DE69017817T2

DE69017817T2 - Raster-Tunnel-Mikroskop.

Info

Publication number: DE69017817T2
Application number: DE69017817T
Authority: DE
Inventors: Shuzo Hachioji-Shi Tokyo Mishima; Hirofumi 2544 Ishikawa-Machi Hachioji-Shi Tokyo Miyamoto; Hiroko Hachioji-Shi Tokyo Ohta; Takao Hachioji-Shi Tokyo Okada; Tsugiko Hachioji-Shi Tokyo Takase
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-10-02
Filing date: 1990-10-02
Publication date: 1995-11-16
Anticipated expiration: 2010-10-03
Also published as: EP0421354B1; JPH03205502A; JP2821005B2; EP0421354A2; EP0421354A3; US5083022A; DE69017817D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Tunnel-Rastermikroskop und insbesondere ein Tunnel- Rastermikroskop, das ein optisches Beobachtungssystem zum optischen Beobachten eines Objekts aufweist.
Ein Tunnel-Rastermikroskop (STM) wurde von Binnig et al. 1982 im U.S. Patent Nr. 4,343,993 vorgeschlagen. Eine scharf zugespitzte Sonde wird der Oberfläche eines Objekts angenähert und eine Vorspannung wird zwischen der Sonde und dem Objekt angelegt. Als Folge fließt zwischen der Sonde und dem Objekt ein Tunnelstrom. Es ist bekannt, daß sich der Tunnelstrom um ungefähr eine Größenordnung ändert, wenn sich die Distanz zwischen der Sonde und dem Objekt um ungefähr ein Angström ändert. Das STM verwendet die Eigenschaft des Tunnelstroms, wodurch es die Oberflächenstruktur des Objekts in einer Atomhöhe mißt. Zum Beispiel wird die Sonde quer über die Oberfläche des Objekts gerastert, während die Distanz zwischen dem Objekt und der Probe mittels eines piezoelektrischen Elements servogesteuert wird, um den Wert des Tunnelstroms konstant zu halten. Die Spannung eines Servosteuersignals wird aufgezeichnet, um ein Bild zu erzielen, das die Oberflächenstruktur des Objekts in einer Angströmhöhe widerspiegelt.
Die Auflösung des STM ist sehr hoch. Somit ist das STM nicht für eine Objektbeobachtung mit niedriger Vergrößerung, die einen Beobachtungsbereich auswählt, geeignet. Aufgrund dieser Situation ist ein STM vorgeschlagen worden, in welchem ein optisches Mikroskop eingebaut ist (hier im weiteren Verlauf als "STM mit eingebautem optischen Mikroskop" bezeichnet). Dieser Typ eines STM beinhaltet ein optisches Beobachtungssystem, das in der Lage ist, die Oberfläche des Objekts gleichzeitig zu der STM-Messung zu beobachten. Ein solches STM mit eingebautem optischen Mikroskop ist aus der EP-A-0 331 148 bekannt.
In einem solchen STM mit eingebautem optischen Mikroskop befindet sich eine Sonde, die von einem optisch transparenten Haltebauelement gehalten wird, zwischen einer Objektivlinse und einem Objekt. In dem STM mit eingebautem optischen Mikroskop wird vor der STM-Objektbeobachtung eine optische Objektbeobachtung durchgeführt. Eine Zielstelle für eine STM-Beobachtung (die eine Sonde verwendet) wird in der Gestalt des Schattens der Sonde innerhalb eines Sichtfelds des optischen Mikroskops erkannt. Der Schatten der Sonde unterbricht die optische Beobachtung. Außerdem kann die Spitze der Sonde infolge der Unebenheit der Oberfläche des Objekts das Objekt berühren und die Sonde kann beschädigt werden, wenn die Oberfläche des Objekts in dem Zustand optisch beobachtet wird, in dem der Fokuspunkt des optischen Mikroskops nahe der Spitze der Sonde ist.
Ein anderes Problem des STM besteht in der Elektrode, die einem Objekt eine elektrische Leistung zuführt. In dem STM muß eine Elektrode auf dem Objekt vorgesehen sein, um eine Vorspannung über das Objekt und die Sonde anzulegen und um einen Tunnelstrom, der über das Objekt und die Sonde fließt, zu erfassen. Die Elektrode muß jedesmal, wenn das Objekt geändert wird, ausgetauscht werden. Um den Austauschschritt wegzulassen, ist herkömmlicherweise ein Objekt, auf dem das Objekt plaziert wird, als eine Elektrode verwendet worden, wodurch eine Vorspannung durch den Objekttisch angelegt wird. Jedoch ist der Einfluß aufgrund eines externen elektromagnetischen Rauschens gefährlich, da die Fläche des Objekttisches (oder der Elektrode) groß ist, und ein Erfassungswert eines Tunnelstroms wird von dem Rauschen nachteilig beeinflußt. Als Ergebnis ist es schwierig, ein exaktes STM-Bild zu erzielen, das die Oberfläche des Objekts widerspiegelt.
Ein weiteres Problem des STM ist das Ableiten eines Stroms zu einer Sonde. Es ist übliche Praxis, daß die Sonde des STM von einem piezoelektrischen Ansteuerelement angesteuert wird. Da eine Hochspannung an die Ansteuerelektrode des piezoelektrischen Ansteuerelements angelegt wird, wird ein Strom aus der Ansteuerelektrode zu der Sonde abgeleitet. Somit ist eine Rauschkomponente in dem erfaßten Tunnelstrom enthalten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Tunnel-Rastermikroskop zu schaffen, bei dem ein optisches Beobachtungsbild eines Objekts, welches frei von dem Schatten einer Sonde ist, erzielt werden kann, und bei dem keine Möglichkeit besteht, daß die Sonde beschädigt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Tunnel-Rastermikroskop zu schaffen, das in der Lage ist, ein rauschfreies STM-Bild zu erzielen.
Das Tunnel-Rastermikroskop der Erfindung weist ein optisches System, das eine Objektivlinse zum optischen Beobachten der Oberfläche des Objekts beinhaltet, eine erste Grobbewegungseinrichtung zum Halten der Objektivlinse und Bewegen der Objektivlinse entlang der optischen Achse des optischen Systems, eine Sondeneinheit, die eine Sonde zum Erfassen eines Tunnelstroms, ein optisch transparentes Bauelement zum Halten der Sonde entlang der optischen Achse und einen piezoelektrischen Ansteuerkörper aufweist, der die Sonde veranlaßt, die Oberfläche des Objekts abzutasten, und eine zweite Grobbewegungseinrichtung zum Halten der Sondeneinheit und Bewegen der Sondeneinheit entlang der optischen Achse auf.
Diese Erfindung kann aus der folgenden detaillierten Beschreibung besser verstanden werden, wenn diese in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung durchgeführt wird, in welcher:
Fig. 1 die Gesamtstruktur eines Tunnel-Rastermikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Struktur eines in Fig. 1 gezeigten Objekttischs zeigt;
Fig. 3 eine teilweise Schnittansicht zeigt, die den Bewegungsmechanismus zum Bewegen einer in Fig. 1 gezeigten Sondeneinheit darstellt;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht zeigt, die eine Sondeneinheit und einen Sondeneinheit-Haltebereich darstellt;
Fig. 5 einen Mechanismus zum Positionieren der Sondeneinheit zeigt;
die Figuren 6A und 6B einen Mechanismus zum Halten einer Objektivlinse darstellen;
die Figuren 7A bis 7F das Verfahren eines Bewegens der Sonde zu der Position der Achse eines optischen Objektbeobachtungssystems darstellen;
Fig. 8 eine Alternative zu dem in Fig. 3 gezeigten Bewegungsmechanismus darstellt;
Fig. 9 eine Bewegungssteuerschaltung für die Z- Richtung des optischen Beobachtungssystems zeigt;
Fig. 10 eine Tunnelstrom-Erfassungsschaltung zeigt;
Fig. 11 eine Anfangsspannungs-Erfassungsschaltung zeigt;
Fig. 12 eine Z-Steuerschaltung zeigt;
die Figuren 13A und 13B, 14A und 14B und 15A und 15B das Verfahren eines automatischen Fokussierens in dem optischen Beobachtungssystem darstellen;
die Figuren 16A und 16B und 17A und 17B das Verfahren eines automatischen Annäherns des optischen Beobachtungssystems darstellen;
Fig. 18 ein Flußdiagramm zum Erläutern der Funktionsweise des automatischen Fokussierens des optischen Beobachtungssystems zeigt;
Fig. 19 ein Flußdiagramm zum Erläutern der Funktionsweise des automatischen Annäherns des optischen Beobachtungssystems zeigt;
Fig. 20 eine Alternative zu einer zum Beispiel in Fig. 4 gezeigten Sondeneinheit darstellt; und
Fig. 21 eine Vorrichtung zum Anbringen des Sondenhalters an der Sondeneinheit in Fig. 20 zeigt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Gesamtstruktur eines Tunnel-Rastermikroskops (STM) gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Das STM weist hauptsächlich ein Halterungssystem 1 zum Befestigen und Bewegen eines Objekts, ein Objektbeobachtungssystem 2 zum optischen Beobachten des Objekts oder zum Beobachten des Objekts mittels des STM auf. Als erstes wird nun das Halterungssystem 1 beschrieben.
Das STM ist mit einer XY-Halterung 12 versehen, die ein Objekt in einer XY-Ebene bewegt. Die XY-Halterung 12 weist einen Basistisch 14 auf, der auf einem Bodenabschnitt des Körpers befestigt ist. Eine die X- Position einstellende Gleitplatte 16, welche in einer Richtung verschiebbar ist, die vertikal zu der Fläche von Fig. 1 (hier im weiteren Verlauf als die "X-Richtung" bezeichnet) ist, ist auf dem Basistisch 14 angeordnet. Die Gleitplatte 16 wird in Übereinstimmung mit der Drehung einer Bedien-Einstellscheibe 18 für die X- Richtung in der X-Richtung bewegt. Eine die Y-Position einstellende Gleitplatte 20, befindet sich auf der die X-Position einstellenden Gleitplatte 20, so daß die die Y-Position einstellende Gleitplatte 20 in einer Richtung von links nach rechts oder von rechts nach links auf der Fläche in Fig. 1 (hier im weiteren Verlauf als die "Y-Richtung" bezeichnet) bewegbar ist. Die die X- Position einstellende Gleitplatte 16 weist auf ihrer Seitenfläche einen Motor 22 zum Bewegen der die Y-Position einstellenden Gleitplatte 20 auf. Der Motor 22 ist mit einer Bedien-Einstellscheibe 24 für die Y-Richtung zur Feinbewegung versehen. Die die Y-Position einstellende Gleitplatte 20 wird mittels einer Betätigungsstange 26 in Übereinstimmung mit der Drehung der Bedien-Einstellscheibe 24 oder des Motors 22 in der Y- Richtung bewegt. Die Betätigungsstange 26 wird mittels einer Vorschubspindel vorgeschoben oder zurückgezogen.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittansicht, die die Struktur des in Fig. 1 gezeigten Objekttischs darstellt. Ein Objekttisch 28, der aus einem elektrisch leitenden Metall hergestellt ist, ist auf der die Y-Position einstellenden Gleitplatte 20 befestigt. Ein Vorverstärker 30 ist innerhalb des Objekttischs 28 angeordnet. Eine Objekthalterung 32, die aus einem Isolationsmaterial hergestellt ist, ist auf dem Objekttisch 28 befestigt. Ein Objekt 34 ist auf der Objekthalterung 32 plaziert. Das Objekt 34 wird zwischen der Objekthalterung 32 und einem elektrisch leitenden Halter 36 beidseitig umfaßt. Der Halter 36 ist an einem oberen Endabschnitt eines Befestigungsbauelements 38, das aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist, angebracht. Das Befestigungsbauelement 38 ist an dem Objekttisch 28 befestigt, wobei sich ein Isolator 40 dazwischen befindet. Ein unterer Endabschnitt des Befestigungsbauelements 38 ist elektrisch an den Vorverstärker innerhalb des Objekttischs 28 mittels eines Leiterdrahts 42 angeschlossen.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 3 wird nun die Struktur des Objektbeobachtungssystems 2 beschrieben. Das STM gemäß diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Befestigungsbauelement 44 für das optische System, welches mittels einer Linearführung (nicht gezeigt) in der vertikalen Richtung (Z-Richtung) relativ zu einem Ständer 41 bewegt werden kann. Der Ständer 41 steht auf dem Bodenabschnitt des STM-Körpers. Das Befestigungsbauelement 44 für das optische System wird in Übereinstimmung mit der Drehung eines Motors 46, der an einem oberen Teil des STM-Körpers angebracht ist, oder einer Bedien-Einstellscheibe 47, die auf dem Motor 46 vorgesehen ist, vertikal bewegt. Ein Objektivtubus 48 ist vertikal auf. dem Befestigungsbauelement 44 für das optische System befestigt. Ein oberer Teil des Objektivtubusses 48 ist mit einem optischen Objektbeobachtungssystem 55 versehen, das ein Okular 50 des optischen Mikroskops und einen Videokamera-Befestigungszylinder 52 aufweist. Ein vertikal bewegliches Sondeneinheit-Befestigungsbauelement 54 befindet sich unterhalb des Befestigungsbauelements 44 für das optische System. Das Sondeneinheit-Befestigungsbauelement 54 ist mittels einer Linearführung (nicht gezeigt) relativ zu dem Befestigungsbauelement 44 für das optische System vertikal (Z-Richtung) beweglich. Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist das Sondeneinheit-Befestigungsbauelement 54 mittels einer Meßschraube 56, die an einem oberen Endabschnitt des Befestigungsbauelements 54 angebracht ist, in der Z-Richtung positioniert. Eine Feder 62 ist an beiden Enden an Haltestiften 58 und 60, die an dem Sondeneinheit-Haltebauelement 54 bzw. dem Befestigungsbauelement 44 für das optische System angebracht sind, befestigt. Die Feder 62 ermöglicht es, daß das Sondeneinheit-Befestigungsbauelement 54 reibungslos bewegt wird.
Eine Sondeneinheit 68 und ein Sondeneinheit-Haltemechanismus werden nun unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 beschrieben. Das Sondeneinheit-Haltebauelement 54 weist eine kreisförmige Öffnung 66 und einen ringförmigen Vorsprung 64 an seinem unteren Teil auf. Die Sondeneinheit 68 weist ein ringförmiges Haltebauelement 72 und eine zylindrische piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 74 auf, die einen oberen Endabschnitt aufweist, der an dem ringförmigen Haltebauelement 72 befestigt ist. Eine Sondenhalter 76 oder eine optisch transparente Platte, wie zum Beispiel eine Glasabdeckplatte, ist an dem unteren Ende der Betätigungsvorrichtung 74 vorgesehen. Eine Sonde 78 ist auf einem Mittenabschnitt des Sondenhalters 76 aufgestellt. Das ringförmige Befestigungsbauelement 72 befindet sich innerhalb des Raums, der von der Öffnung 66 des Sondeneinheit-Befestigungselements 54 und Schrauben 80, wodurch die Sondeneinheit 68 gehalten wird, definiert ist. Das ringförmige Befestigungsbauelement 72 der Sondeneinheit 68 wird mittels der zwei Schrauben 80 und einem Stift 84 in drei Richtungen gedrückt. Der Stift 84 wird von einer Feder 82 beweglich gehalten. Mittels des Einstellens der Schrauben 80 wird die Sonde 78 mit der optischen Achse (nicht gezeigt) des optischen Objektbeobachtungssystems 55 ausgerichtet.
Eine Objektivlinse 86, deren unterer Teil von dem optischen Befestigungsbauelement 44 gehalten wird, befindet sich innerhalb der zylindrischen piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74 der Sondeneinheit 68. In den Figuren 6A und 6B ist die Objektivlinse 86 in ein Befestigungsbauelement 88 geschraubt, das einen Flanschabschnitt an seinem oberen Endabschnitt aufweist. Das Haltebauelement 88 wird in der Öffnung gehalten, die von dem Befestigungsbauelement 44 für das optische System und einem ringförmigen Vorsprung 44a, der an einem unteren Endabschnitt des Befestigungsbauelements 44 vorgesehen ist, definiert ist. Eine Schraubenfeder 90, die das Haltebauelement 88 umgibt, ist zwischen dem Flanschabschnitt 88a und dem ringförmigen Vorsprung 44a plaziert. Das Befestigungsbauelement 44 für das optische System weist eine Verriegelungsschrau be 92 zum Befestigen des Haltebauelements 88 auf. Die Objektivlinse 86 ist an dem Befestigungsbauelement 44 für das optische System, wie es in Fig. 6A gezeigt ist, auf die folgende Weise befestigt: der Flanschabschnitt 88a des Haltebauelements 88 wird gegen die Kraft der Schraubenfeder 90 in die Öffnung des Befestigungsbauelements 44 des optischen Systems gedrückt und in diesem Zustand wird die Verriegelungsschraube 92 festgezogen. Wenn die Objektivlinse 86 ausgetauscht wird, wird die Verriegelungsschraube 92 gelockert. Danach wird das Haltebauelement 88 von der Kraft der Schraubenfeder 90, wie es in Fig. 6B gezeigt ist, hochgezogen. Dies macht den Schritt eines Austauschens der Objektivlinse 86 einfacher.
Es wird nun eine Beschreibung gegeben, wie das zuvor beschriebene STM betrieben wird, um ein Objekt zu beobachten.
Gemäß dem STM dieses Ausführungsbeispiels ist es notwendig, einen Beobachtungsbereich auf dem Objekt vor der STM-Beobachtung einzustellen und die Position der Sonde in Real zeit während der STM-Beobachtung zu bestätigen. Zu diesem Zweck ist die Achse der Sonde mit der optischen Achse des optischen Objektbeobachtungssystems 55 ausgerichtet. Das Verfahren für die Ausrichtung wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 7A bis 7F beschrieben. Um die Sonde 78 am Berühren des Objekts 34 zu hindern, wird das Befestigungsbauelement 44 des optischen Systems von dem Motor 46 oder einem ersten Grobbewegungsmechanismus aufwärts bewegt. Danach wird das Haltebauelement 54, das die Sondeneinheit 68 beinhaltet, von der Meßschraube 56 oder einem zweiten Grobbewegungsmechanismus vertikal bewegt, wodurch der Spitzenabschnitt der Sonde 78 an dem Fokuspunkt der Objektivlinse 86 plaziert ist. Zu diesem Zeitpunkt wird das Positionsverhältnis zwischen der Sonde 78 und der Objektivlinse 86 von dem in Fig. 7A gezeigten Zustand zu dem in Fig. 7C gezeigten Zustand verschoben. Fig. 7B zeigt ein Sondenbild 201, das durch das optische Objektbeobachtungssystem 55 beobachtet wird, welches defokussiert ist. Dieses defokussierte Bild 201 wird, wie es in Fig. 7D gezeigt ist, fokussiert. Danach werden die Schrauben 80, die in Fig. 5 gezeigt sind, eingestellt, um die Sonde 78 mit einer Zielmarke 203 in dem Okular 50 in Übereinstimmung zu bringen. Die zwei Schrauben 80 werden geeignet gedreht, um das Positionsverhältnis zwischen der Sonde 78 und der Objektivlinse 86 aus dem in Fig. 7C gezeigten Zustand zu dem in Fig. 7E gezeigten zu verschieben. Somit wird das Sondenbild 201, das von dem optischen Mikroskop 54 erzielt wird, an der Zielmarke 203, wie es in Fig. 7F gezeigt ist, positioniert.
Die Fokuseinstellung des optischen Beobachtungssystems wird nun beschrieben. Wie es zuvor erwähnt worden ist, wird das Objekt 34 optisch beobachtet, nachdem die Sonde 78 mit der optischen Achse des optischen Objektbeobachtungssystems 55 ausgerichtet ist. Die Fokuseinstellung des optischen Systems wird auf die folgende Weise durchgeführt: der Motor 46, der an dem oberen Teil des Körpers vorgesehen ist, oder die Einstellscheibe 47 wird betätigt, um das Befestigungsbauelement 44 für das optische System vertikal zu bewegen. Zu diesem Zeitpunkt erscheint der Schatten der Sonde in dem Sichtfeld des Mikroskops. Um dieses Problem zu bewältigen, wird die Sonde 78 mittels der Meßschraube 56 relativ zu dem Befestigungsbauelement 44 für das optische System hochgehoben. Somit wird der Schatten der Sonde 78 nicht erkannt und ein schattenfreies Bild einer optischen Beobachtung kann erzielt werden.
Die STM-Messung der Oberfläche des Objekts mittels des STM wird nun beschrieben. Das Potential des Objekt tischs 28 und der die Y-Position einstellenden Gleitplatte 20 wird auf einen Massepegel eingestellt und eine Vorspannung wird an die Sonde 78 angelegt. Die Sonde 78 wird dem Objekt 34 mittels der Meßschraube 56 angenähert. Wenn die Sonde 78 dem Objekt 34 in einem vorbestimmten Abstand angenähert ist, beginnt ein Tunnelstrom zwischen dem Objekt und der Sonde zu fließen. Der Tunnelstrom wird durch den Halter 36 dem Vorverstärker 30 zugeführt und wird verstärkt. Die Spannung, die an die zylindrische piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 74 angelegt worden ist, wird durch eine Steuerschaltung (nicht gezeigt) gesteuert, um den Tunnelstrom an einem vorbestimmten Wert zu halten. Somit wird es der Sonde 78 ermöglicht, die Oberfläche präzise aufzuzeichnen. Die angelegte Spannung auf der Oberfläche des Objekts wird mittels Verwendens von XY-Koordinaten überwacht, wodurch ein STM-Beobachtungsbild wie bei dem herkömmlichen STM erzielt werden kann.
Gemäß dem STM dieses Ausführungsbeispiels kann ein Bild einer optischen Beobachtung der Oberfläche des Objekts, welches frei von dem Schatten der Sonde ist, erzielt werden, wenn die Probe mittels des optischen Mikroskops vor der STM-Beobachtung in dem STM-Beobachtungsbereich eingestellt wird. Außerdem kann die Beobachtung der Objektoberfläche mit dem optischen Mikroskop während der STM-Beobachtung durchgeführt werden, und die Position der Sonde kann in Realzeit erkannt werden.
Gemäß dem STM des vorhergehenden Ausführungsbeispiels ist das Objekt 34 durch den Halter 36 elektrisch an den Vorverstärker 30 angeschlossen. Somit kann die Verbindung zwischen dem Objekt 34 und dem Vorverstärker 30 einfach erzielt werden. Im Stand der Technik muß eine Elektrode auf dem Objekt vorgesehen sein, wenn das Objekt ausgetauscht wird; in dieser Erfindung wird die elektrische Verbindung jedoch mittels des Halters 36 erzielt. Da das Objekt 34 und der Vorverstärker 30 sehr nahe angeordnet sind, kann ein externes Rauschen, verglichen mit dem Fall, in dem der Vorverstärker auf einem anderen Teil vorgesehen ist, verringert werden. Des weiteren kann ein das Objekt 34 beeinträchtigendes elektromagnetisches Rauschen durch das Innere der Vorrichtung verringert werden. Insbesondere dient der Objekttisch 28 als ein Umschließungsbauelement (eine isolierte Elektrode) für das Objekt 34 und schneidet elektromagnetisches Rauschen ab. Der Objekttisch 28 und die die Y-Position einstellende Gleitplatte 20, welche ein Massepotential aufweist, dienen als ein Abschirmgehäuse für den Vorverstärker 30 und hindern externes magnetische Rauschen daran, die Verstärkereinheit zu beeinträchtigen.
Wenn eine Signalleitung, durch welche eine Vorspannung angelegt wird und ein Tunnelstrom erfaßt wird, an die Sondenseite angeschlossen wird, kann das Potential der Oberfläche des Objekts auf einen Massepegel eingestellt werden, und das Objekt kann gegen externes Rauschen geschützt werden. Daß heißt, es wird möglich, die Erscheinung zu verhindern, in welcher sich das Tunnelstromrauschen in Übereinstimmung mit der Erhöhung im Oberflächenbereich des Objekts erhöht.
In der in Fig. 1 gezeigten Struktur ist es möglich, daß eine drehbare Struktur unter der die X-Position einstellenden Gleitplatte 16 so vorgesehen ist, daß das Objekt 34 zusammen mit dem Objekttisch 32 in der XY-Ebene gedreht werden kann. In diesem Fall können die X- und Y-Achsen des Sondenabtastens mit denen der Objekthalterung übereinstimmen, nachdem die optische Achse des optischen Beobachtungssystems 55 mit der Sonde 78 und dem Beobachtungsbereich auf dem Objekt ausgerichtet ist. Die Richtung des erzielten STN-Bilds kann erwünscht eingestellt werden.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird der zweite Grobbewegungsmechanismus oder die Meßschraube 56 durch eine Meßschraube 56B des Motortyps und eine Bewegungssteuerschaltung für die Z- Richtung des optischen Systems ersetzt.
Wie es in Fig. 8 gezeigt ist, ist die Meßschraube 56B des Motortyps auf die gleiche Weise wie die Meßschraube 56 des ersten Ausführungsbeispiels angeordnet. Der Motor, der die Meßschraube 56B des Motortyps antreibt, wird von einer Ansteuerschaltung (später beschrieben) gesteuert.
Fig. 9 zeigt die Struktur der Bewegungs-Steuerschaltung für die Z-Richtung. In Fig. 9 steuert eine erste Grobbewegungsschaltung 101 den Motor 46 zum Bewegen des Befestigungsbauelements 44 für das optische System an. Eine zweite Grobbewegungsschaltung 102 steuert die Meßschraube 56B des Motortyps an. Die Schaltungen 101 und 102 werden von Signalen aus einem Mikrocomputer 100 gesteuert.
Es wird nun Bezug auf Fig. 10 genommen. Eine Tunnelstrom-Erfassungsschaltung 103 weist einen Vergleicher 110 und einen Referenzspannungsgenerator 111 auf. Der Vergleicher 110 vergleicht ein Tunnelstrom-Spannungssignal S1 aus dem Vorverstärker 30 und ein kleines Tunnelstrom-Referenzspannungssignal S11, das von dem Referenzspannungsgenerator 111 erzeugt wird. Der Vergleicher 110 gibt ein Tunnelstrom-Erfassungssignal S3 zu dem Mikrocomputer 100 aus. Das Erfassungssignal S3 ist ein Binärsignal, das anzeigt, ob der Tunnelstrom erfaßt worden ist oder nicht.
Fig. 11 zeigt eine Anfangsspannungs-Erfassungsschaltung 104, welche einen Vergleicher 116 und einen ersten Anfangsspannungsgenerator 117 beinhaltet. Der Vergleicher 116 vergleicht ein Z-Steuersignal S2 zum Steuern des Einziehbetrags für die Z-Richtung der zylindrischen piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74 und ein Anfangsspannungssignal S15, das von dem Anfangsspannungsgenerator 117 erzeugt wird (das Signal S15 stellt die Spannung dar, bei welcher die Länge der zylindrischen piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74 auf einen Referenz- oder Anfangswert L&sub0; eingestellt ist). Der Vergleicher 116 gibt ein Anfangsspannungs-Erfassungssignal S5 zu dem Mikrocomputer 100 aus. Das Erfassungssignal S5 ist ein Binärsignal, das anzeigt, ob die Länge der zylindrischen piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74 länger oder kürzer als der Referenzwert L&sub0; ist.
Es wird nun Bezug auf Fig. 12 genommen. Die Z- Steuerschaltung 105 weist eine Steuerschaltung 113, einen zweiten Anfangsspannungsgenerator 114, einen Längstdistanz-Spannungsgenerator 115 und einen Analogschalter 112 auf. Die Steuerschaltung 113 empfängt das Tunnelstrom-Spannungssignal S1 aus dem Vorverstärker 30 und ändert die Spannung, die an die zylindrische piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 74 angelegt ist, um das Konstantsignal S1 konstant zu halten, wodurch die Position in der Z-Richtung der Sonde 78 gesteuert wird. Der zweite Anfangsspannungsgenerator 114 erzeugt eine Spannung, die in der Lage ist, die Länge der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74, die die Sonde 78 hält, auf die Referenzlänge L&sub0; einzustellen. Der Längstdistanz-Spannungsgenerator 115 erzeugt eine Spannung, die in der Lage ist, die Position der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74, die die Sonde 78 hält, auf seine am weitesten eingezogene Position einzustellen, das heißt, die in der Lage ist, die Distanz zwischen der Sonde und dem Objekt auf ein Maximum einzustellen. Der Analogschalter 112 empfängt ein Z-Steuer-Umschaltesignal S4 aus dem Mikrocomputer 100, um eines der Ausgangssignale aus der Steuerschaltung 113, dem zweiten Anfangsspannungsgenerator 114 und dem Längstdistanz-Spannungsgenerator 115 auszuwählen.
Das Verfahren des automatischen Fokussierens des zuvor beschriebenen STM wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren 13A, 13B, 14A, 14B, 15A und 15B und dem Flußdiagramm in Fig. 18 beschrieben.
Fig. 13A zeigt den Zustand, in dem der Spitzenabschnitt der Sonde 78 an dem Fokuspunkt der Objektivlinse 86 zuvor positioniert worden ist, und das Sondenbild 201 wird so erzeugt, daß es mittels des zuvor erwähnten Verfahrens mit der Zielmarke 203 übereinstimmt. In diesem Zustand wird ein optisches Bild, in welchem die Zielmarke 203 mit dem Sondenbild 201 übereinstimmt, erzielt, wie es in Fig. 13B gezeigt ist (Schritt 1). Ein Befehl zum automatischen Fokussieren wird aus einem Bedienpult 106 eingegeben und das Befestigungsbauelement 44 für das optische System wird von dem Motor 46 (erster Grobbewegungsinechanismus) nach unten bewegt. Somit nähern sich die Sondeneinheit 68 und die Objektivlinse 86 als ein Körper dem Objekt 34 (Schritt 2). Während dieser Zeit fährt der Mikrocomputer 100 fort, das Tunnelstrom-Erfassungssignal S3, das aus der Tunnelstrom-Erfassungsschaltung 103 ausgegeben wird, zu überwachen (Schritt 3). Wenn sich das Signal S3 ändert, wird das Z-Steuer-Umschaltesignal S4 unverzüglich ausgegeben, um die Kollision zwischen der Sonde 78 und dem Objekt 34 zu vermeiden. Der Analogschalter 112 in der Z-Steuerschaltung 105, die in Fig. 12 gezeigt ist, wählt das Längstdistanz-Spannungssignal S14 aus (Schritt 4) und der Motor 46 wird gestoppt. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Fokuspunkt der Objektivlinse 86 auf der Oberfläche des Objekts, wie es in Fig. 14A gezeigt ist, und ein optisches Bild, wie es in Fig. 14B gezeigt ist, wird erzielt (Schritt 5). In diesem Zustand macht das Sondenbild 201 die optische Beobachtung schwierig. Somit wird das Sondeneinheit-Bauelement 54 von der Meßschraube 56B des Motortyps (zweiter Grobbewegungsmechanismus) so gesteuert, daß die Spitze der Sonde 78 defokussiert sein kann. Die Sondeneinheit 68 wird um eine vorgeschriebene Distanz D&sub0; nach unten bewegt, wie es in Fig. 15A gezeigt ist, und ein optisches Bild, welches nicht von der Sonde 78 beeinträchtigt wird, wird erzielt, wie es in Fig. 15B gezeigt ist (Schritt 6). Wenn der Fokuspunkt zuvor von dieser Betriebssequenz auf die Spitze der Sonde 78 eingestellt worden ist, kann die Oberfläche des Objekts automatisch im fokussierten Zustand beobachtet werden. Da die Sonde 78 von dem Objekt 34 um die Distanz D&sub0; getrennt ist, kann das Objekt ohne ein Interesse, daß die Sonde 78 nicht mit dem Objekt kollidiert, bewegt werden, und der STM-Beobachtungs-Zielabschnitt 202 auf der Oberfläche des Objekts kann an der Zielmarke 302 oder der Sondenposition positioniert werden.
Es wird Bezug auf das Flußdiagramm in Fig. 19 genommen. Es wird eine Beschreibung der Sequenz der Funktionsweise des automatischen Annäherns zum Annähern der Spitze der Sonde auf den Tunnelbereich auf dem Objekt 34 mittels der Meßschraube 56B des Motortyps und der Bewegungs-Steuerschaltung für die Z-Richtung, die in Fig. 9 gezeigt ist, gegeben.
Fig. 16A zeigt den Zustand, in dem die Objekthalterung 32 bewegt wird, um den STM-Beobachtungs-Zielabschnitt 30 an der Zielmarke 203 zu positionieren, nachdem das optische Beobachtungssystem 55 von der zuvor beschriebenen Sequenz des automatischen Fokussierens in den Fokus eingestellt worden ist. Ein optisches Bild in diesem Zustand ist in Fig. 16B gezeigt. Wenn ein Befehl eines automatischen Annäherns aus dem Bedienpult 106, das in Fig. 9 gezeigt ist, eingegeben wird, gibt der Mikrocomputer 100 ein Signal zu der Z-Steuerschaltung 105 aus, so daß die Schaltung 105 das Z-Steuersignal S12 auswählt (Schritt 7). Die zylindrische Betätigungsvorrichtung 74 wird auf ein Maximum auseinandergezogen, bis der Tunnelstrom zu fließen beginnt. Das Sondeneinheit-Bauelement 54 wird mittels des zweiten Grobbewegungsmechanismus oder deren Meßschraube 56B des Motortyps nach unten bewegt, um sich dem Objekt anzunähern (Schritt 8). Danach fährt der Mikrocomputer 100 fort, das Anfangsspannungs-Erfassungssignal S5 aus der Anfangsspannungs-Erfassungsschaltung 104, die in Fig. 11 gezeigt ist, zu überwachen. Das Erfassungssignal S5 ändert sich, wenn ein Tunnelstrom zwischen der Sonde und dem Objekt zu fließen beginnt, und die zylindrische piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 74 wird um eine vorbestimmte Länge (Referenzlänge L&sub0;) in Übereinstimmung mit der Bewegung der Sondeneinheit 68 zurückgezogen (Schritt 9). Wenn der Mikrocomputer 100 die Änderung des Erfassungssignals S5 erfaßt, stoppt er unverzüglich die Meßschraube S68 des Motortyps (Schritt 10). Als Ergebnis wird die Länge der zylindrischen Betätigungsvorrichtung an den Referenzwert L&sub0; servogesteuert und danach wird die STM-Messung ausgeführt.
Wie vorhergehend beschrieben worden ist, kann gemäß des STM dieses Ausführungsbeispiels die Funktionsweise des automatischen Fokussierens und die Funktionsweise des automatischen Annäherns des optischen Beobachtungssystems in dem STM, in welchem das optische Mikroskop eingebaut ist, ausgeführt werden, und eine Beschädigung der Sonde kann verhindert werden.
Die zuvor beschriebenen zwei Ausführungsbeispiele können unterschiedlich abgeändert werden. Zum Beispiel kann der erste Grobbewegungsmechanismus im Bereich der Objekthalterung vorgesehen sein und die Sondeneinheit kann an dem Gehäuse befestigt sein. Außerdem kann der erste Grobbewegungsmechanismus auf der Halterung vorgesehen sein und der zweite Grobbewegungsmechanismus kann auf dem optischen System vorgesehen sein, wodurch diese ersten und zweiten Mechanismen auf eine gegenseitig verriegelte Weise oder eine getrennte Weise angetrieben werden. Auf diese Weise kann die Distanz zwischen der Oberfläche des Objekts und der Objektivlinse geändert werden.
Es wird nun Bezug auf Fig. 20 genommen. Eine Alternative zu der Sondeneinheit 68, die in Fig. 4 gezeigt ist, wird nun beschrieben. In Fig. 20 sind die Bauelemente, die bereits unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben worden sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In Fig. 20 ist eine zylindrische piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 74 an einen ringförmigen Halter 72 zum Halten des piezoelektrischen Körpers angebracht, wobei sich ein ringförmiger Isolator 91 dazwischen befindet. Der Isolator 91 verhindert eine elektrische Entladung zwischen dem ringförmigen Halter 72 und Oberflächenelektroden 94A und 94B der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74. Der Endabschnitt der zylindrischen piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74 ist an einen äußeren Metallrahinen 96 angebracht, wobei sich dazwischen ein Umschließungsbauelement 93 (eine isolierte Elektrode) befindet. Der Innenumfang des äußeren Metallrahmens 96 ist mit einem Gewindeabschnitt 29A versehen. Der Gewindeabschnitt 29A steht mit einem Gewindeabschnitt 29B im Eingriff, der auf dem Außenumfang eines Sondenhalters 76 vorgesehen ist. Der Sondenhalter 76 ist somit an den äußeren Metallrahmen 96 gekoppelt. In dem Umschließungsbauelement 93 ist ein Metallfilm 97 an einem Mittenbereich des Außenumfangs eines ringförmigen Isolators 33 aufgetragen. Der Metallfilm 97 ist durch einen Leiter 35 an den Objekttisch 28 angeschlossen und ist auf einen Massepotentialpegel gesetzt.
Das Umschließungsbauelement 93 verhindert ein Ableiten einer Wechselstromkomponente und einer Gleichstromkomponente aus den Oberflächenelektroden 94A und 94B der zylindrischen piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74 zu dem Sondenhalter 76. Somit kann ein Rauschen des Tunnelstroms verringert werden. Außerdem kann der Austausch der Sonde erleichtert werden, da der Sondenhalter 76 aus der zylindrischen piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74 entfernbar ist.
Das Umschließungsbauelement 93 und die zylindrische piezoelektrische Betätigungsvorrichtung 74 können als ein Körper ausgebildet sein. Das heißt, wie es durch eine gestrichelte Linie in Fig. 20 gezeigt ist, ein Metallfilm 97A, der als eine Umschließungselektrode dient, kann auf der Oberfläche der piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung 74 ausgebildet sein. Diese Struktur verhindert die Verringerung der Festigkeit der Sondeneinheit, welche aufgrund des Vorsehens des Umschließungsbauelements entsteht.
Es wird nun Bezug auf Fig. 20 genommen. Wenn der Außenumfang des äußeren Metallrahmens 96 an eine Tunnelstrom/Vorspannungs-Signalleitung 31 angeschlossen wird, die sich aus dem Vorverstärker 30 erstreckt, kann die elektrische Verbindung zwischen dem Vorverstärker 30 und der Sonde erleichtert werden. In diesem Fall ist die Sonde 78 auf dem Sondenhalter 76 elektrisch mit dem äußeren Metallrahinen 96 über einen elektrisch leitenden Klebstoff 98 und einen elektrisch leitenden Transparentfilm 99 verbunden.
Eine Vorrichtung, die den Sondenhalter an der Sondeneinheit anbringt, wird nun beschrieben. Fig. 21 zeigt eine Ansicht, die eine Vorrichtung 15 beschreibt. Wie es in Fig. 21 gezeigt ist, weist die Vorrichtung eine kreisförmige Platte, an deren Mittelteil ein Loch 21 zum Schützen der Sonde ausgeschnitten ist und einen Führungsring 23 auf, der auf dem Außenumfang der kreisförmigen Platte vorgesehen ist. Führungsstifte 25 sind auf der Oberfläche der Vorrichtung 15, welche dem Sondenhalter 76 zugewandt ist, vorgesehen, so daß sie in Löcher 27 passen, die in dem Sondenhalter 76 ausgebildet sind.
Wenn der Sondenhalter mittels der Vorrichtung 15, die die vorhergehende Struktur aufweist, an der Sondeneinheit angebracht wird, wird der Sondenhalter 76 so gehalten, daß sich die Sonde 78 in dem Loch 21 der Vorrichtung 15 befindet. In diesem Zustand wird die Vorrichtung 15 gedreht, wodurch der Sondenhalter 76 mit dem äußeren Metallrahmen 96 im Eingriff steht. Somit kann der Sondenhalter 76 sicher mit dem äußeren Metallrahmen 96 im Eingriff stehen, ohne eine Beschädigung der Spitze der Sonde 78 hervorzurufen.

Claims

1. Tunnel-Rastermikroskop zum Beobachten der Oberfläche eines Objekts, mit

einem optischen System (55), das eine Objektivlinse (86) zum optischen Beobachten der Oberfläche des Objekts (34) beinhaltet;

einer ersten Grobbewegungseinrichtung (44, 46, 47) zum Halten der Objektivlinse (86) und Bewegen der Objektivlinse (86) entlang der optischen Achse des optischen Systems (55);

einer Sondeneinheit (68), die eine Sonde (78) zum Erfassen eines Tunnelstroms, ein optisch transparentes Bauelement (76) zum Halten der Sonde (78) entlang der optischen Achse und einen piezoelektrischen Ansteuerkörper (74) aufweist, das die Sonde veranlaßt, die Oberfläche des Objekts abzutasten,

gekennzeichnet durch:

eine zweite Grobbewegungseinrichtung (54, 56, 56B) zum Halten der Sondeneinheit (68) und Bewegen der Probeneinheit (68) entlang der optischen Achse;

einer isolierenden Objekthalterung (32) zum Anbringen des Objekts darauf;

ein elektrisch leitendes Haltebauelement (36) zum Schieben und Halten des Objekts (34) auf der Objekthalterung (32); und ein elektrisch leitendes Verbindungsbauelement (38) zum Befestigen des Haltebauelements (36) an einem vorbestimmten Ort, wobei das Verbindungsbauelement elektrisch mit einer Einrichtung (30) zum Erfassen des Tunnelstroms verbunden ist.

2. Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Grobbewegungseinrichtung (44, 46, 47) ein Befestigungsbauelement (44) des optischen Systems, das entlang dem optischen System bewegbar ist und das optische System hält, und einen Motor (46) zum Bewegen des Befestigungssystems (44) des optischen Systems beinhaltet, und

die zweite Grobbewegungseinrichtung (54, 56, 56B) ein Sondeneinheit-Haltebauelement (54) zum Halten der Sondeneinheit (68), wobei das Haltebauelement der Sondeneinheit (68) an dem Befestigungsbauelement des optischen Systems gehalten wird, um über die optische Achse des optischen Systems (55) bewegbar zu sein, und eine Meßschraube (56, 56B) zum Bewegen des Haltebauelements (54) der Probeneinheit beinhaltet.

3. Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heßschraube (56B) einen Motor zum Antreiben der Meßschraube beinhaltet.

4. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Ansteuerkörper (74) eine zylindrische piezoelektrische Betätigungsvorrichtung ist, die ein rohrförmiges piezoelektrisches Element, eine gemeinsame Elektrode (94B), die innerhalb des piezoelektrischen Elements vorgesehen ist, und eine Vielzahl von Ansteuerelektroden (94A), die außerhalb des piezoelektrischen Elements vorgesehen sind, beinhaltet.

5. Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das transparente Bauelement (99) zum Halten der Sonde entfernbar an einen Endabschnitt der zylindrischen piezoelektrischen Betätigungsvorrichtung (74) angebracht ist und das Mikroskop desweiteren eine isolierte Elektrode (97) aufweist, die auf einem Massepotential gehalten wird und zwischen den Ansteuerelektroden (94A) und der Sonde (78) vorgesehen ist.

6. Mikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

einen XY-Tisch (16, 20); und einen elektrisch leitenden Objekttisch (28), der auf dem XY-Tisch (15, 20) angeordnet ist, wobei das Verbindungsbauelement (38) an dem Objekttisch (28) mit einem dazwischen angeordnetem Isolator angebracht ist, wobei die objekthalterung (32) auf dem Objekttisch (28) angeordnet ist und der Objekttisch (28) eine Einrichtung zum Erfassen eines Tunnelstroms aufweist.

7. Mikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch transparente Bauelement (76), welches an einem vorderen Ende des piezoelektrischen Ansteuerkörpers (74) angeordnet ist, mit einem Umschließungsbauelement (93) über einen Rahmen so verbunden ist, daß das optisch transparente Bauelement (76) elektrisch von den Elektroden (94A, 94B) des piezoelektrischen Ansteuerkörpers (74) getrennt ist.

8. Mikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschließungsbauelement ein ringförmiges Isolationsbauelement (13) und einen Metallfim (97) beinhaltet.

9. Mikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallfilm (97) an eine Massenpotentialhöhe angeschlossen ist.

10. Verfahren zum Beobachten der Oberfläche eines Objekts, das ein Tunnel-Rastermikroskop verwendet, mit:

einem optischen System (55), das eine Objektivlinse (86) zum optischen Beobachten der Oberfläche des Objekts beinhaltet;

einer ersten Grobbewegungseinrichtung (44, 46, 47) zum Halten der Objektivlinse (86) und Bewegen der Objektivlinse (86) entlang der optischen Achse des optischen Systems

einer Sondeneinheit, die eine Sonde (78) zum Erfassen eines Tunnelstroms, ein optisch transparentes Bauelement (76) zum Halten der Sonde (78) entlang einer optischen Achse und einen piezoelektrisches Ansteuerkörper (74) aufweist, das die Sonde veranlaßt, die Oberfläche des Objekts (34) abzutasten; und

einer zweiten Grobbewegungseinrichtung (54, 56, 56B) zum Halten der Sondeneinheit (68) und Bewegen der Sondeneinheit (68) entlang der optischen Achse,

einer isolierenden Objekthalterung (32) zum Befestigen eines Objekts darauf;

ein elektrisch leitendes Haltebaulelement (36) zum Schieben und Halten des Objekts (34) auf der Objekthalterung (32); und ein elektrisch leitendes Verbindungsbauelement (38) zum Befestigen des Haltebauelements (36) an einem vorbestimmten Ort, wobei das Verbindungsbauelement elektrisch an eine Einrichtung (30) zum Erfassen eines Tunnelstroms angeschlossen ist, wobei das Mikroskop gekennzeichnet ist durch das Umfassen der folgenden Schritte:

Legen eines Spitzenabschnitts der Sonde (78) an einen Fokuspunkt des optischen Mikroskops;

Annähern der Sonde (78) und der Objektivlinse (86) zusammen an das Objekt (34), während ein durch die Sonde (78) erfaßter Tunnelstrom überwacht wird;

Anhalten der Bewegung der Sonde (78) und der Objektivlinse (86), wenn der Tunnelstrom erfaßt wird;

Zurückziehen der Sonde (78) aus dem Fokuspunkt des optischen Mikroskops entlang der optischen Achse, um eine vorbestimmte Distanz; und

Bestimmen einer Beobachtungsfläche auf dem Objekt (34) mittels des optischen Systems (55).