DE69213562T2

DE69213562T2 - Rastertastmikroskop

Info

Publication number: DE69213562T2
Application number: DE69213562T
Authority: DE
Inventors: Ken C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Eguchi; Hisaaki C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Kawade; Hiroshi C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Matsuda; Toshihiko C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Takeda; Yoshihiro C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Yanagisawa
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-06-05
Filing date: 1992-06-05
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2012-06-06
Also published as: JP2919119B2; EP0517270A1; DE69213562D1; CA2070359A1; CA2070359C; ATE142774T1; EP0517270B1; US5391871A; JPH04359105A

Description

Hintergrund der Erfindung

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rastertastmikroskop mit einem Mechanismus zum Korrigieren einer Neigung zwischen einer Abtastebene einer Sonde und einer Probenebene sowie eine Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung mit einem ähnlichen Mechanismus.

Stand der Technik

Ein SXM bezieht sich als Sammelbegnif auf ein Verfahren zum Abtasten einer Oberflächenbeschaffenheit einer Probe durch Abtasten bzw. Scannen einer Oberfläche der Probe mittels einer Sonde unter Erfassen verschiedener gegenseitiger Wirkungen, die von der Entfernung zwischen Sonde und Probe abhängen. Es ist ein von einem Rastertunnelmikroskop (nachstehend als STM bezeichnet), das einen Tunnelstrom ausnutzt, abgeleitetes Meßverfahren, und wird unter Bezug hierauf erläutert. Das von G. Binning et al. entwickelte STM (G. Binning et al., Helvetica Physica Acta, 55, 726 (1982)] verwendet das Phänomen, daß ein Tunnelstrom fließt, wenn sich eine Metalsonde einer leitenden Probe auf eine Entfernung von ca. 1 nm nähert, während eine Spannung dazwischen angelegt ist. Da der Strom bei Änderung der Entfernung dazwischen sehr empfindlich monoton zunimmt, kann die Oberflächenbeschaffenheit der Probe sehr präzise erfaßt werden, wenn die Probe abgetastet wird, während der Tunnelstrom und die Höhe der Sonde erfaßt werden.
Wenn die Oberflächenbeschaffenheit der Probe beobachtet wird, während die Sonde die Probe abtastet, wird entweder ein Verfahren zum Messen der Änderung der Höhe der Sonde verwendet, während die Höhe der Sonde derart eingestellt wird, daß der Tunnelstrom konstant gehalten wird (Konstantstrombetrieb), wie beispielsweise in JP-A-2-1 47 803 offenbart ist, oder es wird ein Verfahren zum Messen der Änderung des Tunnelstroms Jt verwendet, wenn die Sonde abtastet, während deren Höhe auf ein konstantes Niveau fixiert ist (Konstanthöhenbetrieb). In jedem Fall ist es erforderlich, daß das Abtasten der Sonde parallel zur Probenebene erfolgt. Wenn beispielsweise ein Kristall hochorientierten Graphits (HOPG) beobachtet wird, wird ein in Fig. 1 gezeigtes Ergebnis in Entsprechung mit der Anordnung von Atomen erhalten.
Wenn jedoch die Probe schräg angeordnet ist, wird die Oberflächenbeschaffenheit mit einer Verzerrung beobachtet. Wenn ein Abtastbereich der Sonde relativ klein ist, kann es möglich sein, durch Verwendung von elektrischen Filtern ein von einer tatsächlichen Struktur der Oberflächenbeschaffenheit stammendes Signal abzutrennen, wenn jedoch die Neigung groß ist, ist es schwierig, über einen genügend großen Bereich zu beobachten. Im Konstantstrombetrieb ist beispielsweise eine kontinuierliche Messung nicht erreichbar, wenn eine Gesamthöhenverschiebung der Sonde aufgrund der Neigung der Probe einen Höhenfeineinstellbereich der Sonde übersteigt.
Wenn die Probe bei gewähltem Konstanthöhenbetrieb geneigt ist, kann die Sonde zu weit von der Probe entfernt sein, um den Tunnelstrom zu erfassen, oder die Sonde kann die Probe berühren. Um dies zu vermeiden, wird selbst beim Konstanthöhenbetrieb eine Rückkoppelung eingesetzt, so daß der erfaßte Tunnelstrom innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten wird, und die Höhe der Sonde wird graduell geändert. In einem derartigen Fall ist die Korrektur über den Höhenfeineinstellbereich der Sonde hinaus nicht erreichbar.
Selbst wenn sie innerhalb des Bereichs liegt, besteht insofern, als die Richtung der Abtastoberfläche (nachstehend als XY-Ebene bezeichnet) der Sonde und die Richtung der Probenoberfäche (nachstehend als X'Y'-Ebene bezeichnet) nicht parallel zueinander sind, ein Unterschied zwischen einer Verschiebung der Sonde und einer tatsächlichen räumlichen Entfernung, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn ein zwischen der Probenoberfläche und der Abtastoberfläche definierter Winkel Θ ist, ist nämlich dem erfaßten Signal eine Verändemng in der Höhe aufgrund der Neigung überlagert. Selbst wenn eine Niederfrequenzkomponente aufgrund der Neigung der Probe durch einen elektrischen Filter abgeschnitten wird, wie es beim Stand der Technik erfolgt, um ein von einer periodischen Struktur von Atomen erzeugtes Signal abzutrennen, ist die Entfernung in dem resultierenden Signal durch einen Faktor cosΘ komprimiert, da die Verschiebung der Sonde die 1/cosΘ-fache Länge auf der Probenoberfläche abtastet. Im Ergebnis ist die Entfernungspräzision niedrig, und je größer der Beobachtungsbereich ist, desto größer ist ein Unterschied zwischen dem tatsächlichen Abstand und der Abtastentfernung.
Dies gilt in gleicher Weise für ein SXM, das die gleichen Bewegungsmechanismen der Sonde und der Probe wie diejenigen des STM aufweist. Ferner führt bei einer Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung hoher Dichte in der Größenordnung eines Moleküls unter Verwendung des SXM das Nicht-Zusammenfallen der XY-Ebene und der X'Y',- Ebene oder deren Nicht-Parallelität zu einem Verlust an Präzision bei der Aufzeichnung Wiedergabe und Löschung.
Die japanische Offenlegungsschrift 2-147 803 schlägt ein STM mit einem Mechanismus zum manuellen Rotieren einer Probe vor, um das obige Problem zu lösen, es ist jedoch schwierig und störanfallig, eine derartige genaue Operation manuell durchzuführen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rastertastmikroskop zu schaffen, das eine SXM-Messung oder ein SXM verwendet und eine Neigung einer abzutastenden Ebene mißt oder einstellt, um die Meßpräzision oder die Aufzeichnungs- und Wiedergabepräzision zu verbessern.
Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung sowie einen Neigungsmeßmechanismus mit einer derartigen Meß- oder Einstellfunktion zu schaffen.
Um die vorstehend genannten Aufgaben zu lösen, schafft die vorliegende Erfindung ein Rastertastmikroskop gemäß Anspruch 1 und eine Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung gemäß Anspruch 11.
Das Rastertastmikroskop und die Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung der vorliegenden Erfindung wählen eine Signalkomponente mit einer optionalen Raumfrequenz aus den Signalkomponenten aus, die die von der Sonde erfaßte Oberflächenbeschaffenheit darstellen, und stellen die Neigung in Entsprechung mit dem erfaßten Signal ein oder messen diese.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine theoretische Signalwellenform einer Änderung in der Höhe einer Sonde,
Fig. 2 zeigt eine tatsächliche Signalwellenform einer Anderung in der Höhe der Sonde,
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm einer STM-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die ein Beispiel eines Rastertastmikroskops ist,
Fig. 4 zeigt einen Aufbau einer in Fig. 3 gezeigten XY-Neigungsbühne,
Fig. 5 zeigt eine Spannungssignalwellenform, die an einen in Fig. 3 gezeigten Z-Achsenfeineinstellmechanismus angelegt wird,
Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer AMF-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, die ein weiteres Beispiel des Rastertastmikroskops ist,
Fig. 7 zeigt eine Signalwellenform einer Verschiebung eines in Fig. 6 gezeigten Auslegers, und
Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm einer lnformationsaufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend unter Bezug auf die Fig. 3 bis 8 erläutert.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm des STM der vorliegenden Erfindung, das ein Beispiel des Rastertastmikroskops ist. Eine Sonde 1 ist aus einem leitenden Material wie Gold, Wolfram, Platin, Platin-Iridium-Legierung, Platin-Rhodium-Legierung, mit Palladium beschichtetem Gold, Silber, Wolframkarbid oder Titankarbid hergestellt. Ein Ende der Sonde list vorzugsweise so spitz wie möglich ausgebildet. Ein Ende eines Wolframstifts mit einem Durchmesser von 1 mm kann beispielsweise durch ein Polierverfahren mittels eines elektrischen Feldes gespitzt werden, wobei die Sonde auch auf andere Weise gebildet werden kann. Es muß nicht notwendigerweise nur eine Sonde 1 vorhanden sein, sondern es können auch mehrere sein.
Eine zu beobachtende Probe 2 ist auf einem Probentisch mit einer XY-Neigungsvorrichtung 4 auf einer XY-Bühne 3 angebracht, die auf einer XY-Grobbewegungsvorrichtung 5 montiert ist, an die ein Ausgang einer XY-Grobbewegungstreiberschaltung 6 angeschlossen ist. Eine XY-Neigungstreiberschaltung 7 ist mit der XY-Neigungsvorrichtung 4 verbunden. Die Sonde list auf einer in Richtung der Höhe feinbewegbaren Z-Richtungsfeinbewegungsvorrichtung 8 und einer in den X- und Y-Richtungen abtastenden XY- Feinbewegungsvorrichtung 9 angebracht. Die Feinbewegungsvorrichtungen 8 und 9 verwenden Steiglieder, wie beispielsweise piezoelektrische Elemente, die eine Feineinstellung in der Größenordnung von A gestatten, und sie werden von einer Servoschaltung 10 bzw. einem XY-Abtasttreiber 11 getrieben.
Andererseits ist eine Vorspannungsquelle 12 zum Anlegen einer Vorspannung Vb zwischen die Sonde 1 und die Probe 2 geschaltet, und ein Tunnelstromverstärker 13 zum Erfassen und Verstärken eines Tunnelstroms Jt ist dazwischengeschaltet. Ein Sondennivellierdetektor 14 ist mit der Servoschaltung 10 und dem Tunnelstromverstärker 13 verbunden, und ein Ausgangssignal des Nivellierdetektors 14 wird durch einen Separator 15 an die XY-Neigungstreiberschaltung 7 geliefert. Ein Mikrocomputer 16 zum Steuern dieser Einheiten und zum Durchführen der Signalverarbeitung ist mit der XY-Grobbewegungstreiberschaltung 6, der XY-Abtasttreiberschaltung 11, der Vorspannungsquelle 12 dem Tunnelstromverstärker 13, dem Sondennivellierdetektor 14 und dem Separator 15 verbunden. Eine Anzeigeschaltung 17 zum Anzeigen des verarbeiteten Ergebnisses ist mit dem Mikrocomputer 16 verbunden.
Die Vorspannung Vb wird von der Vorspannungsquelle 12 zwischen der Sonde 1 und der Probe 2 angelegt, und der zwischen der Sonde 1 und der Probe 2 fließende Tunnelstrom Jt wird von dem Tunnelstromverstärker 13 erfaßt und verstärkt. Sowohl im Konstantstrombetrieb als auch im Konstanthöhenbetrieb wird das unter Verwendung des Mikrocomputers 16 erfaßte Nivelliersignal der Sonde 1 durch den Separator 15 in eine Nivellierkomponente aufgrund einer Änderung der Ebenheit oder des Elektronenzustands auf der Oberfläche der Probe 2 und eine durch die Neigung der Probe 2 verursachte Komponente aufgeteilt. Die letztere Komponente wird in die XY-Neigungssteuerschaltung 7 rückgekoppelt, um die Neigung der Probe 2 auf dem Probentisch derart zu korrigieren, daß die Komponente im wesentlichen Null ist.
Eine Neigungskorrekturoperation ist nachstehend ausführlich erläutert. Die Sonde 1 tastet in jeder Betriebart längs der Richtung der X-Achse ab, um das Höhensignal der Probe 2 zu erzeugen. Die Sonde 1 kann je nach Bedarf auch wechselweise bzw. hin- und hergehend abtasten. Das erhaltene Signal wird von dem Separator 15 in mehrere Frequenzbänder, einschließlich eines gewünschten Frequenzbereichs, unterteilt. Die niedrigste Frequenz aufgrund der Neigung der Probe wird normalerweise aus diesen Frequenzen ausgewählt, und die Neigung der Probe 2 wird unter Verwendung der XY-Achsenneigungstreiberschaltung 7 derart korrigiert, daß die Amplitude der gewählten Frequenz minimal wird. Die Abtastung kann über eine durch einen gewünschten Beobachtungsbereich festgelegte geeignete Entfernung ausgeführt werden, und die Abtastung sowie die Rückkoppelung in den XY-Neigungstreiber 7 kann je nach Bedarf mehrere Male durchgeführt werden. Die gleiche Operation wird für die Y-Achse durchgeführt so daß die Probenebene (X'Y'-Ebene) parallel zur Sondenabtastebene (XY-Ebene) wird und das resultierende Beobachtungsausgangssignal eine hohe dimensionale Präzision aufweist.
Ein Lock-in-Verstärker kann dazu verwendet werden, um das Signal einer beliebigen Frequenz abzutrennen und die Amplitude der abgetrennten Signalkomponente zu bestimmen. Der Lock-in-Verstärker ermöglicht die Untersuchung der Amplitude der Signalkomponente einer beliebigen Frequenz des Eingangssignals und gestattet ferner die Untersuchung der Amplitude der Eingangssignalkomponente, die die gleiche Frequenz wie diejenige eines Eingangsreferenzsignals aufweist. Somit kann die Neigung der Probe 2 einfacher durch Verwendung des Abtastsignals der Sonde 1 als Referenzsignal erfaßt werden.
Was die XY-Neigungsvorrichtung 4 betrifft, kann eine solche Vorrichtung eingesetzt werden, bei der die Zwei-Achsensteuerung der Neigung der Probe fein und präzise ausgeführt werden kann, und es ist praktisch, eine XY-Neigungsbühne oder ein XY-Goniometer einzusetzen. Erstere ist eine auf drei Punkten gelagerte Bühne, und die Höhen von zumindest zweien der drei Lagerungspunkte sind variabel. Die Neigung der Bühnenebene kann durch deren Justierung verändert werden. Die Länge der Lagerpunkte kann durch ein mechanisches Verfahren, wie beispielsweise einen Mikrometerkopf oder durch ein piezoelektrisches Element, verändert werden. Der letztgenannte XY-Goniometer erreicht die Zwei-Achsenneigungsdrehung durch Kombinieren zweier Goniometer, die die Neigungsdrehung der Bühne gestatten. Obwohl es nur einen kleinen Veränderungsbereich ermöglicht, ist es vorzuziehen, da es eine feinere Einstellbarkeit erreicht. Wo der Beobachtungsbereich groß ist, ist erstere vorzuziehen.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel der XY-Neigungsvorrichtung 4. Die Bühne 21 ist durch drei Punkte auf einer Referenzebene 22 gelagert. Die zwei Punkte A und B sind durch piezoelektrische Elemente 23 und 24 gelagert, und der Abstand zwischen der Referenzebene 22 und der Bühne 21 kann in der Größenordnung von A variiert werden. Der verbleibende Lagerpunkt C stellt durch einen Vorsprung 25 einen Punktkontakt zu der Referenzebene 22 derart her, daß die freie Bewegung der Bühne 21 für die Bewegung der piezoelektrischen Elemente 23 und 24 nicht behindert wird. Die drei Lagerpunkte A, B und C sind an Ecken eines regulären Dreiecks auf der Referenzebene 22 angeordnet, und die Lagerpunkte C und A sind parallel zur X-Achsenrichtung der XY-Bühne 3 angeordnet.
Hochorientierter Graphit (HOPG) mit einer Fläche von 10 mm² wurde als Probe 2 verwendet, um ein Experiment durchzuführen, um die Wirkung des STM der vorliegenden Erfindung zu bestätigen. Die Sonde list aus Platinum-Rhodium-Legierung (Rhodium 20 %) mit einem Durchmesser von 1 mm hergestellt, die maschinengeschliffen ist. Der HOPG wird auf die XY-Neigungsbühne 21 montiert, die Probenvorspannung von 1 Volt wird als Vorspannung Vb angelegt, und die Sonde 1 wird durch die XY-Richtungsfeinbewegungsvorrichtung 9 derart an die Probe angenähert, daß der Tunnelstrom Jt 1 nA erreicht. Dann tastet die Sonde 1 längs der X-Achsenrichtung über die Länge von 1 mm bei der Abtastfrequenz von 0,1 Hz im Konstantstrombetrieb wechselweise ab, bei dem das Niveau der Sonde 1 von der Servoschaltung 13 derart gesteuert wird, daß der Tunnelstrom Jt konstant gehalten wird. Eine durch die Servoschaltung 10 an die XY-Richtungsfeinbewegungsvorrichtung 9 angelegte Spannungssignalwellenform ist in Fig. 5 gezeigt. Das Signal wird vom Separator 15 in eine Signalkomponente mit einer Frequenz von 0,12 Hz und eine Signalkomponente mit einer höheren Frequenz aufgetrennt. Die Höhe des Lagerpunkts A wird derart eingestellt, daß die Signalkomponente mit der Frequenz von weniger als 0,12 Hz im wesentlichen Null ist, während das Abtasten der Sonde 1 längs der X-Achsenrichtung bei der Abtastfrequenz von 0,1 Hz fortgesetzt wird. Die Höhe des Lagerpunkts B wird derart eingestellt, daß die Frequenzkomponente mit weniger als 0,12 Hz des an die XY-Feinbewegungsvorrichtung 9 angelegten Spannungssignals im wesentlichen Null ist.
Nach der vorstehenden Operation wurde ein Bereich von 200 A² auf der Oberfläche des HOPG abgetastet, und ein verzerrungsfreies Bild mit einem zweiten nächsten Kohlenstoffatomabstand von 2,46 A wurde sowohl im Konstantstrombetrieb als auch im Konstanthöhenbetrieb gemessen. Eine ähnliche Beobachtung wurde bei einem von dem obigen Beobachtungsbereich um 0,5 mm längs der X-Achse beabstandeten Punkt gemacht. Es wurde ebenfalls ein verzerrungsfreies Atombild gemessen.
Erfindungsgemäß kann das STM-Bild mit einer hohen dimensionalen Präzision über einen weiten Bereich erhalten werden. Sobald die Oberfläche der Probe 2 und die Abtastebene der Sonde 1 parallel ausgerichtet werden, ist das Risiko der Kollision der Sonde 1 mit der Probe 2 während des Abtastens vermieden, und die Korrekturoperation der Position der Z-Achsenrichtung der Sonde ist vermindert. Dementsprechend kann die Probe mit einer höheren Abtastgeschwindigkeit beobachtet werden.
Die vorliegende Erfindung kann nicht nur beim Messen der Tunnelströme Jt bei verschiedenen Punkten, sondern auch bei einem Tunnelabtastspektrometer(STS)-Verfahren eingesetzt werden, bei dem die Tunnelströme Jt und die jeweiligen Punkte durch die Vorspannung Vb unterschieden werden.
Die vorliegende Erfindung ist ferner bei anderen SXM einsetzbar, die die gleichen Treibervorrichtungen für die Probe und die Sonde wie diejenigen bei dem STM aufweisen, beispielsweise einem Rasteratomarkraftmikroskop (AFM), das die Struktur der Probenoberfläche durch Messen einer zwischen der Sonde und der Probe wirkenden atomaren Kraft erfaßt und eine Rückkoppelung einsetzt, um die atomare Kraft konstant zu halten. Wenn die vorliegende Erfindung bei dem AFM eingesetzt wird, wird eine Krafterfassungssonde 31 mit einem daran befestigten Ausleger 32 anstatt der Sonde 1 des ATM verwendet, wie in Fig. 6 gezeigt ist Die Krafterfassungssonde 31 kann beispielsweise eine Diamantnadel und der Ausleger 32 ein Si&sub3;N&sub4;-Dünnfilm mit einer Elastizitätskonstanten von 0,5 Nim sein. Ein Auslegerverschiebungsmeßsystem 33 zum Messen einer Verschiebung des Auslegers 32 kann auch aus einem von verschiedenen bekannten Systemen gebildet sein, wobei ein optisches Hebelsystem bevorzugt ist. Bei dem AFM sind die Vorspannungsquelle und der Tunnelstromverstärker des STM nicht erforderlich, da der Tunnelstrom nicht gemessen wird, jedoch sind andere Elemente mit den gleichen ihnen zugeordneten Bezugszeichen identisch mit denjenigen der Ausführungsform des STM.
Ein Experiment zum Bestätigen der Wirkung der vorliegenden Erfindung, wenn sie bei dem AFM eingesetzt wurde, wurde mit gutem Ergebnis durchgeführt. Eine Compact-Disk wird auf der XY-Neigungsvorrichtung 4 als Probe 2 befestigt, und die Krafterfassungssonde 31 wird mittels der XY-Richtungsfeinbewegungsvorrichtung 9 an die Probe 2 angenähert, bis die Affinität 10&supmin;&sup7; Nim erreicht. Die Krafterfassungssonde 31 tastet dann wechselweise längs der X-Achsenrichtung über die Länge von 0,5 mm bei der Abtastfrequenz von 0,1 Hz ab. Das von dem Auslegerverschiebungsmeßsystem 33 erfaßte Verschiebungssignal des Auslegers 32 ist in Fig. 7 gezeigt.
Dieses Signal wird von dem Separator 15 in die Frequenzkomponente von kleiner als 0,12 Hz und die Frequenzkomponente unterteilt, die größer als diese ist, und die Neigung längs der X-Achsenrichtung wird durch die XY-Neigungsvorrichtung 4 derart eingestellt, daß die Signalkomponente mit der Frequenz von kleiner als 0,12 Hz im wesentlichen Null ist, während das Abtasten der Krafterfassungssonde 31 fortgesetzt wird. Ähnliche Einstellungen werden vorgenommen, während die Abtastentfernung schrittweise auf 1 mm, 2 mm und 5 mm ausgedehnt wird. In ähnlicher Weise tastet die Krafterfassungssonde 31 längs der Y-Achsenrichtung über die Entfernung von bis zu 5 mm bei der Abtastfrequenz von 0,1 Hz ab, und die Neigung längs der Y-Achsenrichtung wird derart eingestellt, daß die Frequenzkomponente mit weniger als 0,12 Hz des Auslegerverschiebungssignals im wesentlichen Null ist.
Nach der vorstehenden Operation wurde ein Bereich von 50 µm² auf der Oberfläche der Probe 2 abgetastet, und ein Bild ohne Aufzeichnungs-Bit-Verzermng wurde erfaßt. Eine ähnliche Messung wurde bei einem Punkt ausgeführt, der von dem obigen Beobachtungspunkt um 3 mm längs der X-Achsen- und Y-Achsenrichungen beabstandet war, und das Aufzeichnungs-Bit-Bild ohne Verzerrung wurde erfaßt. Auf diese Weise kann das AMF-Bild ohne Verzerrung über einen weiten Bereich beobachtet werden.
Wenn die Einstellung der XY-Neigungsvorrichtung 4 weggelassen wurde, war die Messung bei dem ersten Beobachtungsbereich von 50 µm² erfolgreich, jedoch war die Beobachtung an dem vom obigen Beobachtungsbereich um 3 mm längs der X-Achsen- und Y- Achsenrichtungen beabstandeten Punkt nicht erfolgreich, da die Krafterfassungssonde 31 mit der Probe 2 kollidierte.
Die vorliegende Erfindung ist außerdem einsetzbar bei einem Raster-Magnetkraft-Mikroskop (MFM), das durch Verwendung eines ferromagnetischen Materials wie beispielsweise Eisen oder Nickel oder einer Sonde, die aus einem anderen Material hergestellt ist, welches mit dem ferromagnetischen Material beschichtet ist, als Sonde in dem AFM eine lokale Magnetkraft auf eine Probe mißt, bei einem Raster-Ionenleitfähigkeit-Mikroskop (SICM), das eine Probenoberflächenstruktur in elektrolytischer Lösung durch eine Änderung einer lonenleitfähigkeit unter Verwendung einer Mikropipetten-Elektrode als Sonde mißt, bei einem Raster-Akusto-Mikroskop (STUM oder STAM), das eine Oberflächenstruktur einer Probe unter Verwendung einer Änderung in Amplitude oder Phase einer Ultraschallwelle mißt, die von der Probenoberfläche reflektiert und zur Sonde zurückgeworfen wird, während die Sonde von der Ultraschallwelte in Schwingungen versetzt ist, oder das eine Schallwelle mißt, die in der Probe entsprechend einer Stärke einer atomaren Kraft erzeugt wird, welche auf die von der Ultraschallwelle in Schwingungen versetzte Sonde und die Probenoberfläche einwirkt, und bei einem Raster-Nahfeldlicht-Mikroskop (NSOM), das eine optische Sonde mit einem Stiftloch verwendet, dessen Durchmesser kleiner als eine Wellenlänge von Licht ist, und das mittels der optischen Sonde abklingendes Licht erfaßt, das auf der Probenoberfläche erzeugt wird, wenn die Probe durch eine externe Lichtquelle beleuchtet wird, um die Oberflächenstruktur der Probe zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung ist ferner bei einer Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung mit hoher Dichte einsetzbar, die durch Verwendung des STM oder des SXM des gleichen Prinzips Information auf der Probe als Aufzeichnungsmedium aufzeichnen, davon wiedergeben oder sie löschen kann. Fig. 8 zeigt eine Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung, die das STM verwendet. Sie ist im Grundsatz identisch mit der in der vorhergehenden Ausführungsform gezeigten STM-Vorrichtung, sie unterscheidet sich jedoch hiervon dadurch, daß sie mit einer Impulsquelle 41 zum Aufzeichnen und Wiedergeben von Information versehen ist und ein Aufzeichnungsmedium 42 anstatt der Probe 2 verwendet. Die Sonde 1 wird zum Aufzeichnen und Wiedergeben von Information verwendet, und sie kann aus einem Stift aus Gold (Au) mit einem Durchmesser von 0,3 mm gebildet sein, der in Salzsäure mittels eines elektrischen Feldes poliert ist. Die XY-Neigungsvorrichtung 4 kann identisch mit der in Fig. 4 gezeigten sein. Das Aufzeichnungsmedium 42 kann durch epitaktisches Aufdampfen von Gold mit einer Dicke von 5000 Å bei einer Substrat-Temperatur von 450ºC auf einen gespaltenen Glimmer gebildet werden.
Ein Experiment zum Bestätigen der Wirkung der vorliegenden Erfindung, wenn die vorliegende Erfindung bei einer derartigen Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung eingesetzt wurde, wurde mit einem guten Ergebnis durchgeführt. Nach dem Aufbringen des Aufzeichungsmediums 42 auf die XY-Neigungsvorrichtung 4 in der vorstehend beschriebenen Weise wird die Vorspannung Vb von 100 mV angelegt, und die Sonde 1 wird durch Verwendung der XY-Feinbewegungsvorrichtung 9 dem Aufzeichnungsmedium 42 derart angenähert, daß der Tunnelstrom Jt 0,1 nA erreicht. Dann tastet die Sonde 1 wechselweise über die Entfernung von 500 µm längs der X-Achsenrichtung bei der Abtastfrequenz von 0,1 Hz ab, während das Niveau der Sonde 1 von der Servoschaltung 10 im Konstantstrombetrieb derart gesteuert wird, daß der Tunnelstrom Jt konstant gehalten wird. Das durch die Servoschaltung 10 an die XY-Feinbewegungsvorrichtung 9 angelegte Spannungssignal wird von dem Separator 15 in die Frequenzkomponente mit weniger als 0,12 Hz und die Frequenzkomponente mit mehr als 0,12 Hz aufgeteilt. Die Sonde tastet kontinuierlich ab, und die Höhe des Lagerpunkts A wird derart eingestellt, daß die Signalkomponente mit der Frequenz kleiner als 0,12 Hz im wesentlichen Null ist. In ähnlicher Weise tastet die Sonde 1 längs der Y-Achsenrichtung bei der Abtastfrequenz von 0,1 Hz ab, und die Höhe der Lagerpunkts B wird von dem piezoelektrischen Element 24 derart eingestellt, daß die Frequenzkomponente mit weniger als 0,12 Hz des an die XY- Feinbewegungsvorrichtung 9 angelegten Spannungssignals im wesentlichen Null ist.
Nach dem vorstehenden Vorgang wurde eine Spannung von +4,0 V mit einer Impulsbreite von 300 ns von der Impulsquelle 41 angelegt, während das Niveau der Sonde in einer ersten Position auf dem Aufzeichnungsmedium 42 konstant gehalten wurde. Dann wurde ein Bereich von 300 Å² mit Zentrum im Punkt des Spannungsanlegens im Konstantstrombetrieb beobachtet. Es wurde bestätigt, daß ein Vorsprung von 100 Å Durchmesser und 20 Å Höhe gebildet wurde, um Information aufzuzeichnen.
In ähnlicher Weise wurde Information bei einem zweiten Punkt aufgezeichnet, der um 50 µm längs der X-Achsenrichtung von dem ersten Punkt beabstandet war. Es wurde bestätigt, daß Information bei einem um 50 µm längs der Y-Achsenrichtung vom zweiten Punkt beabstandeten dritten Punkt und einem um -50 µm längs der X-Achsenrichtung vom dritten Punkt beabstandeten vierten Punkt ohne Fehler aufgezeichnet wurde. Die Sonde 1 wurde dann zur ersten Position bewegt, die um -50 µm längs der Y-Achsenrichtung von der vierten Position beabstandet ist, und bestätigte die Vollständigkeit der Aufzeichnung bei der ersten Position. Dies bedeutet, daß die Sonde 1 exakt zu ihrem ursprünglichen ersten Punkt zurückkehrte. Dies ist eine Bestätigung der sehr hohen Präzision der Positionssteuerung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die positionelle Präzision des Aufzeichnungsbits beträchtlich verbessert, so daß das Aufzeichnen, Wiedergeben und Löschen mit einer hohen Präzision ausgeführt werden kann. Wenn das Aufzeichnungsmedium 42 groß oder der Aufzeichnungsbereich breit ist, ist die vorliegende Erfindung sehr effektiv. Die Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung kann auch eine Nur-Aufzeichnungsvorrichtung oder eine Nur-Wiedergabevorrichtung sein.
Das Rastertastmikroskop, die Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung und die Neigungsmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung weisen folgende Vorteile auf:
(1) Bei dem Rastertastmikroskop zum feinen Erfassen einer Oberflächenbeschaffenheit der Probe kann die Beobachtung mit sehr hoher Präzision über einen weiten Bereich erreicht werden.
(2) Bei der Aufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung sind die positionell hochpräzise Aufzeichnung und Wiedergabe möglich, und es werden eine sehr gute reproduzierbare Aufzeichnung und Wiedergabe erreicht.

Claims

1. Rastertastmikroskop zum Messen einer Oberflächenbeschaffenheit einer Probe durch Abtasten der Probe mit einer Sonde, mit:

- einer Sonde (1),

- Bewegungseinrichtungen (5, 9) zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen der Sonde und der Probe derart, daß die Probe mit der Sonde hin- und hergehend abgetastet wird,

- einer Erfassungsschaltung (13) zum Erfassen eines einer Oberflächeninformation der Probe entsprechenden Signals unter Verwendung der Sonde beim Abtasten der Probe mit der Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß

das Mikroskop des weiteren aufweist:

- eine Neigungseinrichtung (4) zum Neigen der Probe, die so angeordnet ist, daß sie der Sonde bezüglich einer durch das Abtasten mit der Sonde definierten Abtastoberfläche gegenüberliegt,

- eine Extraktionseinrichtung (15) zum Extrahieren eines Niederfrequenz-Signals aus dem erfaßten Signal, und

- eine Steuereinrichtung (7,16) zum Steuern der Neigungseinrichtung auf der Basis des Niederfrequenz-Signals derart, daß die Amplitude des von der Extraktionseinrichtung extrahierten Niederfrequenz-Signals minimal wird, um einen Winkel zu minimieren, der durch die Abtastoberfache der Sonde und die Oberfläche der Probe definiert ist.

2. Rastertastmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die Neigungsvorrichtung (4) einen Goniometer verwendet.

3. Rastertastmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die Neigungseinrichtung (4) zumindest zwei piezoelektrische Elemente verwendet.

4. Rastertastmikroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Rastertastmikroskop ein Raster-Tunnel-Mikroskop ist, das einen zwischen der Sonde und der Probe hervorgerufenen Tunnestrom verwendet.

5. Rastertastmikroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Rastertastmikroskop ein Raster-Zwischenatomarkraft-Mikroskop ist, das eine zwischen der Sonde und der Probe hervorgerufene zwischenatomare Kraft verwendet.

6. Rastertastmikroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Rastertastmikroskop ein Raster-Magnetkraft-Mikroskop ist, das eine zwischen der Sonde und der Probe hervorgerufene magnetische Kraft verwendet.

7. Rastertastmikroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Rastertastmikroskop ein Raster-lonenleitfähigkeit-Mikroskop ist, das eine zwischen der Sonde und der Probe hervorgerufene lonenleitfähigkeit verwendet.

8. Rastertastmikroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Rastertastmikroskop ein Raster-Akusto-Mikroskop ist, das zwischen der Sonde und der Probe hervorgerufenen Schall verwendet.

9. Rastertastmikroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das Rastertastmikroskop ein Raster-Nahfeldlicht-Mikroskop ist, das zwischen der Sonde und der Probe hervorgerufenes Abkung-Licht verwendet.

10. Rastertastmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Extraktionseinrichtung ein Lock-in-Verstärker ist.

11. Vorrichtung zum Aufzeichnen von Information auf ein Aufzeichnungsmedium undloder deren Wiedergabe davon durch Abtasten des Aufzeichnungsmediums mit einer Sonde, mit:

- einer Sonde (1),

- Bewegungseinrichtungen (5, 9) zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen Sonde und Aufzeichnungsmedium derart, daß das Aufzeichnungsmedium mit der Sonde hinund hergehend abgetastet wird,

- einer Erfassungsschaltung (13) zum Erfassen eines einer Oberflächeninformation des Aufzeichnungsmediums entsprechenden Signals unter Verwendung der Sonde beim Abtasten des Aufzeichnungsmediums mit der Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung des weiteren aufweist:

- eine Neigungseinrichtung (4) zum Neigen des Aufzeichnungsmediums, das so angeordnet ist, daß es der Sonde bezüglich einer durch das Abtasten mit der Sonde definierten Abtastoberfäche gegenüberliegt,

- eine Steuereinrichtung (7,16) zum Steuern der Neigungseinrichtung auf der Basis des Niederfrequenz-Signals derart, daß die Amplitude des von der Extraktionseinrichtung extrahierten Niederfrequenz-Signals minimal wird, um einen Winkel zu minimieren, der durch die Abtastoberfläche der Sonde und die Oberfläche des Aufzeichnungsmediums definiert ist.

12. Rastertastmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Steuereinrichtung (7,16) die Neigungseinrichtung vor dem Messen der Oberflächenbeschaffenheit der Probe durch die Sonde steuert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Steuereinrichtung (7,16) die Neigungseinrichtung vor dem Durchführen einer Informationsaufzeichnung auf oder einer lnformationswiedergabe von dem Aufzeichnungsmedium durch die Sonde steuert.