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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Rastersondenmikroskopie-Verfahren
(SPM = engl. scanning probe microscopy) unter Verwendung eines kontaktlosen
Atomkraftmikroskops (AFM = engl. atomic force microscope), das Kräfte von
einer Probe empfängt
und ein Topographie-Bild von der Oberfläche der Probe erzeugt und das
auch in der Lage ist, durch Magnetkraftmikroskopie (MFM = engl.
magnetic force microscopy) unter Nutzung der Funktionen des kontaktlosen
Atomkraftmikroskops (AFM) Magnetkräfte von der Probe zu erfassen.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Bisher
wurde eine Rastersondenmikroskopie (SPM) entwickelt, die die Topographie
der Oberfläche
einer Probe durch die Funktion eines kontaktlosen AFM abbildet,
indem eine zwischen einer Spitze und der Probe erzeugte physikalische
Kraft gemessen wird, und die durch die Funktionen der MFM auch die
Magnetkraft von der Probe erfassen kann. Bei dieser konventionellen
SPM ist die Magnetkraft eine weitreichende Kraft, und deshalb wird
die Magnetkraft von der Atomkraft getrennt, indem die Spitze oder
der Cantilever von der Probe weg in eine Position bewegt wird, in
der die Atomkraft die Spitze oder den Cantilever nicht mehr beeinflusst;
im Topographie-Modus dominiert die Atomkraft. Dieses Detektionsverfahren
ist allgemein als Lift-Modus-Betrieb bekannt. Die Spitze wird für jeden
Punkt, jede Zeile oder jeden Ausschnitt des Bildes auf der Oberfläche der gerasterten
Probe angehoben. Dadurch wird beides erhalten: ein Topographie-Bild
und ein Atomkraft-Bild.
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Bei
diesem Lift-Modus-Betrieb scheinen das Topographie-Bild und das
Atomkraft-Bild völlig
getrennt zu sein. In der Praxis jedoch wird die räumliche Auflösung verschlechtert,
weil der Abstand zwischen der Probe und der Spitze größer wird.
Folglich werden nur große
Kraftänderungen,
d. h. Magnetkraftänderungen,
abgebildet. Deshalb scheint es, als sei das Magnetkraft-Bild von
dem Topographie-Bild völlig
getrennt. Bei diesem Lift-Modus-Betrieb ist es demzufolge schwierig,
die Auflösung
des Magnetkraft-Bildes weiter zu verbessern.
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Das
Dokument EP-A-0 600 452 beschreibt ein Rastersondeninstrument, das
einen Abtastvorgang in zwei Abschnitten durchführt. Im ersten Abschnitt tastet
die Vorrichtung die Oberfläche
einer Probe ab, wozu entweder eine Rastertunnel-Sonde oder eine
Atomkraft-Sonde verwendet wird, um eine Oberflächen-Topographie zu erhalten und zu speichern.
Im zweiten Abschnitt wird diese topographische Information zur Positionierung
der Sonde hinsichtlich der Oberfläche verwendet, während eine weitere
Messung (z. B. eines Magnetfelds oder einer Temperatur) durchgeführt oder
eine weitere Funkfion (z. B. eine Oberflächen-Mikrobearbeitung) an der Oberflächenprobe
ausgeübt
wird.
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Das
Dokument US-A-5,266,897 beschreibt ein Rastertunnelmikroskop, das
eine Cantilever-Spitze aufweist, die ein zugeordnetes magnetisches
Moment aufweist. Die Topographie und magnetfeldrelevante Daten der
Oberfläche
einer leitenden Probe können
simultan beobachtet werden, indem die Wirkung gemessen wird, die
ein magnetisches Wechselfeld auf den Tunnelstrom zwischen der Probe
und der Spitze hat. Das magnetische Wechselfeld kann entweder an
der Probe selbst oder an der Cantilever-Spitze angelegt werden.
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ÜBERSICHT
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehend beschriebenen
Gegebenheiten gemacht.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein Rastersondenmikroskop
(SPM) zu sorgen, das einfach und zuverlässig ein Magnetkraft-Bild mit
einer besseren Auflösung
von einer Probe liefern kann.
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Ein
Aspekt der Erfindung, wie durch Anspruch 1 definiert, beginnt mit
dem Erhalten einer ersten Art von topographischen Daten von einer
Probe aus der Resonanzfrequenz eines Cantilevers im kontaktlosen
Modus durch FM-Detektion. Die Topographie-Daten erfahren Magnetwirkungen.
Eine zweite Art von Topographie-Daten von der Probe, die frei von
Magnetwirkungen sind, wird aus der Resonanzfrequenz des Cantilevers
im Kontaktmodus durch FM-Detektion abgeleitet. Die Differenz zwischen
diesen beiden Arten von Topographie-Daten wird erzeugt und lässt dadurch
Daten über
ein Magnetkraft-Bild entstehen.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie durch Anspruch 2
definiert, sorgt für
ein Rastersondenmikroskop, das die Oberfläche einer Probe durch FM-Detektion
abbildet und das die Oberfläche
durch einen Betrieb im Kontaktmodus abbildet. Vorzugsweise erzeugt
ein Fehlerverstärker eine
erste Ausgabe, wenn die Differenz zwischen der Ausgabe eines Frequenz-Spannungs-Konverters und einer
an den Fehlerverstärker
gelegten ersten Referenzspannung konstant gehalten wird. Ein Topographie-Bild
von der Probe kann durch FM-Detektion aus der ersten Ausgabe erhalten
werden. Dieses Topographie-Bild
erfährt
Magnetwirkungen von der Probe. Vorzugsweise erzeugt der Fehlerverstärker eine zweite
Ausgabe, wenn die Differenz zwischen der Ausgabe eines Amplituden-Spannungs-Konverters und
einer an den Fehlerverstärker
gelegten zweiten Referenzspannung konstant gehalten wird. Ein weiteres
Topographie-Bild kann durch einen Betrieb im Kontaktmodus aus der
zweiten Ausgabe erhalten werden. Dieses Topographie-Bild erfährt keine
Magnetwirkungen von der Probe. Vorzugsweise berechnet ein Rechenmittel
die Differenz zwischen diesen beiden Topographie-Bildern. Folglich
spiegelt die Differenz nur die Magnetwirkungen wieder. Daher wird ein
hochauflösendes
Magnetkraft-Bild von der Probe aus dieser Differenz abgeleitet.
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Vorzugsweise
bildet das Rastersondenmikroskop die Oberfläche einer Probe nur durch FM-Detektion
ab: Wird die Oberfläche
der Probe abgebildet, während
sich eine Spitze nicht in Kontakt mit der Probe befindet, erzeugt
ein Fehlerverstärker
eine erste Referenzspannung, wenn die Differenz zwischen der Ausgabe
eines Frequenz-Spannungs-Konverters und einer an den Fehlerverstärker gelegten
ersten Referenzspannung konstant gehalten wird. Ein Topographie-Bild der Probenoberfläche wird
aus der ersten Ausgabe des Fehlerverstärkers erhalten. Dieses Topographie-Bild
erfährt
Magnetwirkungen von der Probe. Wird die Oberfläche der Probe abgebildet, wenn
sich die Spitze in nächster
Nähe zur
Probe befindet und die Probe kontaktiert, erzeugt der Fehlerverstärker eine
zweite Ausgabe, vorausgesetzt, die Differenz zwischen der Ausgabe
des Frequenz-Spannungs-Konverters und einer an den Fehlerverstärker gelegten
zweiten Referenzspannung bleibt konstant. Ein Topographie-Bild von
der Probenoberfläche
wird aus der zweiten Ausgabe des Fehlerverstärkers abgeleitet. Dieses Topographie-Bild
erfährt
keine Magnetwirkungen von der Probe. In der gleichen Weise wie in
der zuerst beschriebenen Ausführungsform
wird die Differenz zwischen diesen beiden Bildern berechnet. Infolgedessen
kann ein hochauflösendes
Magnetkraftbild von der Probe erhalten werden.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung werden mehrere Referenzspannungen erzeugt. In der Folge
können
Magnetkraftbilder mit einer höheren Auflösung erzeugt
werden.
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Weitere
Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender
Beschreibung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Rastersondenmikroskops;
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm eines weiteren erfindungsgemäßen Rastersondenmikroskops;
und
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3 ist
ein Graph zur Darstellung der Relation des Spitzen-Proben-Abstands
in dem in 2 gezeigten Mikroskop zur Frequenzverschiebung.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend
auf 1 ist ein Rastersondenmikroskop gezeigt, an dem
das Konzept der vorliegenden Erfindung verwirklicht ist. Dieses
Rastersondenmikroskop (SPM) ist mit einem Cantilever versehen, der
eine Resonanzfrequenz aufweist. Dieses Mikroskop erzeugt ein erstes
Topographie-Bild von einer Oberfläche einer Probe aus der Resonanzfrequenz
des Cantilevers durch FM-Detektion.
Dieses erste Topographie-Bild erfährt Magnetwirkungen. Dieses
Mikroskop kann auch ein zweites Topographie-Bild aus der Amplitude
des Cantilevers durch Slope-Detektion (Amplitudenmessung) erzeugen. Dieses
zweite Bild erfährt
keine Magnetwirkungen. Die Differenz zwischen diesen beiden Topographie-Bildern
wird ermittelt, um ein Magnetkraftbild von der Probe zu erzeugen.
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In
den letzten Jahren wurde ein Cantilever mit einer relativ hohen
Federkonstante in einem ultrahohen Vakuum verwendet, wodurch die
Abbildung von Atomen durch ein kontaktloses AFM ermöglicht wurde.
Die Oberfläche
der Probe, die Magnetkräfte aufweist,
wird durch FM-Detektion abgebildet. Dadurch entsteht ein hochauflösendes Topographie-Bild,
das Magnetwirkungen erfährt.
Die Slope-Detektion erlaubt eine Abbildung mit einer relativ hohen
Auflösung
bei großen
Amplituden. Die Probenoberfläche,
die Magnetkräfte
aufweist, kann durch diese Slope-Detektion abgebildet werden. Als Ergebnis
wird ein Topographie-Bild erhalten, das frei von Magnetwirkungen
ist.
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Das
in 1 dargestellte Rastersondenmikroskop hat einen
elastischen/federnden Cantilever 1, eine an dem vorderen
Ende des Cantilevers 1 befestigte magnetisierte Spitze 2 und
einen piezoelektrischen Abtaster 4 zum Halten einer Probe 3 und
zum Steuern ihrer Position in der Richtung der x-Achse (in der horizontalen Richtung
in 1), in der Richtung der y-Achse (senkrecht zur
Blattebene) und in der Richtung der z-Achse (in der vertikalen Richtung
in 1). Die magnetisierte Spitze 2 ist mit
einer ferromagnetischen Substanz wie Kobalt oder Nickel beschichtet.
Ein piezoelektrisches Element 5 ist an dem hinteren Ende
des Cantilevers 1 montiert, um ihn in Schwingung zu setzen.
Eine Lichtquelle 6 (wie beispielsweise ein Laser) lenkt
fokussiertes Licht auf die Rückfläche des
Cantilevers 1. Ein optischer Detektor 7, wie zum
Beispiel eine 2-Segment-Photodiode, erfasst das von der Rückfläche des
Cantilevers 1 reflektierte Licht und konvertiert es in
ein elektrisches Signal. Das von dem optischen Detektor 7 ausgegebene
elektrische Signal wird durch einen Vorverstärker 8 auf eine geeignete
Amplitude verstärkt.
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Ein
Bandpassfilter 9 ist auf eine Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz
des Cantilevers 1 eingestellt, lässt ein Band von Frequenzen
einschließlich
der Resonanzfrequenz passieren und weist andere Frequenzen zurück, wodurch
ein Rauschen so weit wie möglich
eliminiert wird. Ein Wellenform-Konverter 10, der zum Beispiel
aus einem Komparator besteht, ist wirksam, um eine einlaufende Wellenform
in eine Rechteckwelle mit einer gegebenen Breite, wie zum Beispiel
eine Netzspannung, zu konvertieren und um eine Referenzspannung
zu erzeugen. Ein Phasen/Amplituden-Einsteller 11 stellt die
Phase der Referenzwelle aus dem Wellenfom-Konverter 10 ein,
um die positive Rückführung, für die ein
(später
beschriebenes) Schwingungssystem sorgt, zu maximieren. Der Einsteller 11 weist
Teilungs-Resistoren auf, um die Amplitude des schwingenden Cantilevers 1 auf
eine geeignete Höhe
einzustellen. Diese Spannung wird für eine Schwingung an das piezoelektrische
Element 5 gelegt. Ein Frequenz-Spannungs-Konverter 12 besteht
aus einem PLL und konvertiert Frequenzänderungen mit Bezug auf die
Ausgabe des Wellenform-Konverters 10 oder die Referenzwelle
in entsprechende Spannungen. Ein Fehlerverstärker 13 erzeugt eine
konstante Spannung nach Maßgabe
der Ausgabe des Frequenz-Spannungs-Konverters 12 und
der für
FM-Detektion festgelegten Referenzspannung V. Dies hält die Abweichung
von der Resonanzfrequenz konstant. Der Fehlerverstärker 13 erzeugt
auch eine konstante Spannung nach Maßgabe der Ausgabe eines RMS-DC
(Amplituden-Gleichspannungs-Konverters) 18 und einer für Slope-Detektion
festgelegten Referenzspannung V. Dies hält die gedämpfte Amplitude konstant.
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Ein
Filter 14 ist mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers 13 verbunden,
um den Betrieb einer Rückführungsschaltung
für das
Steuern/Regeln des Abstands zwischen der Spitze 2 und der
Probe 3 zu stabilisieren. Eine Energieversorgung 15 für den Antrieb
eines z-piezoelektrischen Elements führt die Ausgabe des Filters 14 zurück zu dem
piezoelektrischen Abtaster 4, um den Abstand zwischen der
Spitze 2 und der Probe 3 zu steuern/regeln. Ein
Computer 16 zeigt gemäß der Ausgabe
des Filters 14 auf einer Anzeigeeinheit (nicht dargestellt)
ein Topographie-Bild, das Magnetwirkungen erfährt, ein von Magnetwirkungen
freies Topographie-Bild und ein Differenz-Topographiebild, das erzeugt
wird durch ein Ermitteln der Differenz zwischen den beiden Bildern, an.
Ein Oszillator 17 kann an das piezoelektrische Element 5 eine
oszillierende Spannung legen, um den Cantilever 1 bei seiner
oder in der Nähe
seiner Resonanzfrequenz in Schwingung oder in Resonanz zu setzen.
Der vorstehend erwähnte
Amplituden-Gleichspannungs-Konverter 18 kann die Ausgabe
des Vorverstärkers 8 in
eine der Amplitude entsprechende Gleichspannung konvertieren. Ein
erster Schalter 19 legt die oszillierende Spannung des
Phasen/Amplituden-Einstellers 11 oder die oszillierende Spannung
des Oszillators 17 an das piezoelektrische Element 5.
Ein zweiter Schalter 20 liefert die Ausgabe des Frequenz-Spannungs-Konverters 12 oder
die Ausgabe des Amplituden-Gleichspannungs-Konverters 18 an
den Fehlerverstärker 13.
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Das
auf diese Weise aufgebaute Rastersondenmikroskop übernimmt
ein Detektionssystem, das einen optischen Fühler verwendet, um Auslenkungen des
Cantilevers 1 zu detektieren. Bei diesem Detektionssystem
ist die Spitze 2 der Probe 3 gegenüberliegend
angeordnet und befindet sich mit der Probe 3 nicht in Kontakt.
Von der Lichtquelle 6, beispielsweise einem Laser, ausgesandtes
Licht wird auf die Rückfläche des
Cantilevers 1 fokussiert. Das Licht wird von der Rückfläche zurückgeworfen.
Zu diesem Zeitpunkt lenkt die Atomkraft zwischen der Spitze 2 und der
Probe 3 den Cantilever 1 aus und bewirkt eine Änderung
des Reflexionswinkels. Dies erzeugt eine Änderung der Lichtposition an
dem optischen Detektor 7, der von dem Cantilever 1 beabstandet
ist. Der Betrag der Auslenkung des Cantilevers 1 wird aus der Änderung
der Lichtposition bestimmt.
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Das
piezoelektrische Element 5 für die Anregung zur Schwingung,
der optische Detektor 7, der Vorverstärker 8, das Bandpassfilter 9,
der Wellenform-Konverter 10 und der Phasen/Amplituden-Einsteller 11 bilden
das Schwingungssystem, das den Cantilever 1 bei FM-Detektion
in Schwingung bei seiner Resonanzfrequenz setzt. Der Verstärkungsfaktor des
Vorverstärkers 8 ist
derart eingestellt, dass die Referenzwelle aus dem Wellenform-Konverter 10 nicht
auf unerwartete Änderungen
der Amplitude des Cantilevers 1 anspricht. Der Phasen/Amplituden-Einsteller 11 stellt
die Phase derart ein, dass das Schwingungssystem für eine maximale
positive Rückführung sorgt.
Dieses Schwingungssystem setzt den Cantilever 1 in eine
Schwingung bei oder in der Nähe
seiner Resonanzfrequenz, während
die Amplitude des schwingenden Cantilevers konstant gehalten wird.
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Der
Oszillator 17 bildet unter Nutzung der Slope-Detektion
ein Schwingungssystem. Dieser Oszillator 17 kann den Cantilever 1 in
eine Schwingung bei oder in der Nähe seiner Resonanzfrequenz
setzen, während
die Amplitude des Cantilevers konstant gehalten wird.
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Das
piezoelektrische Element 5 für die Anregung zur Schwingung,
der optische Detektor 7, der Vorverstärker 8, das Bandpassfilter 9,
der Wellenform-Konverter 10, der Frequenz-Spannungs-Konverter 12,
der Fehlerverstärker 13,
das Filter 14 und die Energieversorgung 15 für den Antrieb
des z-piezoelektrischen Elements bilden zusammen ein Rückführungssteuersystem/Regelungssystem
unter Nutzung/Verwertung der FM-Detektion. Das piezoelektrische
Element 5 für
die Anregung zur Schwingung, der optische Detektor 7, der
Vorverstärker 8,
der RMS-DC (Amplituden-Gleichspannungs-Konverter) 18, der
Fehlerverstärker 13,
das Filter 14 und die Energieversorgung 15 für den Antrieb
des z-piezoelektrischen Elements bilden ein Rückführungssteuersystem/Regelungssystem,
das von der Slope-Detektion Gebrauch macht. Diese Rückführungssteuersysteme/Regelungssysteme
sorgen für
eine Rückführungssteuerung/Regelung
des piezoelektrischen Abtasters 4, um den Abstand zwischen
der Spitze 2 und der Probe 3 konstant zu halten
oder um die gedämpfte
Amplitude konstant zu halten.
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Die
Ausgabe des Filters 14 liefert ein Topographie-Signal von
der Oberfläche
der Probe 3. Dieses Topographie-Signal wird über den
Computer 16 zur Anzeigeeinheit (nicht dargestellt) gesandt.
Die Spitze 2 oder die Probe 3 wird in zwei Dimensionen gerastert,
d. h. in der x- und in der y-Richtung, während der Abstand zwischen
Spitze und Probe konstant gehalten wird. Auf diese Weise wird ein
Topographie-Bild von der Oberfläche
der Probe 3 auf der Anzeigeeinheit angezeigt.
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Bei
Erzeugung eines Magnetwirkungen erfahrenden Topographie-Bildes durch
FM-Detektion sind der erste und der zweite Schalter 19 und 20 jeweils
derart eingestellt, wie das anhand der durchgezogenen Linien angegeben
ist. Gleichzeitig ist die an den Fehlerverstärker 13 gelegte Referenzspannung V
auf einen für
FM-Detektion angepassten Wert eingestellt. Unter dieser Bedingung
wird die oszillierende Spannung des Phasen/Amplituden-Einstellers 11 an
das piezoelektrische Element 5 gelegt. Die Ausgabe des
Frequenz-Spannungs-Konverters 12 wird
zu dem Fehlerverstärker 13 geleitet.
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Das
Licht aus der Lichtquelle 6 wird auf die Rückfläche des
Cantilevers 1 gelenkt. Das reflektierte Licht wird von
dem optischen Detektor 7 detektiert. Das vorgenannte Schwingungssystem
setzt den Cantilever 1 in eine Schwingung bei seiner Resonanzfrequenz.
Die oben beschriebene Rückführungssteuerung/Regelung
ist vorgesehen, um den Abstand zwischen Spitze und Probe konstant
zu halten. Gleichzeitig rastert der piezoelektrische Abtasten 4 die
Probe 3 in zwei Dimensionen, d. h. in der x- und in der
y-Richtung. Die Ausgabe des Filters 14 ist ein Topographie-Signal,
das Magnetwirkungen erfährt.
Dieses Topographie-Signal wird in dem Computer 16 gespeichert
und auf der Anzeigeeinheit (nicht dargestellt) angezeigt. Daher
wird ein Magnetkraftkomponenten aufweisendes Topographie-Bild von
der Probe 3 erhalten.
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Ein
von Magnetwirkungen freies Topographie-Bild kann durch Slope-Detektion
mit der Vorrichtung von 1 erzeugt werden. In diesem
Fall sind der erste und der zweite Schalter 19 und 20 jeweils
in die anhand der gestrichelten Linien angegebenen Positionen geschaltet.
Die oszillierende Spannung des Oszillators 17 wird an das
piezoelektrische Element 5 gelegt. Die Ausgabe des RMS-DC (Amplituden-Gleichspannungs-Konverters) 18 wird
zu dem Fehlerverstärker 13 geleitet.
Gleichzeitig wird die an den Fehlerverstärker 13 gelegte Referenzspannung auf
einen für
Slope-Detektion angepassten Wert geschaltet.
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Das
Licht aus der Lichtquelle 6 lässt man auf die Rückfläche des
Cantilevers 1 auftreffen, während der Cantilever 1 durch
den Oszillator 17 bei oder in der Nähe seiner Resonanzfrequenz
in Schwingung oder in Resonanz gesetzt wird. Das reflektierte Licht wird
durch den optischen Detektor 7 erfasst. Der optische Detektor 7 konvertiert
die durch das reflektierte Licht dargestellte Amplitude des Cantilevers
in ein elektrisches Signal. Das Ausgangssignal dieses optischen
Detektors 7 wird über
den Vorverstärker
zu dem RMS-DC (Amplituden- Gleichspannungs-Konverter) 18 gesandt,
der die Amplitude in eine Gleichspannung konvertiert. Diese Gleichspannung
wird an den Fehlerverstärker 13 gelegt.
Da die Amplitude des schwingenden Cantilevers 1 durch den
zwischen der Spitze 2 und der Probe 3 erzeugten
Kraftgradienten bis zu einem gewissen Grad gedämpft wird, ist die Gleichspannung
von dem Amplituden-Gleichspannungs-Konverter 18 ebenfalls
abgeschwächt.
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Der
Fehlerverstärker 13 hält die Differenz zwischen
der Ausgabe des Amplituden-Gleichspannungs-Konverters 18 und
der durch die Referenzspannung V festgelegten gegebenen Spannung
konstant. Das heißt,
die abgeschwächte
Amplitude wird konstant gehalten. Diese Ausgabe des Fehlerverstärkers 13 wird
in der gleichen Weise wie bei der vorstehend beschriebenen FM-Detektion über das Filter 14 zu
der Energieversorgung 15 für den Antrieb des z-piezoelektrischen
Elements zurückgeführt. Zu dieser
Zeit wird der Betrag der Dämpfung
der Amplitude durch die an den Fehlerverstärker 13 gelegte Referenzspannung
V bestimmt. Die Energieversorgung 15 für den Antrieb des z-piezoelektrischen
Elements sorgt für
eine Rückführungssteuerung
des piezoelektrischen Abtasters 4 nach Maßgabe des Rückführungssteuersignals.
Gleichzeitig rastert der piezoelektrische Abtaster 4 die
Probe 3 in zwei Dimensionen, d. h. in der x- und in der
y-Richtung. Die Ausgabe des Filters 14 ist ein Topographie-Signal, das frei
von Magnetwirkungen ist. Dieses Topographie-Bild wird in dem Computer 16 gespeichert
und auf der (nicht dargestellten) Anzeigeeinheit angezeigt. Auf
diese Weise wird ein von Magnetwirkungen freies reines Topographie-Bild
erhalten. Die Magnetwirkungen lassen sich fast vollständig eliminieren,
indem die Amplitude des schwingenden Cantilevers 1 vergrößert und
der Dämpfungskoeffizient
während der
Abbildung erhöht
wird.
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Während des
Sammelns von Bildinformationen kann der Computer 16 die
Differenz zwischen diesen beiden durch FM-Detektion und Slope-Detektion
erhaltenen Topographie-Bildern jeweils für jeden Punkt, jede Zeile oder
jeden Ausschnitt des Bildes von der Probe 3 berechnen.
Das resultierende Differenz-Bild ist ein Magnetkraftbild und wird
auf der (nicht dargestellten) Anzeigeeinheit angezeigt. Auf diese
Weise wird ein Magnetkraftbild von der Probe 3 abgeleitet.
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Anstelle
des vorgenannten optischen Fühlhebels
können
zur Erfassung von Auslenkungen des Cantilevers 1 andere
Verfahren Anwendung finden, so zum Beispiel das Verfahren der optischen
Interferenz oder das Verfahren der elektrostatischen Kapazität. Anstatt
der vorstehend beschriebenen Slope-Detektion kann ein Kontaktmodus-Betrieb
angewendet werden, in dem die Schwingung gestoppt und der Ausgang
des Vorverstärkers 8 direkt
an den Fehlerverstärker 13 gelegt
wird.
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Wenn
die Spitze 2 am dichtesten an die Probe 3 herangebracht
wird, indem während
der Schwingung die Referenzspannungen eingestellt werden, und wenn
eine FM-Detektion angewandt wird, kann der Abstand zwischen Spitze
und Probe derart reduziert werden, dass diese einander berühren. In
der in 1 dargestellten Ausführungsform besteht jedoch eine
Gefahr, dass die Amplitude des schwingenden Cantilevers 1 rasch
reduziert wird, wodurch die Schwingung instabil wird. Deshalb kann
der Abstand zwischen Spitze und Probe nicht ganz klein gestaltet werden.
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Im
Folgenden wird auf 2 Bezug genommen, in der ein
weiteres erfindungsgemäßes Rastersondenmikroskop
dargestellt ist. Bei dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen
Mikroskop kann sowohl eine FM-Detektion als auch eine Slope-Detektion
angewandt werden. Bei dem in 2 gezeigten
Mikroskop wird bei der Magnetkraft Detektion nur eine FM-Detektion
angewandt. Dieses in 2 dargestellte Mikroskop ist
mit Ausnahme der folgenden Punkte dem in 1 dargestellten
Instrument ähnlich.
Der Oszillator 17, der Amplituden-Gleichspannungs-Konverter 18 und
der erste und zweite Schalter 19, 20 für Slope-Detektion
entfallen bei dem in 2 gezeigten Instrument. Außerdem entfällt der Wellenform-Konverter 10,
und der Ausgang des Bandpassfilters 9 ist direkt an den
Phasen-Einsteller 11' (später beschrieben)
gelegt.
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Eines
der Schwingungssysteme enthält
eine automatische Verstärkungsfaktor-Steuerung/Regelung
(AGC = eng. automatic gain control) 21 zur Einstellung
des Verstärkungsfaktors
des Vorverstärkers 8,
um die Amplitude des Cantilevers 1 konstant beizubehalten.
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Da
die Amplitude des Cantilevers 1 durch die AGC 21 eingestellt
wird, wird anstelle des Phasen/Amplituden-Einstellers 11 des
in 1 gezeigten Instruments der Phasen-Einsteller 11' hinzugefügt. Die
Ausgabe des optischen Detektors 7 wird direkt dem Frequenz-Spannungs-Konverter 12 zugeleitet,
um die Schwingungsfrequenz zu erfassen. Als Referenzspannung V,
die an den Fehlerverstärker 13 gelegt
wird, werden drei Referenzwerte erzeugt. Die erste Referenzspannung
ist für
den kontaktlosen Zustand der Spitze 2 und der Probe 3 festgelegt.
Der zweite und der dritte Referenzwert sind für den Zustand der unmittelbaren
Nähe der
Spitze 2 und der Probe 3 festgelegt.
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Bei
diesem in 2 dargestellten Rastersondenmikroskop
schwingt das Schwingungssystem den Cantilever 1 bei seiner
Resonanzfrequenz, während
die Amplitude des Cantilevers 1 auf die gleiche Weise wie
in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform konstant beibehalten
wird. Die AGC 21 stellt den Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers 8 derart
ein, dass die Amplitude des schwingenden Cantilevers 1 konstant
gehalten wird. Der Phasen-Einsteller 11' stellt die Phase der Ausgabe des Bandpassfilters 9 ein
und legt die oszillierende Spannung derart fest, dass die positive
Rückführung, für welche
das Schwingungssystem sorgt, maximiert wird.
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Der
Frequenz-Spannungs-Konverter 12 konvertiert eine Änderung
in der Frequenz in eine entsprechende Spannung gemäß der Ausgabe
des optischen Detektors 7. Der Fehlerverstärker 13 hält die eingestellte
gegebene Spannung, d. h. die Abweichung von der Resonanzfrequenz,
gemäß der Ausgabespannung
des Frequenz-Spannungs-Konverters 12 und der Referenzspannung
V konstant. Die Ausgabe des Fehlerverstärkers 13 wird zu dem
piezoelektrischen Abtaster 4 zurückgeführt, der Verschiebungen in
der z-Richtung erzeugt. Wenn sich die Spitze 2 mit der
Probe 3 nicht in Kontakt befindet, wird der erste eingestellte
Wert als die an den Fehlerverstärker 13 gelegte
Referenzspannung V verwendet. Wenn sich die Spitze 2 und
die Probe 3 in dichter Nähe zueinander befinden, wird
der zweite oder der dritte Wert als die Referenzspannung V verwendet. Bei
diesem Rastersondenmikroskop verschiebt sich die Frequenz relativ
zu dem Abstand zwischen Spitze und Probe, wie in 3 gezeigt,
in der der erste Einstellwert für
den kontaktlosen Zustand erzeugt wird. Der zweite und der dritte
Einstellwert werden für
Positionen erzeugt, in denen sich die Spitze 2 und die Probe 3 miteinander
in Kontakt befinden.
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Bei
dem ersten Einstellwert befinden sich Spitze und Probe nicht in
Kontakt miteinander. Deshalb wird ein Topographie-Bild erhalten,
welches Magnetwirkungen erfährt.
Bei dem zweiten und dritten Einstellwert befinden sie sich in nächster Nähe zueinander
und kontaktieren einander. Infolgedessen wird ein von Magnetwirkungen
freies Topographie-Bild abgeleitet. Bei dem dritten Einstellwert
ist der Verlauf der Kurve, die die Relation der Frequenz zu dem Spitzen-Proben-Abstand
darstellt, umkehrt, weshalb es notwendig ist, die Polarität des zu
dem z-piezoelektrischen Element zurückgeführten Signals umzukehren. Es
wird ein Magnetkraftbild erhalten, indem ebenso wie in der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform
die Differenz zwischen dem Magnetwirkungen erfahrenden Topographie-Bild
und dem von Magnetwirkungen freien Topographie-Bild ermittelt wird.
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Wie
aus der Beschreibung insoweit erkennbar ist, erzeugt ein Rastersondenmikroskop
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein Magnetwirkungen erfahrendes Topographie-Bild durch
eine FM-Detektion, die eine hohe Auflösung erlaubt. Auch kann das
Instrument durch eine Slope-Detektion oder einen Betrieb im Kontaktmodus ein
Topographie-Bild erzeugen, das annähernd frei von Magnetwirkungen
ist. Ein Magnetkraftbild wird aus der Diffe renz zwischen diesen
beiden Topographie-Bildern erzeugt. Folglich kann ein Magnetkraftbild
mit höherer
Auflösung
einfach und zuverlässig erzeugt
werden.
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Ein
Rastersondenmikroskop gemäß weiteren
Ausführungsformen
der Erfindung erzeugt ein Magnetwirkungen erfahrendes Topographie-Bild durch
FM-Detektion, die eine hochauflösende
Abbildung ermöglicht.
Es wird auch ein Topographie-Bild, das annähernd frei von Magnetwirkungen
ist, erzielt. Ein Magnetkraftbild wird aus der Differenz zwischen diesen
beiden Topographie-Bildern erzeugt. Infolgedessen lässt sich
ein Magnetkraftbild mit höherer Auflösung einfach
und zuverlässig
erzeugen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden mehrere Referenzspannungen erzeugt. Deshalb
kann ein Magnetkraftbild mit hoher Auflösung erzeugt werden.