteile 2, 3 sind mechanisch starr gegenüber dem elektrischen Dehnungswiderstand 4 ausgebildet, so daß eine Änderung der Länge L zwischen den Auflagern 9, 10 der beiden Brückenteile 2, 3 um den Betrag ΔL mit guter Nährung ausschließlich eine Längenänderung ΔL der Lückenlänge 1 und damit eine Längenänderung des Dehnungswiderstandes 4 verursacht. The cantilevered bridge parts 2 , 3 have for mounting on the scanning probe lever arm 1 support 9 , 10 , the z. B. by lithographic application or by evaporation of the bridge material on the upper surface of the scanning probe lever arm. The bridge parts 2 , 3 are mechanically rigid with respect to the electrical expansion resistance 4 , so that a change in the length L between the supports 9 , 10 of the two bridge parts 2 , 3 by the amount ΔL with good approximation only a change in length ΔL of the gap length 1 and thus caused a change in length of the elongation resistance 4 .

Die Brückenteile 2, 3 sind elektrisch leitend ausge­ bildet und tragen elektrische Anschlüsse 11, 12 zum Anschluß von Widerstandsmeßleitungen 13, 14. Die Wider­ standsmeßleitungen führen zu Auswert- und Anzeige­ geräten zur Auswertung und Anzeige des Spannungsabfalls an den elektrischen Dehnungswiderständen 4 während der Auslenkung des Rastersonden-Hebelarms.The bridge parts 2 , 3 are formed electrically conductive and carry electrical connections 11 , 12 for connecting resistance measuring lines 13 , 14th The resistance measuring leads lead to evaluation and display devices for evaluating and displaying the voltage drop across the electrical expansion resistors 4 during the deflection of the scanning probe lever arm.

In der Weise, wie sich der Rastersonden-Hebelarm 1 durch Wirkung von Oberflächenkräften zwischen Tast­ spitze 8 und einer in der Zeichnung nicht wieder­ gegebenen zu untersuchenden Probenoberfläche ausge­ lenkt, so verändert sich der Widerstandswert des Dehnungswiderstandes 4 analog zur Änderung der Länge L, die beide Brückenteile 2, 3 freitragend überspannen. Die Widerstandsänderung ist linear um den Faktor L/l gegenüber einer Widerstandsänderung vergrößert, die ein elektrischer Widerstand der Länge L bei gleicher Längenänderung ΔL erfahren würde.In the manner in which the scanning probe lever arm 1 deflects by the action of surface forces between the probe tip 8 and a sample surface that is not shown again in the drawing, the resistance value of the elongation resistance 4 changes analogously to the change in length L, both of which Bridge parts 2 , 3 cantilevered. The change in resistance is increased linearly by a factor L / l compared to a change in resistance that an electrical resistance of length L would experience with the same change in length ΔL.

In Fig. 2 ist ein Teilschnitt eines Rastersonden- Hebelarms 1A mit beidseitig auf seiner Ober- und Unterseite aufgebrachten Sensoren dargestellt. Auf jeder der Seiten besteht der Sensor aus freitragenden Brückenteilen 2a, 3a und 2b, 3b mit Lücken 5a und 5b zwischen den Brückenteilen und mit Dehnungswiderständen 4a, 4b, die die Lücken 5a, 5b zwischen den Brücken­ teilen überspannen. Die Dehnungswiderstände 4a, 4b werden bei einer Auslenkung des Rastersonden-Hebelarms 1A jeweils unterschiedlich belastet, so wird bei einer Auslenkung des Rastersonden-Hebelarms in Pfeilrichtung 15 der Dehnungswiderstand 4a gedehnt und der Dehnungs­ widerstand 4b gestaucht. Werden die Beträge der durch die Auslenkung verursachten Widerstandsänderungen der Dehnungswiderstände 4a, 4b addiert, ergibt sich eine entsprechende Steigerung der Meßempfindlichkeit für die Auslenkung des Rastersonden-Hebelarms.In FIG. 2, a partial section of a scanning probe lever arm 1 A shown with both sides coated on its top and bottom sensors. On each of the sides, the sensor consists of self-supporting bridge parts 2 a, 3 a and 2 b, 3 b with gaps 5 a and 5 b between the bridge parts and with expansion resistors 4 a, 4 b, which the gaps 5 a, 5 b between the Span bridges span. The strain resistors 4 a, 4 b 1 A respectively loaded differently at a deflection of the scanning probe lever arm, so when a deflection of the scanning probe lever arm in the direction of arrow 15 of stretch resistance 4 a is stretched and the strain resistor 4 b compressed. If the amounts of the changes in resistance of the expansion resistors 4 a, 4 b caused by the deflection are added, there is a corresponding increase in the measuring sensitivity for the deflection of the scanning probe lever arm.

Neben den vorgenannten Sensoren sind auf dem Raster­ sonden-Hebelarm 1A nach Fig. 2 zur Kompensation von Störeffekten, z. B. durch Temperaturänderungen während der Messung oder durch Schwankungen von Kontakt­ spannungen oder Spannungsabfällen beidseitig des Rastersondenhebelarms zwei weitere Sensoren aufge­ bracht, die jedoch im Gegensatz zu den bisher be­ schriebenen Sensoren (mit freitragenden Brückenteilen) Brückenteile 16a, 17a und 16b, 17b aufweisen, die über ihre gesamte Länge L mit der Oberfläche des Raster­ sonden-Hebelarms verbunden sind. Auch zwischen den Brückenteilen 16a, 17a und 16b, 17b sind jeweils Lücken 18a, 18b vorgesehen, die von Dehnungswiderständen 19a, 19b überspannt sind. Die Lücken 18a, 18b und die Dehnungswiderstände 19a, 19b entsprechen in ihren Ab­ messungen den Lücken 5a, 5b und den Dehnungswider­ ständen 4a, 4b der freitragenden Brückteile 2a, 3a bzw. 2b, 3b.In addition to the aforementioned sensors are on the grid probe lever arm 1 A according to FIG. 2 for compensation of interference effects, for. B. brought about by temperature changes during the measurement or by fluctuations in contact voltages or voltage drops on both sides of the probe arm two additional sensors, but in contrast to the previously described sensors (with cantilevered bridge parts) bridge parts 16 a, 17 a and 16 b, 17th b have, which are connected over their entire length L to the surface of the grid probe lever arm. Gaps 18 a, 18 b are also provided between the bridge parts 16 a, 17 a and 16 b, 17 b, which are spanned by expansion resistors 19 a, 19 b. The gaps 18 a, 18 b and the expansion resistors 19 a, 19 b correspond in their dimensions from the gaps 5 a, 5 b and the expansion resistances 4 a, 4 b of the cantilevered bridge parts 2 a, 3 a and 2 b, 3rd b.

Alle Brückenteile weisen Anschlüsse für Widerstandsmeß­ leitungen 13a, 13b, 13c, 13d bzw. 14a, 14b, 14c, 14d auf, die mit Spannungsmessern U1, U2, U3, U4 elektrisch leitend verbunden sind. Werden alle Brückenteile 2a, 3a; 2b, 3b, 16a, 17a; 16b, 17b elektrisch durch Reihen­ schaltung miteinander verbunden und vom gleichen Strom I durchflossen, so ergeben sich an den Spannungs­ messern U1 bis U4 Spannungsabfälle wie folgt:
All bridge parts have connections for resistance measuring lines 13 a, 13 b, 13 c, 13 d and 14 a, 14 b, 14 c, 14 d, which are electrically conductively connected to voltmeters U1, U2, U3, U4. Are all bridge parts 2 a, 3 a; 2 b, 3 b, 16 a, 17 a; 16 b, 17 b electrically connected to one another by a series circuit and through which the same current I flows, voltage drops occur at the voltage meters U1 to U4 as follows:

U₁ = I R₁ [(1 + k(L/l) + k(L/i(α_S - α_B) δT + β ßT] (1)
U₂ = I R₂ [1 + k (α_S - α_B) + β δT] (2)
U₃ = I R₃ [(1 - k(L/l) + k(L/l) (α_S - αB) δT + β δ_T] (3)
U₄ = I R₄ [(1 - k + k(L/l) (α_S - α_B) δT + β δ_T] (4)
U ₁ = IR ₁ [(1 + k (L / l) + k (L / i (α _S - α _B ) δT + β ßT] (1)
U ₂ = IR ₂ [1 + k (α _S - α _B) + β δT] (2)
U ₃ = IR ₃ [(1 - k (L / l) + k (L / l) (α _S - αB) δT + β δ _T ] (3)
U ₄ = IR ₄ [(1 - k + k (L / l) (α _S - α _B ) δT + β δ _T ] (4)

mit
∈ = Dehnung bzw. Stauchung auf der Ober- bzw. Unterseite des Rastersonden-Hebelarms 1A aufgrund einer Auslenkung des Hebelarms;
α_S = linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Materials des Rastersonden-Hebelarms;
α_B = linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Materials der Brückenteile;
β = Temperaturkoeffizient der Brückenteile.With
∈ = expansion or compression on the top or bottom of the scanning probe lever arm 1 A due to a deflection of the lever arm;
α _S = linear coefficient of thermal expansion of the material of the scanning probe lever arm;
α _B = linear coefficient of thermal expansion of the material of the bridge parts;
β = temperature coefficient of the bridge parts.

Nach Bestimmung der elektrischen Spannungswerte IR₁ bis IR₄ im ungedehnten Zustand des Rastersonden-Hebelarms bei einer vorgegebenen Referenztemperatur und Benutzung dieser Werte als Bezugsgrößen zur Normierung der gemessenen Spannungsabfälle ergeben sich als normierte Spannungsdifferenzen:
After determining the electrical voltage values IR ₁ to IR ₄ in the unstretched state of the scanning probe lever arm at a predetermined reference temperature and using these values as reference values for normalizing the measured voltage drops, the following result as standardized voltage differences:

^u12 = U₁ /I R₁ - U₂/I R₂, (5)
^u34 = U₃ /I R₃ - U₄/I R₄. (6) ^u 12 = U ₁ / IR ₁ - U ₂ / IR ₂ , (5)
^u 34 = U ₃ / IR ₃ - U ₄ / IR ₄ . (6)

Durch nochmalige Differenzbildung wird schließlich der durch Temperaturänderungen bedingte Dehnungswert eliminiert und man erhält:
By forming the difference again, the elongation value caused by temperature changes is finally eliminated and one obtains:

^u1234 = ^u12 - ^u34 = 2 k (L/l - 1)∈, (7)
^u 1234 = ^u 12 - ^u 34 = 2 k (L / l - 1) ∈, (7)

wobei vorausgesetzt wird, daß die Verstärkungsfaktoren L/l für alle Sensoren mit freitragenden Brückenteilen beidseits des Rastersonden-Hebelarms exakt gleich groß sind.assuming that the gain factors L / l for all sensors with self-supporting bridge parts exactly the same size on both sides of the scanning probe lever arm are.

Wird jedoch realistischer Weise davon ausgegangen, daß die Verstärkungsfaktoren v = L/l unterschiedlich groß sind, so wird das Verhältnis zwischen beiden Verstär­ kungsfaktoren v₁₂ bzw. v₃₄ durch Messen von u₁₂ und u₃₂ bei zwei unterschiedlichen Temperaturen ermittelt und dementsprechend die Differenz
However, if it is realistically assumed that the amplification factors v = L / l are of different sizes, the ratio between the two amplification factors v ₁₂ and v _{34 is} determined by measuring u ₁₂ and u ₃₂ at two different temperatures and, accordingly, the difference

Δu = u₁₂/v₁₂ - u₃₄/v₃₄ (8)
Δu = u ₁₂ / v ₁₂ - u ₃₄ / v ₃₄ (8)

gebildet, die dann trotz unterschiedlicher Verstär­ kungsfaktoren temperaturunabhängig ist und nur noch von der Auslenkung des Rastersonden-Hebelarms 1A abhängt.formed, which is then temperature-independent despite different amplification factors and only depends on the deflection of the scanning probe lever arm 1 A.

In gleicher Weise lassen sich auch Kontaktspannungs­ störungen oder Störungen durch Spannungsabfälle, soweit sie lineare Störungsänderungen hervorrufen, durch Differenzbildung eliminieren.Contact voltage can also be applied in the same way disturbances or disturbances due to voltage drops, as far as they cause linear disturbance changes through Eliminate difference formation.

Der Herstellung von Sensoren auf einem Rastersonden- Hebelarm vereinfacht sich, wenn die Sensoren nur auf einer Seite des Hebelarms aufgebracht werden. Eine Kompensation von Störungen bei der Messung der Aus­ lenkung mit einem Sensor mit freitragenden Brücken­ teilen wird dann dadurch erreicht, daß auf dem Ein­ spannende des Rastersonden-Hebelarms ein weiterer Sensor mit freitragenden Brückenteilen und ein Sensor mit nicht freitragenden, auf dem Hebelarm befestigten Brückenteilen aufgebracht ist. Die Meßempfindlich ist allerdings dann gegenüber einem in Fig. 2 dargestellten Rastensonden-Hebelarm wieder halbiert und auf die Meß­ empfindlichkeit eines in Fig. 1 dargestellten Sensors zurückgeführt. Die vorbeschriebene Variante der Anordnung von Sensoren auf dem Einspannende des Rastersonden-Hebelarms ist in der Zeichnung nicht dargestellt.The production of sensors on a scanning probe lever arm is simplified if the sensors are only applied to one side of the lever arm. A compensation of disturbances in the measurement of the steering from a sensor with cantilever bridges is then achieved in that an exciting sensor of the scanning probe lever arm another sensor with cantilever bridge parts and a sensor with non-cantilevered bridge parts attached to the lever arm is. The measurement sensitivity is then halved compared to a locking probe lever arm shown in Fig. 2 and attributed to the measurement sensitivity of a sensor shown in Fig. 1. The above-described variant of the arrangement of sensors on the clamping end of the scanning probe lever arm is not shown in the drawing.

Im Ausführungsbeispiel bestehen die Brückenteile und die Dehnungswiderstände aus Gold, wobei die Abmessungen der Dehnungswiderstände so dimensioniert sind, daß sich die Brückenteile bei einer Auslenkung des Rastersonden- Hebelarms starr gegenüber den Dehnungswiderständen verhalten. Das Brückenmaterial muß allerdings nicht aus dem gleichen gutleitenden Material wie die Dehnungs­ widerstände bestehen. Vielmehr sind auch resistente Materialen wie Niob, Graphit oder Wolframkarbid für die Brückenteile geeignet, die größere spezifische elektrische Widerstände aufweisen und mit denen sich somit größere Spannungsabfälle bei Änderung des Widerstands der Dehnungswiderstände erreichen lassen.In the exemplary embodiment, the bridge parts and the stretch resistors made of gold, the dimensions the expansion resistances are dimensioned so that the bridge parts when the scanning probe deflection Lever arm rigid with the expansion resistances behavior. However, the bridge material does not have to be made the same highly conductive material as the stretch resistance exists. Rather, they are also resistant Materials such as niobium, graphite or tungsten carbide for the Bridge parts suitable, the larger specific have electrical resistances and with which thus larger voltage drops when changing the Let the resistance of the expansion resistances reach.

Die Sensoren lassen sich mit lithografischen Mitteln oder durch Aufdampfen und anschließendem Ätzen auf einem Rastersonden-Hebelarm aufbringen. Die einzelnen Prozeßschritte sind für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4:The sensors can be applied to a scanning probe lever arm using lithographic means or by vapor deposition and subsequent etching. The individual process steps for the exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4 are:

• 1. Herstellung einer elektrisch leitfähigen Schicht 20 auf dem Rastersonden-Hebelarm 1B mit optischer Lithographie und mit Lift-off-Verfahren,1. Production of an electrically conductive layer 20 on the scanning probe lever arm 1 B using optical lithography and using the lift-off method,
• 2. Elektronenstrahl-Lithographie und Ionenstrahl­ ätzung für die Erzeugung einer Lücke 5c in der leitfähigen Schicht 20,2. electron beam lithography and ion beam etching for the generation of a gap 5 c in the conductive layer 20 ,
• 3. Elektronenstrahl-Lithographie zur Erzeugung einer Arbeitsmaske 21 für eine anschließende Schrägbedampfung 22, bei der sich ein Dehnungs­ widerstand 4c bildet,3. electron beam lithography for producing a work mask 21 for a subsequent oblique vapor deposition 22 , in which an expansion resistance 4 c is formed,
• 4. naßchemisches Unterätzen der leitfähigen Schicht 20 über eine Länge L zur Ausbildung der beiden frei­ tragenden Brückenteile 2c, 3c.4. wet chemical undercutting of the conductive layer 20 over a length L to form the two cantilever bridge parts 2 c, 3 c.

Alle vorgenannten Verfahrensschritte sind laborerprobt und führen auf die in Fig. 3 und 4 skizzierten Strukturen, wobei sich durch die Schrägbedampfung zur Ausbildung des Dehnungswiderstands 4c eine nasenförmige Materialverstärkung 23 an der Lücke 4c zwischen beiden Brückenteilen 2c, 3c bildet.3 and 4 lead to the structures sketched in FIGS . 3 and 4, whereby the oblique vapor deposition to form the expansion resistance 4 c forms a nose-shaped material reinforcement 23 at the gap 4 c between the two bridge parts 2 c, 3 c.

BezugszeichenlisteReference list

Rastensonden-HebelarmDetent probe lever arm

11

, ,

11

A, A,

11

B
Freitragende BrückenteileB
Unsupported bridge parts

22nd

, ,

33rd

; ;

22nd

a, a,

33rd

a; a;

22nd

b, b,

33rd

b; b;

22nd

c, c,

33rd

c
Dehnungswiderstandc
Stretch resistance

44th

, ,

44th

a, a,

44th

b, b,

44th

c
Lückec
gap

55

, ,

55

a, a,

55

b, b,

55

c
Einspannendec
Exciting

66

TastspitzenendeTip end

77

TastspitzeProbe tip

88th

AuflagerIn stock

99

, ,

1010th

Elekt. AnschlußElect. Connection

1111

, ,

1212th

WiderstandmeßleitungResistance measuring line

1313

, ,

1414

; ;

1313

a bis a to

1414

b
Pfeilrichtungb
Arrow direction

1515

Aufliegende BrückenteileOverlying bridge parts

1616

a, a,

1717th

a, a,

1616

b, b,

1717th

b
Lücke, Spalt,b
Gap, gap,

1818th

a, a,

1818th

b
Dehnungswiderstandb
Stretch resistance

1919th

a, a,

1919th

b
Leitfähige Schichtb
Conductive layer

2020th

ArbeitsmaskeWork mask

2121

SchrägbedampfungInclined steaming

2222

MaterialverstärkungMaterial reinforcement

2323

LängeL
LängenänderungΔL
Lückenlängel
SpannungsmesserU₁ Length L.
Length change ΔL
Gap length
Tension meter U ₁

bis U₄
to U ₄

StromI
Verstärkungsfaktorv = L/l
StromI
Gain factor v = L / l

Claims (4)

1. Rasterkraftmikroskop mit einer Rastersonde, die als einseitig eingespannter Hebelarm ausgebildet ist und deren Auslenkung beim Abtasten einer Feststoff­ oberfläche von einem auf dem Hebelarm befestigten Sensor gemessen wird, der als elektrischer Deh­ nungswiderstand ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (2, 3, 4) aus einer elektrisch leitfähigen zweiteiligen Brücke (2, 3) besteht, die auf dem Rastersonden-Hebelarm (1) lithografisch oder durch Aufdampfen aufgebracht ist und durch Unterätzen eine freitragende Länge (L) erhält, wobei zwischen den beiden Brückenteilen (2, 3) mittels Elektronenstrahl-Lithographie und Ionen­ strahlätzung eine Lücke (5) ausgebildet ist, so daß die Brückenteile (2, 3) freitragend als Kragbalken nur an einem ihrer Enden von Auflagern (9, 10) auf dem Rastersonden-Hebelarm (1) gehalten sind, daß die Lücke (5) von dem elektrischen Dehnungswider­ stand (4) überspannt ist, der durch Schrägbe­ dampfung auf den Brückenteilen (2, 3) aufgetragen ist und sich bei einer Relativverschiebung der Auflager (9, 10) gegenüber den starren Brücken­ teilen (2, 3) elastisch dehnt, und daß die Brücken­ teile (2, 3) elektrische Anschlüsse (11, 12) für Widerstandsmeßleitungen (13, 14) tragen. 1. Atomic force microscope with a scanning probe, which is designed as a lever arm clamped on one side and whose deflection when scanning a solid surface is measured by a sensor attached to the lever arm, which is designed as an electrical expansion resistance, characterized in that the sensor ( 2 , 3rd , 4 ) consists of an electrically conductive two-part bridge ( 2 , 3 ), which is applied to the scanning probe lever arm ( 1 ) lithographically or by vapor deposition and is given a cantilevered length (L) by undercutting, with the two bridge parts ( 2 , 3 ) by means of electron beam lithography and ion beam etching, a gap ( 5 ) is formed so that the bridge parts ( 2 , 3 ) are cantilevered as cantilevers only on one of their ends by supports ( 9 , 10 ) on the scanning probe lever arm ( 1 ) are that the gap ( 5 ) of the electrical resistance to expansion ( 4 ) is spanned, the attenuation by Schrägbe on de n bridge parts ( 2 , 3 ) is applied and when the supports ( 9 , 10 ) move relative to the rigid bridges ( 2 , 3 ) elastically expands, and that the bridges parts ( 2 , 3 ) have electrical connections ( 11 , 12 ) for resistance test leads ( 13 , 14 ). 2. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rastersonden-Hebelarm (1A) beidseitig Sensoren (2a; 3a; 2b, 3b; 4a, 4b) aufgebracht sind. 2. atomic force microscope according to claim 1, characterized in that on the scanning probe lever arm ( 1 A) on both sides sensors ( 2 a; 3 a; 2 b, 3 b; 4 a, 4 b) are applied. 3. Rasterkraftmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Rastersonden-Hebelarm (1A) neben einem Sensor mit freitragenden Brückenteilen (2a, 3a; 2b, 3b) ein Sensor mit Brückenteilen (16a, 17a; 16b, 17b) angeordnet ist, die über ihrer gesamten Länge mit dem Rastersonden-Hebel­ arm (1A) fest verbunden sind.3. atomic force microscope according to claim 1 or 2, characterized in that on the scanning probe lever arm ( 1 A) in addition to a sensor with cantilevered bridge parts ( 2 a, 3 a; 2 b, 3 b), a sensor with bridge parts ( 16 a, 17th a; 16 b, 17 b) is arranged, which are firmly connected over their entire length with the scanning probe lever arm ( 1 A). 4. Rasterkraftmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenteile (2, 3) aus Niob, Graphit- oder Wolframkarbid bestehen.4. atomic force microscope according to any one of the preceding claims, characterized in that the bridge parts ( 2 , 3 ) consist of niobium, graphite or tungsten carbide.