DE69022777T2 - Oberflächenmikroskop. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Oberflächenmikroskop, das einen Tunnelstrom bzw. einen Feldemissionsstrom benutzt, der erzeugt wird, wenn eine Sonde nahe an eine Probe gebracht wird, und sie bezieht sich insbesondere auf ein Oberflächenmikroskop, das zum Messen der Tunnelbarriere (Tunnelbarrierenhöhe) geeignet ist, wobei es mit Hilfe des Mikroskops möglich ist eine Grenzfläche zu finden, bei der sich die physikalischen Eigenschaften in der Nähe der Oberfläche der Probe ändern, beispielsweise eine Grenzfläche zwischen dem p-leitenden Halbleitungsfähigkeitsbereich und dem n-leitenden Halbleitungsfähigkeitsbereich an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers, wobei die Grenzfläche durch Messen der Tunnelbarriere an der Oberfläche der Probe gefunden wird.
• Bisher wird in der Zeitschrift Phys. Rev. Lett. 49, 1982, Seiten 57 - 61 eine Methode zum Messen der Tunnelbarriere durch Messen des Tunnelstroms bzw. des Feldemissionsstromes diskutiert, wobei der Strom erzeugt wird wenn eine Sonde dicht an eine Probe gebracht wird.
• Durch die oben beschriebene bekannte Methode wird offenbart, den Wert der Quadratwurzel der Tunnelbarrierehöhe φ direkt zu messen und sie unter Benutzung der folgenden Gleichung zu berechnen:
• φ½ = Δ(ln JT)/ΔS (1)
• D.h., daß φ½ auf der Basis der Tunnelstromdichte JT und den Schwankungen ΔS im Spalt zwischen der Sonde und der Probe gemessen werden kann. Von diesen Größen kann ΔS durch Vibrieren der Sonde eingestellt werden. JT wird durch Dividieren der Stärke des Tunnelstromes durch den Stromemissionsflächenbereich erhalten. Nun ist aber der Emissionsflächenbereich überhaupt nicht bekannt. Weiter wird die Stromdichte JT auch durch Absolutschwankunger, des Spaltes geändert. Selbst wenn ein Abtasttunnelmikroskop (STM), das eine Art Oberflächenmikroskop ist, im Konstantstrommodus gesteuert wird, läßt es Fehler bei der Stromdichte JT entstehen, da ein Fehlerstrom von etwa 10 % bis mehrere 10 % erzeugt wird. Daher gab es das Problem, daß es überhaupt nicht möglich war, die Tunnelbarriere (φ) zu messen, selbst wenn die Gleichung (1) benutzt wurde.
• Eine Modulationsmethode zum Bestimmen der lokalen Tunnelbarrierenhöhe wird von R. Wiesendanger et al. in der Veröffentlichung "Surface Science 189", (1987), Seite 24-28 offenbart.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Oberflächenmikroskops, das in der Lage ist, die Verteilung der Tunnelbarriere (φ) an der Oberfläche der Probe mit hoher Genauigkeit zu messen.
• Um dieses Ziel zu erreichen, kann für die Näherung der vorliegenden Erfindung die theoretische Formel für den Tunnelstrom freier Elektronen durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt werden, wie sie in der oben genannten Literatur angegeben wird:
• I = k&sub1;exp(-k&sub2;φ½S) (2)
• Durch Differenzieren nach S wird sie in die folgende Formel transformiert:
• dI/DS = -k&sub1;k&sub2;φ½exp(-k&sub2;φ½S) = k&sub2;φ½I (3)
• Die Schwankung des Stromes ΔI wird, wenn die Sonde leicht bewegt wird (ΔS), aus dieser Formel abgeleitet und durch die nachfolgende Gieichung ausgedrückt:
• ΔI = -k&sub2;φ½ΔS (4)
• Unter Benutzung dieser Gleichung kann φ½ durch die nachfolgende Gleichung (5) ausgedrückt werden:
• wobei K&sub2; eine Konstante ist, die durch die Formel:
• {(4π/h)2m}½ = 1.025Å&supmin;¹eV-½
• bestimmt wird; wobei m die Elektronenmasse und h die Planck'sche Konstante ist.
• Da ΔS durch ein elektrisches Signal zum Vibrieren der Sonde bestimmt werden kann, und da weiter ΔI und I leicht mit Hilfe einer elektrischen Schaltung gemessen werden können, ist es möglich, den Wert φ½ mit kleinen Fehlerfaktoren zu messen. Da weiter in der Gleichung (5) die Stromschwankung ΔI durch den Strom I dividiert wird und als Ergebnis ΔI ebenfalls um den gleichen Betrag wie I geändert wird, selbst wenn der Strom I einigen Schwankungen unterworfen ist, hat φ½ eine Form, die kaum durch diese Schwankungen beeinflußt wird, auch wenn die Genauigkeit des Konstantstrom-Servosystems nicht so groß ist. Wie oben beschrieben, kann unter Benutzung der Gleichungen (5) das oben genannte Ziel des Messens der Tunnelbarriere mit hoher Genauigkeit erreicht werden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Tunnelbarrieren-Informationsmeßeinrichtungen gemäß dem oben beschriebenen Prinzip mit einem Äbtasttunnelmikroskop (STM) kombiniert werden, das die Oberflächenförm der Probe unter Benutzung des Tunnelstromes mißt; oder die Vorrichtung kann mit einem Gerät ähnlich dem STM kombiniert werden, das die Oberflächenform der Probe unter Benutzung der zwischen der Sonde und der Probe wirkenden Kraft mißt z.B. die elektrostatische Kapazität Wärme, Licht, Schall etc., so daß die Information über die Form sowie die Tunnelbarriereninformation gleichzeitig gemessen werden können. Weiter kann das Display-System, das die erhaltene Information anzeigt. so gebaut sein, daß die oben beschriebene Information über die Oberflächenform der Probe sowie die φ½-(oder φ-) Information auf dem gleichen Bildschirm, einander überlagert, dargestellt werden. Weiter kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Display-System und ein Display- Verfahren angewandt werden, das in der Lage ist, eine große Menge von Daten oder eine Anzahl von Datenarten zu verarbeiten.
• Nachfolgend werden die Zeichnungen kurz beschrieben.
• Figur 1 ist ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung;
• Figur 2 ist ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform darstellt, bei der die vorliegende Effindung auf ein Abtasttunnelmikroskop angewandt wird;
• Figur 3 ist ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform anzeigt, bei der die vorliegende Erfindung auf ein Atomkräftemikroskop angewandt wird;
• Figur 4 ist ein Blockschaltbild, das einen Schaltungsaufbau zum Erhalten von Signalen für ein Bild darstellt, bei dem ein dreidimensionales Oberflächenformbild und ein φ½-Verteilungsbild einander überlagert werden; und
• Figur 5 ist ein Blockschaltbild, das einen Schaltungsaufbau zum kontinuierlichen Beobachten des dreidimensionalen Oberflächenformbildes und des φ½-Verteilungsbildes darstellt.
• Nachfolgend wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Figur 1 erläutert. Gemäß der Figur wird die Sonde 1 ganz nahe in eine Position gegenüber der Oberfläche der Probe 2 gebracht. Die Sonde ist so konstruiert, daß sie mit einer Amplitude ΔS in Z- Achsenrichtung eines Piezoelementes 3 in Vibration versetzt wird. Eine Vorspann-Energieversorgungsquelle 9 liefert eine Vorspannung durch die Sonde und die Probe 2. Der durch die Sonde 1 und die Probe 2 fließende Tunnelstrom I wird durch die Vibraüon der Sonde 1 moduliert und durch einen Stromdetektor 4 erfaßt. Eine Stromeinstellschaltung 8 dient zum Einstellen der Gleichstromkomponente des Tunnelstromes I. Wie später beschrieben wird, wird die Position der Sonde 1 nach Höhe und Z-Ächsenrichtung durch einen Servomechanismus gesteuert, so daß der Tunnelstrom I eine durch die Stromeinstellschaltung 8 eingestellte Stromstärke aufweist, wenn die Oberfläche der Probe mit der Sonde 1 abgetastet wird.
• Die Differenz zwischen dem durch den Stromdetektor 4 erfaßten Tunnelstrom I und dem durch die Stromeinstellschaltung 8 eingestellten Strom wird in einem Fehlerdetektor 5 gebildet, und Schwankungen ΔI des Tunnelstromes I werden erfaßt. Ein Stromteiler 6 trennt die Schwanskungen ΔI des vom Fehlerdetektor 5 kommenden Tunnelstromes von dem vom Stromdetektor 4 kommenden Tunnelstromes I.
• Ein Einrastverstärker 7 umfaßt einen Oszillator und gibt ein Vibrationssignal Sv aus um dem Piezoelement 3 eine Vibration zu erteilen. Gleichzeitig entnimmt sie eine ΔI/I-Komponente, die mit der Frequenz des vibrierenden Signals Sv synchronisiert ist. oder eine dazu vorbestimmte Phasendifferenz aufweist, aus dem vom Stromteiler 6 gelieferten Ausgangssignal und liefert sie an einen Multiplizierer 25.
• Andererseits wird das vibrierende Signal Sv durch eine transformierende Schaltung 26, auf der Basis der Elektrostriktionseigenschaft des Piezoelementes 3, in eine Amplitude ΔS der Vibration der Sonde 1 umgewandelt und weiter in einen Wert 1/(k&sub2;ΔS) überführt. Der Multiplizierer 25 multipliziert die Ausgabe 1/(k&sub2;ΔS) der transformierenden Schaltung 26 mit der Ausgabe ΔI/I des Einrastverstärkers 7 und berechnet so φ½ entsprechend der oben beschriebenen Gleichung (5).
• Damit der Tunnelstrom zwischen der Sonde 1 und der Probe 2 fließt, sollten die Sonde 1 und die Probe 2 so dicht beieinander sein, daß der Abstand zwischen ihnen etwa 10 Å beträgt. Auf diese Weise ist es möglich, eine Information über die Tunnelbarriere (φ) oder die Quadratwurzel der Tunnelbarriere (φ½) zu erhalten.
• Nunmehr wird unter Bezugnahme auf Figur 2 der schaltungstechnische Aufbau zur Gewinnung der Information über die Tunnelbarriere (φ oder φ½) unter Verwendung des Steuersystems für das Abtasttunnelmikroskop, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, erläutert. In Figur 2 ist, neben dem in Figur 1 wiedergegebenen technischen Aufbau, auch ein Konstantstrom-Servosystem zur Gewinnung eines STM-Bildes, das ein dreidimensionales Oberflächenstrukturbild der Oberfläche der Probe ist, sowie ein Datenverarbeitungs- und -displayteil wiedergegeben.
• Das Konstantstrom-Servosystem ist ein System, das den während des Abtastens durch die Sonde fließenden Tunnelstrom so regelt, das er ein konstantstrom ist, wenn die Oberfläche der Probe 2 mit Hilfe der Sonde 1 zweidimensional abgetastet wird. Es besteht aus dem Stromdetektor 4, der in Reihe mit der Vorspann-Energieversorgungsquelle 9, der Fehlerstrom-Erfassungsschaltung 5, dem Stromteiler 6, einem PI-Regelteil 10, einer Addierschaltung 11 und einem Hochspannungsverstärker 12 geschaltet ist. In der Addierschaltung 11 wird in einem solchen Konstantstrom- Servosystem das vibrierende Signal Sv zum Vibrieren der Sonde 1 dem Servosignal überlagert. Auf diese Weise wird das vibrierende Signal Sv, getrennt vom Servosignal, an das Piezoelement 3 in der Z-Achse angelegt um der Sonde 1 eine Vibration zu erteilen, so daß der Tunnelspalt g mit einer Amplitude ΔS variiert wird.
• Als Ergebnis weist der zwischen der Sonde 1 und der Probe 2 fließende Tunnelstrom it eine annährend auf eine spezifizierte Stromstärke stabilisierte Gleichstrornkomponente und eine auf der Vibration der Sonde 1 beruhende Wechselstrornkomponente auf. Die Wechselstromkomponente ΔI wird durch den Fehlerdetektor 5 erfaßt und in ein ΔI/I-Signal transformiert, das in den Einrastverstärker 7 eingegeben wird. Der Einrastverstärker 7 gibt eine ΔI/I-Komponente aus, die mit der Vibrationsfrequenz des vibrierenden Sv synchronisiert ist, oder die davon um eine vorbestimmte Phase abweicht; und sie liefert das Signal an den Multiplizierer 25. Der Multiplizierer 25 bildet das Produkt des von der Transformationschaltung 26 kommenden Signals 1/(k&sub2;ΔS) und dem vom Einrastverstärker 7 kommenden Signals ΔI/I, um die φ½-Information zu erhalten, die in einem Bildspeicherbereich 17 gespeichert wird.
• Andererseits stellt das im wesentlichen der Gleichstromkomponente des Stromteilers 6 entsprechende Signal einen vom Tunnelspalt herrührenden Fehler dar, der der angestrebten Stromstärke entspricht. Ein Ausgangssignal wird von dem PI-Regelteil 10 so gebildet, daß der Fehler 0 wird; und die Position der Sonde 1 in Richtung der Z-Achse wird durch die Addierschaltung 11 und den Hochspannungsverstärker 12 durch Konstantstrom-Servosteuerung eingestellt. Aufgrund dieser Konstantstrom-Servosteuerungsoperation wird die Sonde 1 zweidimensional entlang feiner Unebenheiten auf der Oberfläche der Probe bewegt. Infolgedessen stellt das vom PI-Regelteil 10 ausgegebene Signal eine Information über die Oberfläche der Probe in Höhenrichtung (Z-Achse) dar. Das Signal wird im Biidspeicherbereich 16 gespeichert. Im vorliegenden Falle wird die Beziehung zwischen der Verlängerung des Piezoelementes 3 der Z-Achse und der angelegten Spannung bzw. der angelegten elektrischen Ladung vorher gemessen; und da sie auf der Basis dieser Daten in die Verschiebung in Richtung der Z-Achse umgewandelt werden soll, wird die an das Piezoelement angelegte Spannung im Bildspeicherbereich 16 gespeichert, nachdem sie in die Verschiebung der Sonde umgewandelt worden ist. Weiter besteht der PI-Regelteil 10 aus einem Proportional- bzw. P-Glied und einem Integral- bzw. I-Glied, die in Reihe geschaltet oder parallel geschaltet sind und deren Frequenzbereich sich soweit erstreckt daß es möglich ist, die Sonde durch Servosteuerung in einen höheren Frequenzbereich zu steuern als mit einem Steuersystem, das nur aus einem Integrierglied besteht. Anstelle des PI-Regelteils 10 kann beim Steuersystem der vorliegenden Ausführungsform aber auch ein Regelsystem angewandt werden, das nur ein Integrierglied enthält, oder ein PID- Regelsystem, das weiter ein Differenzierglied enthält. Weiter ist es vom Standpunkt der gleichzeitigen Gewinnung der φ½-Information und der Höheninformation wünschenswert, daß der Frequenzansprechbereich des Konstantstrom-Regelsystems niedriger als die vom Einrastverstärker 7 kommende Vibrationsfrequenz ist.
• Wie oben beschrieben, werden, nachdem die Sonde 1 dicht an die Oberfläche der Probe 2 gebracht worden ist, so daß der Tunnelspalt g etwa 10 Å beträgt (in der Figur ist die Vorrichtung zum dichten Heranführen fortgelassen), und nachdem sie so eingestellt wurde, daß die Konstantstrom-Servosteuerung herbeigeführt und die φ½-Information erhalten wird, ein X- und ein Y-Abtastsignal vom zweidimensional abtastenden Teil 15 jeweils entsprechend in ein in der X-Achse angeordnetes Piezoelement 13 und in ein in der Y-Achse angeordnetes Piezoelement 14 eingegeben; und gleichzeitig werden die Signale auch als Adreßinformationen jeweils entsprechend in die Bildspeicherbereiche 16 und 17 eingegeben. Der zweidimensional abtastende Teil 15 weist, wie allgemein bekannt, auf: einen X- und einen Y-Zähler, die die von einem Taktgenerator gelieferten Takte zählen, um den Abtastteil auf das Abtasten in der X-Richtung und in der Y-Richtung abzustimmen; Anschlüsse, durch die die Ausgaben dieser Zähler jeweils entsprechend als Adressen X und Y ausgegeben werden; und Anschlüsse, durch die sie entsprechend an die in der X- Achse und in der Y-Achse angebrachten Piezoelemente 13 bzw. 14 ausgegeben werden, und zwar jeweils nachdem die Ausgaben dieser Zähler digital-analog umgewandelt worden sind. Die Oberfläche der Probe wird von der Probe 1, jeweils angesteuert durch das X- und Y- Abtastsignal, mit Hilfe der Piezoelemente 13 bzw. 14 der X-Achse bzw. Y-Achse abgetastet; und auf diese Weise ist es möglich, die φ½-Information, zusammen mit der Information über die dreidimensionale Form der Oberfläche der Probe, unter Benutzung der (X, Y-) Adressen und der Höheninformation zu erhalten. Anstelle der dreidimensionalen Bewegung der Sonde kann auch die Probe 2 dreidimensional bewegt werden, oder die Sonde und die Probe können ihren Anteil an den Bewegungseinrichtungen haben. Wesentlich ist, daß die Sonde 1 und die Probe 2 relativ zueinander in drei Dimensionen verschoben werden. Die Information über die dreidimensionale Form wird im Bildspeicherbereich 16 gespeichert, während die auf zwei Dimensionen sich erstreckende Information über φ½ im Bildspeicherbereich 17 gespeichert wird. Nach Erhalten der Daten werden beide Signale auf einem Videorecorder VTR 19 oder einem Fernseh- bzw. TV-Monitor 20 als helligkeitsmoduliertes Bild der Höheninformation, oder der φ½-Information dargestellt. Weiter ist es möglich. die Höheninformation oder die φ½-Information in Bildsignale umzuwandeln, die für einen geforderten Displaymodus in einem Displaymodus-Umwandlungsteil 28 geeignet sind, und die Information in einen CRT-Monitor 21 in Form eines helligkeitsmodulierten Bildes ähnlich dem Bilde, das mit Hilfe des TV-Monitors 20 oder in Form eines Vogelschaubildes erhalten wird. Weiter können die erhaltenen Daten der Datenverarbeitung unterzogen werden, um ein Konturliniendisplay, ein Schattenverarbeitungsdisplay oder ein Stereoskopie-Display durchzuführen, das sich von dem Display ähniich dem oben beschriebenen unterscheidet. Darüber hinaus ist es möglich, die erhaltenen Daten auf einer FFT-Verarbeitung (schnelle Fourier-Transformation), einer Glättungsverarbeitung, etc. zu unterziehen, oder eine Grundlinieneinstellung, eine Verstärkungseinstellung, eine Fensterverarbeitung (partielle Vergrößerung, partielle Verarbeitung), oder ein Querschnittsdisplay zwischen zwei Punkten von zwei spezifizierten Koordinaten zu ermöglichen. Da die Displayvorrichtung im Computer keine hohe Qualität besitzt, ist es weiter wünschenswert, den TV-Monitor 20 oder den CRT-Monitor 21 auch zum Anzeigen der mit Hilfe des Computers verarbeiteten Daten zu verwenden. In diesem Falle ist diejenige Methode die vorteilhafteste, bei der die mit Hilfe des Computers verarbeiteten Daten erneut in den Bildspeicherbereichen 16 und 17, jeweils entsprechend durch die Leitungen 16a und 17a, gespeichert werden. Danach werden sie angezeigt. Es ist aber auch denkbar, separat einen Bildspeicherteil vorzusehen (in der Figur nicht dargestellt), der ausschließlich für diesen Zweck verwendet wird. In einer praktischen Anordnung kann jeder von ihnen verwendet werden. Da im VTR 19 eine große Menge von Daten gespeichert werden kann, ist es zweckmäßig, die Daten darin zu speichern. Der VTR kann entweder ein Analog- oder ein Digitaltyp sein. Es kann jedoch ein Fall auftreten, bei dem es erwünscht ist, diese Rohdaten mit Hilfe des Computers zu behandeln. In diesem Falle wird das Signal des VTR 19 durch eine Schnittstelle 29 in den Computer eingegeben, die ausschließlich für den VTR bestimmt ist, um es nach der Datenverarbeitung mit dem TV-Monitor 20 und dem CRT 21 durch den Bildspeicherteil gemäß der oben beschriebenen Prozedur anzuzeigen. Dabei können Daten, die aufbewahrt werden soilen, in VTR 19 oder im Speicher des Computers 18 gespeichert werden.
• Figur 3 zeigt ein Beispiel, bei dem die vorliegende Erfindung auf ein Atomkräftemikroskop angewandt wird. Der mechanische Teil besteht aus: Erfassungsabschnitten 30 und 31 zum Erfassen einer konstanten, atomaren Kraft (Repulsions- oder Attraktionskraft zwischen Atomen am Ende der Sonde 30 und Atomen auf der Probe); einem Dreibein-Stativabtaster 32 zum dreidimensionalen Steuern der Probe; und einem Grobeinstellmechanismus 33, der über die Funktion der Sichtfeldwahl und die Funktion des Naheheranbringens der Sonde an die Probe verfügt. Das Erfassungssystem ist aus der Sonde 30, bestehend aus einem Kragträger 30', dessen Ende mit einem leitenden Abschnitt 30" bedeckt ist, wie in der Figur dargestellt und einem berührungsfrei arbeitenden Verschiebungsmesser (Kragträgerdurchbiegungsdetektor) 31 aufgebaut zum Messen der Kragträgerverschiebungen derselben mit hoher Genauigkeit dient, um die Kraft zu erfassen. Ein auf dem Markt erhältliches Meßgerät, bei dem das Prinzip des Abtasttunnelmikroskops angewandt wird, oder ein Kapazitätsverschiebungsmesser, ein Laserinterferometer, etc. ist hier als berührungsfrei arbeitender Verschiebungsmesser 31 denkbar. Der Stativabtaster 32 kombiniert die Piezoelemente 3, 13, 14 jeweils für die Z-Achse, die X-Achse und die Y-Achse, um die Probe 2 durch einen Probetisch 37 hindurch zu steuern, wie in der Figur dargestellt. Gemäß diesem Verfahren ist der Mechanismus so aufgebaut. daß die Probe dreidimensional gesteuert wird, was das Umgekehrte wie im Falle des Mechanismus gemäß dem Verfahren ist, bei dem es die Sonde 1 ist, die dreidimensional gesteuert wird, wie in Figur 2 dargestellt. Weiter sollte der Probentisch 37 aus einem Isolator hergestellt sein.
• Er arbeitet wie folgt. Zuerst wird die Probe unter Verwendung des auf einer Basis 34 montierten Grobeinstellmechanismus dicht an die Sonde 30 herangebracht. Dabei ist es wünschenswert, daß der berührungsfrei arbeitende Verschiebungsmesser 31 servogesteuert wird, so daß die Kraft konstant gehalten wird, und zwar durch ein Servosystem 36, eine Addierschaltung 11, einen Hochspannungsverstärker 12 und das Piezoelement 3 der Z-Achse. Der Grund dafür besteht darin, däß die Sonde 30 nicht mit der Probe 2 kollidieren darf, wenn diese rasch und nah aufeinanderzu bewegt werden. Falls eine extrem kleine atomare Kraft erfaßt wird, werden als nächstes die oben beschriebenen Elemente so gesteuert, daß die zweidimensionale Abtastung durchgeführt wird, wobei die erfaßte Kraft auf einem gewünschten Wert gehalten wird. In diesem Zustand wird, wenn ein die Probe 2 in Richtung der Z-Achse vibrierendes Signal vom Einrastverstärker 7 durch die Addierschaltung 11 eingegeben wird, die Probe zum Vibrieren gebracht, und es wird der Tunnelstrom erfaßt, der durch eine elektrische Schaltung, bestehend aus dem leitenden Teil 30", der Vorspannenergieversorgung 9 und dem Stromdetektor 4, moduliert. Die Vibration wird durch den Stromdetektor 4 erfaßt, und (ΔI/I) wird von einer Betriebschaltung 35 erfaßt, die aus der Stromeinstellschaltung 8, dem Fehlerdetektor 5 und der Stromteilerschaltung 6 besteht, die derjenigen ähnelt, die in Figur 1 dargestellt ist, um die φ½- Information mit Hilfe des Einrastverstärkers 7, der Transformationsschaltung 26 und dem Multiplizierer 25 zu erhalten. Andererseits ist es möglich die Information bezüglich der Höhe aus der Ausgabe Z des Servosystems 36 zu gewinnen. Wenngleich in Figur 3 die durch zweidimensionales Abtasten erhaltenen Signale für die X-Achse und die Y- Achse, der Bildspeicherteil, der Displayteil, der Computer, etc., fortgelassen sind. ist es, wie unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert, in gleicher Weise möglich. die Information über die dreidimensionale Form sowie die sich auf zwei Dimension erstreckende Information über φ½ gleichzeitig durch Einstellen der oben beschriebenen Funktion zu erhalten. Wie oben erläutert, kann das Ziel der vorliegenden Erfindung durch Kombinieren der Formmeßeinrichtungen, unter Benutzung der Sonde und der Einrichtungen zum Messen der Tunnelbarriereinformation (φ½) erreicht werden. wie bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform. Konkret gesprochen, kann die φ½-Informationseinrichtung, neben der in Figur 1 dargestellten und den Tunnelstrom benutzenden Vorrichtung und der in Figur 3 dargestellten, die atomare Kraft benutzenden Vorrichtung, auch mit einer anderen allgemein bekannten Vorrichtung zum Messen der Oberflächenform kombiniert werden, welche die elektrostatische Kapazität, das Licht, die Wärme und den Schall benutzt. Weiter liegt es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, den Tunnelstrom während der Bestrahlung der Probe 2 mit Strahlen (Röntgenstrahlen, ultraviolette Strahlen. Laserlicht, sichtbares Licht und Infrarotstrahlen) unter Benutzung optischer Mittel, wie etwa einer Lichtleitfaser 38 und einer Fokussierungslinse 39, etc. zu messen.
• Figur 4 zeigt ein konkretes Beispiel zur Verwirklichung eines leichter verständlichen Displayformalismus der Tunnelbarriere (φ bzw. der φ½- Information), und der so erhaltenen Höheninformation. In diesem Falle wird die in der in Figur 2 wiedergegebenen Weise, erhaltene Bildinformation auf einem TV-Monitor 20 dargestellt, indem analoge Bildsignale aus den Bildspeicherbereichen 16 und 17 jeweils entsprechend durch Abtastumwandler 40 und 41 entnommen werden, wobei sie in einer Synthetisierschaltung 42 in Farbbildsignale umgewandelt werden. Auf diese Weise kann eine sehr brauchbare Information erhalten werden, weil die Verteilung der Tunnelbarriere φ½ gleichzeitig mit der Feinstruktur der Oberfläche erfaßt werden kann, beispielsweise, wenn die Forminformation isder Oberfläche in grüner Farbe und die φ½-Information in roter Farbe dargestellt wird. Daneben sind Kombinationen verschiedener Farben, Kombinationen aus der Vogelperspektive und helligkeitsmodulierte Darstellungen mit Farben, etc. denkbar. Weiter sind neben den oben beschriebenen Darstellungen die Stereoskopiedarstelldung und die Farbdarstellung, aber auch die Stereoskopiedarstellung und die Darstellung aus der Vogelperspektive möglich, und zwar aufgrund der Verarbeitung durch den Computer.
• Andererseits ist beim Beobachten der Oberfläche durch Hochgeschwindigkeitsabtasten ein Verfahren bekannt, durch welches Rasterabtastzeilen bei jeder Zeile im Display erneuert werden. In diesem Falle ist aber das Verfahren ungeeignet, d.h. wenn gut angeordnete Bilder nur während einer kurzen Zeitperiode im Display stillstehen. Daher wird jedes stillstehendes Bild während einer Zeitperiode ausgegeben, während der ein einzelnes Bild erhalten wird (Rasterabtastung auf einem einzelnen Bild), und danach werden Daten, die in einem anderen Bildspeicherteil aufgezeichnet sind, eingegeben und durch Umschalten des Signalpfades angezeigt, ehe die in Figur 4 wiedergegebenen Abtastumwandler aktiv werden. Auf diese Weise ist es möglich ein stillstehendes Bild während einer slangen Zeit darzustellen, was angenehm ist. Figur 5 zeigt ein konkretes Beispiel zur Durchführung dieser Prozedur. Zusätzlich zu dem in Figur 4 dargestellten Schaltungsaufbau sind Bildspeicherbereiche 50 und 51 sowie weitere Schalter 52, 53 und 54 auf der Dateneingabeseite, wie auch Schalter 55 und 56 auf der Datenausgabeseite angeordnet. Die Figur zeigt einen Zustand, bei der während einer Zeitperiode, in der die Informationen über die dreidimensionale Form im Bildspeicherbereich 50 und die φ½-Information im Bildspeicherbereich 51 aufgezeichnet werden, Informationen. welche zuvor im Bildspeicherbereich 16 und jene, welche zuvor im Bildspeicherbereich 17 gespeichert waren, jeweils entsprechend an die Abtastumwandler 40 und 41 geliefert werden. Wenn das Speichern in den Bildspeicherbereichen 50 und 51 beendet ist, werden die Schalter 52 bis 56 auf die entsprechenden Kontakte an der entgegengesetzten Seite umgeschaltet, und das Aufzeichnen findet erneut in den Bildspeicherbereichen 16 und 17 statt. Während dieser Zeitperiode wird die Anzeige durch Ausgeben der Speicherinhalte der Bildspeicherbereiche 50 und 51 durchgeführt. Obwohl dieses Beispiel die Kombinationen der Höheninformation mit der φ½-Information betrifft, sind auch Kombinationen anderer physikalischer Größen, wie etwa des Tunnelstromes, der Kapazität des Schalls, des Lichtes, der Wärme, der Kraft, etc. sowie weitere Kombinationen bestehend aus mehr als zwei solcher Größen denkbar. Weiter kann die vorliegende Erfindung auf den Fall der Anzeige nur der Information über die dreidimensionale Form (STM-Bild) angewandt werden. Solche Anwendungen weichen nicht vom Rahmen der vorliegenden Erfindung ab.
• Darüber hinaus ist es leicht zu verstehen, obwohl es nicht als konkretes Beispiel dargestellt worden ist, daß es möglich ist, die φ½ Information zu quadrieren und in Form der φ-Information darzustellen. Da weiter die φ½-Verteilung erhalten wird ist es möglich, eine genauere Forminformation dadurch zu erhalten, daß eine Korrekturberechnung über die gemessene Höheninformation durchgeführt wird, beginnend von Werten, die dicht am wahren Wert bei einem Zustand liegen, in welchem φ½ konstant ist. Zur Berechnung wird die Gleichung (2) verwendet, also eine Formel, die den Tunnelstrom, den Feldemissionstrom, etc. darstellt.
• Da es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, die dreidimensionale Form der Oberfläche der Probe zu messen und gleichzeitig die Verteilung der Tunnelbarriere (φ) oder φ½ auf einer Oberfläche zu messen, selbst wenn die Oberfläche aus verschiedenen Arten von Elementen zusammengesetzt ist, ist es auch möglich, sie zu unterscheiden. Da es weiter gemäß der vorliegenden Erfindung möglich ist, Daten gleichzeitig als übliche Oberflächenmessung zu erhalten, kann die Messung in extrem kurzer Zeit, im Vergleich zur Tunnelelektronenspektroskopie, unter Benutzung des Tunnelstromes durchgeführt werden. Da die Messung in einer Zeit, die kürzer als die Hälfte der beim Verfahren unter Benutzung des Tunnelstromes benötigen Zeit ist, durchgeführt werden kann, werden Einflüsse der Drift der Probe verringert, was vorteilhaft ist. Da, was den Tunnelstrom bei der Messung anbetrifft, die Messung mit einem sehr kleinen Strom im Vergleich zu demjenigen durchgeführt werden kann, der bei der Tunnelelektronenspektroskopie erforderlich ist, ist es möglich, die Daten sehr stabil zu erhalten.
• Was die Anzeige anbetrifft, ist es überdies möglich, ein synthetisiertes Bild durch Kombinieren eines Oberflächenformbildes mit einem φ½- oder φ-Bild zu bilden und in diesem Falle die Materieeigenschaften mit hoher Genauigkeit zu erfassen.

Claims (23)

1. Oberflächenmikroskop, aufweisend:

Vorrichtungen (13, 14, 15) zum Heranbringen einer Sonde (1, 30) dicht an eine Oberfläche einer Probe (2), um sie mit der Sonde abzutasten;

Vorrichtungen (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 36) zum Erfassen einer physikalischen Größe (I), die in einem Spalt zwischen der Sonde und der Probe erzeugt wird, um die Oberflächenform der Probe zu messen;

Vorrichtungen (3, 7, 11, 12) zum Variieren des Spaltes zwischen der Sonde und der Probe;

Vorrichtungen (4, 5, 8) zum Erfassen einer variablen Komponente (ΔI) der genannten variierenden physikalischen Größe, begleitet von Anderungen im Spalt mit Hilfe der Vorrichtung zum Variieren desselben;

Dividiervorrichtungen (6) zum Berechnen des Verhältnisses (ΔI/I) zwischen der variablen Komponente der physikalischen Größe und der physikalischen Größe selber;

Vorrichtungen (7, 25, 26) zum Berechnen der Tunnelbarriereninformation auf der Basis des durch die Divldiervorrichtungen erhaltenen Quotienten (ΔI/I); und

Displayvorrichtungen (19, 20, 21) zum Anzeigen mindestens einer einzelnen Oberflächenform der Probe, die mit der genannten Vorrichtung zum Messen der Oberflächenform der Probe gemessen wurde, sowie der Tunnelbarriereninformation, die durch die Vorrichtung zum Berechnen derselben ermittelt wurde.

2. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 1, bei den die Vorrichtungen zum Berechnen der Tunnelbarriereninformation eine Vorrichtung (26) zum Berechnen eines Wertes umfassen, der dem Kehrwert der Verschiebung (ΔS) des Spaltes proportional ist, welcher durch die Vorrichtungen zum Variieren des Spaltes verändert wurde, und daß sie eine Multipliziervorrichtung (25) zum Multiplizieren des genannten proportionalen Wertes umfaßt, der von der Vorrichtung (26) zum Berechnen des Wertes des genannten Quotienten geliefert wird, welcher seinerseits von der genannten Dividiervorrichtung (6) geliefert wird.

3. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 2, bei dem Vorrichtungen zum Berechnen der Tunnelbarriereninformation weiter Vorrichtungen (7) zum Erfassen einer Komponente des genannten Quotienten umfassen, der eine vorbestimmte Phasenbeziehung zu den Änderungen desjenigen Spaltes, der durch die genannten Vorrichtungen zum Variieren des Spaltes verändert wird gegenüber dem genannten Quotienten aufweist, der von der genannten Dividiervorrichtung geliefert wird.

4. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 3, bei dem die Vorrichtung zum Erfassen der Quotientkomponente ein Einrastverstärker ist.

5. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die physikalische Größe der Tunnelstrom ist.

6. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 5, bei dem die Vorrichtung zum Berechnen der Tunnelbarriereninformation die Tunnelbarriereninformation φ½ durch Benutzen der folgenden Gleichung berechnet:

dabei ist: K&sub2; eine Konstante; ΔS die Anderung des Spaltes; I die Stärke des Tunnelstromes; und ΔI die variable Komponente des Tunnelstromes.

7. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung zum Messen der Oberflächenform der Probe aufweist: Vorrichtungen (5, 8, 10, 30, 31, 36) zum Servosteuern der Sonde, so daß die Niederfrequenzkomponente der erfaßten physikalischen Größe einen vorbestimmten Wert aufweist; Vorrichtungen (27, 16) zum Erfassen des Oberflächenformsignals auf der Basis eines Servosignals, das von der Servosteuerungsvorrichtung geliefert wird; und Vorrichtungen (12, 3) zum Steuern des Spaltes zwischen der Sonde und der Probe auf der Basis des genannten Servosignals.

8. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 7, bei dem die Servosteuerungsvorrichtung aufweist: eine Physikogrößen-Einstellvorrichtung (8) zum Einstellen der genannten physikalischen Größe; eine Vorrichtung (5) zum Erfassen eines Fehlers zwischen dem von der Physikogrößen-Einstellvorrichtung eingestellten Wertes und dem erfaßten physikalischen Wert; und Vorrichtungen zum Ausgeben des Servosignals auf der Basis des Fehlers, der von den Fehlererfassungsvorrichtungen (6, 10) erfaßt worden ist.

9. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 8, bei dem die Ausgabevorrichtung eine Proportional-Integral-Regelvorrichtung (10) zum Ausgeben eines Servosignals umfaßt, bestehend aus einem Teil, der dem auf dem genannten Fehler basierenden Signal proportional ist, und einem Teil, der durch Integrieren desselben erhalten wird.

10. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 1, das weiter Vorrichtungen (38 39) zum Bestrahlen des Oberflächenabschnittes der Probe, der den Spalt bildet, mit Strahlung.

11. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 10, bei dem die Strahlung ein Röntgenstrahl, ein ultravioletter Strahl, Laserlicht, sichtbares Licht oder ein Infrarotstrahl ist.

12. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die genannte physikalische Größe mindestens den Tunnelstrom oder den Feldemissionsstrom umfaßt.

13. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die physikalische Größe die zwischen der Sonde und der Probe wirkende atomare Kraft ist.

14. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 13, bei dem die Vorrichtung zum Messen der Oberflächenform der Probe aufweist: Vorrichtungen (30, 31) zum Erfassen der atomaren Kraft; Vorrichtungen (11, 12, 36) zum Servosteuern der Sonde in der Weise, daß die Niederfrequenzkomponente des erfaßten Signals einen vorbestimmten Wert aufweist; Vorrichtungen (27 16) zum Erfassen des Oberflächenformsignals auf der Basis des Servosignals, das von der Servosteuervorrichtung geliefert wird; und Vorrichtungen (12, 3) zum Steuern des Spaltes zwischen der Sonde und der Probe auf der Basis des Servosignals.

15. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 14, bei dem die Vorrichtung zur Erfassung der atomaren Kraft ein berührungslos arbeitender Verschiebungsmesser (31) zum Erfassen der Verschiebung der Probe ist.

16. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die Anzeigevorrichtung Mittel zum Überlagern der Information bezüglich der Oberflächenform der Probe über die Tunnelbarriereninformation umfaßt (Figur 4, Figur 5), und daß sie Vorrichtungen (19, 20, 21) zum Anzeigen des Signals umfaßt, das durch die Überlagerung in der Überlagerungsvorrichtung erhalten wird.

17. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 16, bei dem die Überlagerungsmittel aufweisen: einen ersten Bildspeicherbereich (16) zum Speichern des Oberflächenformsignals, das durch die Vorrichtung zum Messen der Oberflächenform der Probe gemessen wird; einen zweiten Bildspeicherbereich (17) zum Speichern der Tunnelbarriereninformation, die von der Vorrichtung zum Berechnen der Tunnelbarriereninformation geliefert wird; und eine Synthetisierschaltung (42) zum Synthetisieren eines Signals aus den Signalen, die vom ersten und vom zweiten Bildspeicherbereich geliefert werden.

18. Oberflächemnikroskop nach Anspruch 1, bei dem die Displayvorrichtung aufweist: mindestens einen Bildspeicherbereich (16, 17) zum Speichern des Informationssignals über die Obefflächenform der Probe und des Tunnelbarriereninformationssignals; und eine Displayvorrichtung (19, 20, 21) zum Anzeigen der im Bildspeicherbereich gespeicherten Bildinformation.

19. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 18, bei dem die Displayvorrichtung ein CRT-Monitor (21) ist.

20. Obefflächenmikroskop nach Anspruch 18, bei dem die Displayvorrichtung einen CTR (19) zum Aufzeichnen der im Bildspeicherbereich gespeicherten Signale, und einen TV-Monitor (20) zum Anzeigen der VTR-aufgezeichneten Signale umfaßt.

21. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 20, bei dem die Displayvorrichtung weiter einen Computer (18) für die Datenverarbeitung der im VTR aufgezeichneten Signale, und eine Vorrichtung (18) umfaßt die bewirkt, daß der Bildspeicherbereich die vom Computer datenverarbeiteten Signale speichert.

22. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die Displayvorrichtung aufweist: mindestens zwei Bildspeicherbereiche (16, 17); Vorrichtungen (52 53, 54) zum Wählen eines der beiden Bildspeicherbereiche und zum Bewirken, daß der gewählte Bildspeicherbereich das Informationssignal über die Oberflächenform der Probe und das Tunnelbarrieren-Informationssignal speichert; und eine Displayvorrichtung (19, 20, 21) zum Anzeigen der Bildinformation, die in dem anderen der Bildspeicherbereiche gespeichert ist, der nicht von der genannten Vorrichtung gewählt worden ist.

23. Oberflächenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die Displayvorrichtung aufweist: mindestens einen ersten und einen zweiten Bildspeicherberreich (16, 17) zum Speichern des von der Vorrichtung zum Messen der Oberflächenform der Probe gelieferten Signals; mindestens einen dritten und einen vierten Bildspeicherbereich (50, 51) zum Speichern der Tunnelbarriereninformation, die von der Tunnelbarrieren-Informationsberechnungsvorrichtung geliefert wird; Vorrichtungen (52-56) zum Bewirken, daß einer der Bereiche des jeweils ersten und zweiten Bildspeicherbereichs das Signal über die Oberflächenform der Probe speichert, wenn Signale aus dem anderen Speicher jeweils des ersten und des zweiten Bildspeicherbereichs ausgelesen werden, sowie zum gleichzeitigen Bewirken, daß ein Bereich jeweils des dritten und vierten Bildspeicherbereichs das Tunnelbarrieren-Informationssignal speichert, wenn Signale aus dem anderen Bereich des jeweils dritten und vierten Bildspeicherbereichs gelesen werden; eine Synchronisierschaltung (42) zum Synchronisieren eines der genannten Signale, die aus dem anderen Bereich des ersten und des zweiten Bildspeicherbereichs und aus dem anderen Bereich des dritten und des vierten Bildspeicherbereichs gelesen werden; und eine Displayvorrichtung (19, 20, 21) zum Anzeigen des von der Synchronisierschaltung gelieferten synthetisierten Signals.