WO2008083694A1 - Vorrichtung und verfahren zur untersuchung biologischer systeme sowie festkörpersysteme - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur untersuchung biologischer systeme sowie festkörpersysteme Download PDF

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WO2008083694A1
WO2008083694A1 PCT/EP2006/012586 EP2006012586W WO2008083694A1 WO 2008083694 A1 WO2008083694 A1 WO 2008083694A1 EP 2006012586 W EP2006012586 W EP 2006012586W WO 2008083694 A1 WO2008083694 A1 WO 2008083694A1
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actuator
change
force
probe
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PCT/EP2006/012586
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Leif Riemenschneider
Gerd Hoffmann
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Nambition Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/04—Display or data processing devices
    • G01Q30/06—Display or data processing devices for error compensation

Definitions

  • the present invention generally relates to apparatus and methods for studying biological systems and solid state systems, and more particularly to such as enabling scanning probe microscopic, force microscopic, or force spectroscopic studies.
  • Biological systems and their processes are based on molecular interactions. Molecular forces in biological systems are different from other molecular systems, especially in terms of chemical reactions and physical changes in an overall system. However, statements about molecular interactions in biological systems are the prerequisite for analyzing such systems and making further statements.
  • lateral resolution is meant the resolution in a plane of a surface to be examined of a biological system, while the resolution perpendicular to this plane is called vertical resolution.
  • scanning probe microscopy approaches include force microscopy approaches, such as scanning force microscopy (SFM) or force spectroscopy (or AFM, atomic force microscopy).
  • SFM scanning force microscopy
  • AFM force spectroscopy
  • Force microscopy By force microscopy approaches, not only the topology of a surface of a biological sample but also its elasticity or adhesion forces acting there can be detected.
  • Atomic force microscopy in this case usually called “force spectroscopy” denotes molecular forces of a sample by means of a probe, with which the sample is scanned, for example, to quantitatively characterize interactions between individual molecules.
  • the probe includes a tip attached to a cantilever or measuring beam, also referred to as a cantilever.
  • the probe is scanned over the surface of the sample, recording the lateral and vertical positions and / or deflections of the probe.
  • Movements of the probe relative to the sample are possible due to the elastic properties of the probe and in particular of the cantilever. Based on detected lateral and vertical positions and / or deflections of the sample, molecular forces from the sample and from this the surface topography are determined.
  • movements of the sample are determined by means of optical measuring devices which have resolutions in the range of 0.1 nm and enable a detection of forces of a few pN.
  • the surfaces of the sample and the probe of an atomic force microscope are brought into contact with each other such that a force acting therebetween is set at a predetermined value (e.g., 50-100 pN). Thereafter, the sample and the probe are laterally moved relative to each other so that a raster scan of the surface sample by the probe is made. In this case, the sample and / or the probe are also moved vertically in order to keep the intermediate force at the predetermined value. Movements of the sample and the probe relative to each other can be effected by a corresponding arrangement comprising, for example, a piezoceramic.
  • the high spatial and / or force resolution have a high sensitivity of the equipment involved to external influences.
  • thermal effects can lead to canting of the cantilever
  • a measuring beam eg laser beam
  • bending of the cantilever for example due to thermal effects or surface effects, leads to a corresponding change in the measured deflection
  • Thermal effects can also change the distance between the probe and the sample, which can, for example, affect the force acting between the probe and the sample. Thermal changes are typically slow, ie they extend over a longer time Period.
  • drifts are also based on other causes, such as thermally induced changes in size of control elements, sample carriers, the sample itself or other mounting or fastening elements.
  • drifts have some hysteresis and / or creep properties, which can also lead to a change in size, in turn, for example, can change the distance between the probe and the sample.
  • US-A-5 077 473 there is shown a method for compensating drift in the x and / or y direction of a positioning device for a sample.
  • the positioning device is operated by means of a piezoactuator and is subject to drift in the x and / or y direction. This drift is compensated for by adding a further control signal to the positioning unit control signal which compensates for drift in the x and / or y direction.
  • the object of the present invention is to provide an improved method and an improved device for force microscopy and force spectroscopy.
  • a method for carrying out a scanning probe microscopic, for example force microscopic, or force spectroscopic measurement with predetermined parameters comprises the steps of: determining a change in value of at least one of the parameters; and controlling an actuator in dependence on the determined value change, so that the change of the value is at least partially compensated.
  • an apparatus for the scanning probe microscopic, for example force microscopic, or force spectroscopic measurement with predetermined parameters comprises the steps of: determining a change in value of at least one of the parameters; and controlling an actuator in dependence on the determined value change, so that the change of the value is at least partially compensated.
  • Scanning probe microscopy e.g. Force microscopy, or for force spectroscopy: a
  • Measuring device comprising a probe for scanning probe microscopy or force spectroscopic measurements and a sample carrier for placing a sample to be measured; a position detector that detects the position of a measurement beam reflected from the probe; an actuator configured to move the sample carrier;
  • Actuator and a controller that controls the actuator in response to a detected
  • Value change of the position data controls such that the change in the value is at least partially compensated.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 2 illustrates an example of a force curve on an exemplary embodiment according to the invention
  • Fig. 3 illustrates the effect of a drift between the probe and the sample on a force curve which reduces the distance between the probe and the sample;
  • Figure 4 illustrates the effect of a drift between the probe and the sample on a force curve which increases the distance between the probe and the sample;
  • Fig. 5 shows an inventive exemplary embodiment of a device for
  • DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS 1 illustrates a device for compensating for a drift of a measuring beam according to a first exemplary embodiment of the present invention.
  • a measuring device comprises a probe for scanning probe microscopic or force spectroscopic measurements and a sample carrier for the arrangement of a sample which is to be measured.
  • scanning probe microscopy or force spectroscopic measurements a sample is scanned in a certain grid by means of a probe.
  • the probe can be moved over the sample in well-defined steps, or the probe is stationary and the sample is moved, for example by means of a sample holder with positioning unit.
  • both the probe and the sample carrier are positioned. Deflections of the probe (or, for example, measured tunnel currents, depending on the microscopy method) are converted by means of imaging techniques into a visible, enlarged image of the sample.
  • the sample is, for example, arranged on a sample carrier which is moved in the x, y, z direction by means of a positioning unit (adjusting element).
  • a positioning unit adjusting element
  • the scanner comprises actuators, such as piezoactuators, which are suitable for carrying out the necessary movements in the nanometer range.
  • parameters are partly specified in order to carry out scanning probe microscopic or force spectroscopic measurements.
  • Such parameters include, for example, position, force, distance, deflection, or similar quantities to be observed in the above measurements.
  • the parameters include a distance between a sample or a probe.
  • such parameters include, for example, the position of a measuring beam, for example on a position detector, or the beam path of a measuring beam.
  • parameters include, for example, the deflection of a control element for the sample carrier.
  • the values of these parameters are subject to a change which, for example, can be caused by thermal effects, surface effects, flow and / or creep effects. Such effects lead, for example, to the fact that materials change, namely in the Shape, size (length, width, height), or in other properties (piezoelectric, thermal, phases (solid, liquid, gaseous), etc.).
  • such value changes are determined, for example, by at least one parameter and at least partially compensated or at least partially compensated by appropriately controlling an actuator (eg by means of a controller) as a function of the determined change in value so that the change in value is at least partially is compensated, ie you are at least partially counteracted.
  • an actuator eg by means of a controller
  • the compensation of a change in value is automatically controlled, for example, by a fully automatic control of the device, which is set up to automatically carry out measurements and value change compensations (as they are explained in greater detail below, for example).
  • Drifting results in a change in a value (or even a measured value). For example, a bending of a cantilever changes the position of the measuring beam on the position detector. Accordingly, there is a change in the position value of the measuring beam.
  • the probe comprises such a cantilevered measuring beam, which is also referred to as cantilever or cantilever.
  • the deflections of the probe (or the cantilever) are mapped onto a detector in some exemplary embodiments by means of a measuring beam, which comprises, for example, a laser beam.
  • this detector is a position detector which measures the position of the measuring beam impinging on it, and thus also the deflection of the cantilever.
  • Disturbing influences can lead to a bending of the (free) cantilever (or other elements influencing the beam path, such as, for example, lenses, mirrors, detectors). This leads to a shift of the position of the measuring beam on the position detector.
  • the position detector and the measuring beam of the free cantilever to each other. If this shift is not compensated, it may happen that the actual measurement signal can no longer or only with insufficient linearity can be recorded. Therefore, in some exemplary embodiments (as mentioned above), so a change in value, as here the displacement of the measuring beam, at least partially compensated or compensated.
  • an actuator is controlled as a function of the determined position change, so that the position change is at least partially compensated.
  • the measuring beam to a specific position of the position detector, eg. Centrally aligned.
  • the actuator comprises in some exemplary embodiments, for example, a beam element which is set up to influence the beam path of the measuring beam.
  • this radiation element is arranged between the position detector and the cantilever so that the beam path of the reflected measurement beam is influenced by the radiation element.
  • the actuator comprises a device which is designed to move the position detector with respect to the measurement beam.
  • a signal of the position detector is evaluated in order to generate a corresponding control signal with which the actuating element can be controlled.
  • a drift for example of the entire measuring device or parts thereof, lead to the distance between the probe and the sample varying.
  • Such variations in distance may occur due to bending of the probe (or the cantilever) due to thermal effects or surface effects, but also have other causes, for example, are based that bend parts of the force microscope so that thereby the distance between the probe (or Measuring tip on the probe) and sample is changed.
  • the adjusting element for example a piezoactuator
  • changes in size Such changes are based e.g. on hysteresis effects and / or creep effects of a piezoceramic.
  • the distance between probe and sample which corresponds to a force prevailing between the probe and the sample, is typically set by means of an adjusting element which measures the distance exactly defined between probe and sample.
  • This control element is located in some embodiments below the sample carrier and includes, for example, a piezoelectric actuator. Using the control element, the distance between sample and probe can now be precisely controlled.
  • the drift ie, for example, the change in the distance between the probe and the sample, but can be so large that the control range of the control element is no longer sufficient, for example, to record a force curve, since the distance between the probe and sample too large or has become too small. Therefore, in some embodiments (as described above) such a value change is compensated or compensated.
  • the value change is determined or analyzed in some embodiments.
  • an actuator is controlled so that the distance varies depending on the analysis of the change in value. This makes it possible to compensate for the (for example thermally induced or caused by other effects) distance change, i. counteract it.
  • the actuator comprises, for example, a servomotor and a connection between servomotor and sample carrier, or an actuator which moves the sample carrier in one, two or three spatial directions to investigate a sample accordingly and, for example, to record force curves.
  • the actuator is depending on the embodiment at a different location.
  • the actuator is arranged below a sample carrier.
  • the actuator is located between the sample carrier and the actuator, which adjusts the sample carrier and thus the position of the sample. In other cases, the actuator is located below the control element.
  • the probe is moved by the actuator.
  • the analysis of the force results in at least part of a force curve being analyzed.
  • An analysis includes in some exemplary embodiments also that a relationship between the determined force and the position of the (piezo) - adjusting element is made. This relationship includes, for example, the assignment of a force value to an associated (height) control value of the control element.
  • the height adjustment (for example deflection in the z-direction) of the control element influences the distance between probe and sample, whereby the height adjustment has a direct influence on the force value.
  • the actuator can only be adjusted within a limited range.
  • the distance can now increase or decrease so that the actuator is no longer able to reduce or increase the distance due to its limited travel, so that a force between the probe and the sample acts or the force is reduced to a (permissible) value.
  • An analysis of a so-called force curve course ie an analysis of force values and associated displacement values of the control element, in at least one of four points, namely an offset point, contact point, trigger point and / or VR point.
  • the offset point is the point at which the recording of the force curve begins, ie the offset point is, for example, the first point of the force curve.
  • the contact point is the point at which the actuator is adjusted so far that it comes to a contact between probe and sample. This point is, for example, determined by the fact that the determined force increases to the associated deflection value of the actuating element relative to a previous measurement.
  • the trigger point is the point at which the force exceeds a (given) value so that this point can also be considered as the end point of the force curve, ie at that point the measurement for that force curve is ended.
  • the VR (full ramp) point describes the maximum value for the displacement of the actuator that a user has defined for a force curve. This value is achieved, for example, if the force curve is executed without activation of a trigger mode or if a trigger has not been reached.
  • the analysis of the force curve comprises the adjustment between a deflection value of the actuating element and a predetermined value range.
  • the predetermined value range includes, for example, two value intervals.
  • a first interval which is considered a lower security area and a second value interval, which serves as an upper security area.
  • the lower safety area comprises, for example, a minimum deflection value which the adjusting element can set and the upper safety area accordingly a maximum deflection value of the actuating element.
  • the security area can now - depending on the exemplary embodiment
  • the compensation of value change is performed automatically during and / or before a measurement in order to allow measurements as long as possible.
  • the drift of a measuring beam is automatically compensated, ie the measuring beam is automatically centered, for example, on the position detector.
  • the drift between the probe and the sample is automatically compensated. For example, the distance between probe and sample is adjusted by the actuator so that a Kraftkurvenaufhahme is always possible, despite drift ceremonier change in distance between the probe and the sample.
  • a drift ie, for example, a change in value of the distance between the probe and sample, beyond the setting range of an actuating element for the sample carrier or a control element for the probe.
  • a drift ie, for example, a change in value of the distance between the probe and sample, beyond the setting range of an actuating element for the sample carrier or a control element for the probe.
  • the measuring beam 2 is deflected (for example, in FIG. 1 from the right by a measuring beam source (not shown) at a reflecting point of the cantilever 4. Thereafter, the measuring beam 2 passes through a beam element 3, which can influence the beam path of the measuring beam 2.
  • the blasting element 3 comprises, for example, a mirror and / or a lens or another element which is suitable for influencing the beam path of the measuring beam 2.
  • the measuring beam 2 hits in this exemplary embodiment, after he has passed the beam element 3, on a position detector 1.
  • the position detector 1 detects the position of the impinging on him measuring beam. 2
  • a probe tip 6 On the cantilever 4 is a probe tip 6, which is moved relative to the sample, which is located on a sample carrier 7.
  • the sample carrier 7 with the sample is moved by means of an adjusting element 8, for example.
  • a piezostep element in 3 mutually perpendicular spatial directions (x, y and z direction).
  • a movement in only one spatial direction eg in the z direction or perpendicular to the sample carrier 7) is made possible.
  • the z-direction is, for example, vertically in the plane of the drawing.
  • the sample In order to examine a sample, the sample is moved with the sample carrier 7 by means of the adjusting element 8 in the z-direction up until contact between the probe tip 6 and sample is made.
  • the cantilever 4 bends, which in turn has a deflection of the measuring beam 2 result.
  • a surface topography of the sample By moving the sample carrier 7 with the sample in the x and y directions, a surface topography of the sample can be obtained in this way.
  • it is possible in the force spectroscopic measurement for example by means of the known spring constant of the cantilever 4, to determine a force acting between sample and probe tip 6 (or cantilever 4) in order, for example, to quantitatively characterize interactions between individual molecules of the sample.
  • the aforementioned scanning probe microscopic or force spectroscopic measurements take place at precisely predetermined setting parameters.
  • Disturbing influences such as, for example, thermal effects and / or surface effects, can lead to a drift in these setting parameters, which leads to a falsification of the measurements.
  • the cantilever 4 can bend or deform due to external thermal action, as a result of which the measuring beam 2 experiences a deflection which can falsify the measurement result.
  • the cantilever 4 can also be deformed by surface effects, material degradation or other external effects.
  • the deflection of the measuring beam 2 caused thereby can be determined with the aid of the position detector 1, since consequently the position of the point of impingement of the measuring beam 2 on the position detector 1 also changes.
  • the position detector and the measuring beam 2 which is reflected by a "free" cantilever 4 are positioned correspondingly to each other, for example The cantilever 4 is free when it is not in contact with the sample to be measured
  • an actuator displaces the position detector 1 in such a way that the undesirable deflection of the measuring beam 2 is compensated
  • the position detector 1 is moved into a setting parameter such that the measuring beam 2 essentially centers on the position detector 1.
  • the jet element 3 is adjusted by means of an actuator (not shown) so that the deflection of the Measuring beam 2 balanced, that is compensated.
  • an actuator not shown
  • both the position detector 1 are displaced and the radiation element 3 is adjusted in order to counteract the undesired deflection of the measuring beam 2. In such exemplary embodiments, therefore, both the position detector 1 and the measuring beam 2 are moved towards each other.
  • This control signal is generated in some embodiments based on a position signal representing the position of the measurement beam on the position detector 1.
  • the position signal is evaluated digitally or analogously and generates a control signal for the actuator based on the evaluation, which causes the actuator to adjust so that the measuring beam 2 impinges on the position detector 1 that, for example, the thermal or surface effects of Cantilever 4 based displacement of the position of the measuring beam 2 on the position detector at least partially compensated, that is at least partially compensated.
  • the control signal which is generated based on the position signal of the position detector 1, is in some embodiments designed so that a control of the actuator is possible at least in one plane. In yet other embodiments, even a control of a corresponding actuator in all three spatial direction is possible, for example, to move the position detector or the beam element not only in the lateral and vertical directions, but, for example, to allow tilting or rotation. This is useful, for example, if the measuring beam 2 does not impinge perpendicularly on the position detector 1.
  • the actuator is, for example, motorized and arranged so that it can move the beam element or the position detector in any direction.
  • the start of the adjustment or compensation process is due to a user input.
  • the start takes place automatically, for example by recognizing that the drift has reached a certain threshold value or trigger value of a setting parameter which triggers the start of the method. For this purpose, in some embodiments, for example.
  • the position of the measuring beam 2 is compared to the position detector 1 when the cantilever is free. By comparing these different position values between the Kraftkurvenaufhahmen, for example, a drift of the system, such as a bending of the cantilever 4, can be determined.
  • the drift reaches a predetermined threshold value (eg for a change in position)
  • this drift is automatically compensated, as was explained above.
  • the position of the measuring beam 2 on the position detector 1 and compensates for a drift of the measuring beam.
  • FIG. 2 illustrates, by way of example, a course of force curves, such as can arise in a corresponding measurement with a force microscope / scanning probe microscope in the exemplary embodiments.
  • two (important) requirements are placed on the quality of the force curves. On the one hand, it should limit the force with which the probe presses on the sample, and on the other hand, it should be ensured that the force curve has a sufficient length to record the expected events.
  • the force curve profile shown in FIG. 2 extends between three points shown, an offset point 15, a contact point 17 and a trigger point 19.
  • more or fewer points of a force curve can also be determined; In some cases, the force with which the probe presses on the sample is virtually always determined.
  • the offset point 15 determines the beginning of the force curve, while the contact point 17 is characterized in that there the contact between the probe and the sample is made, as can be seen from the rise of the curve.
  • the force curve ends at the trigger point 19, at which the force reaches a threshold value which, for example, results from the fact that, with even greater forces between probe and sample, the sample or probe could be damaged.
  • the force curve may, for example, also end at the VR point at which the deflection of the actuating element has reached the greatest value which, for example, a user has defined for the force curve.
  • the ordinate in Figure 2 shows upwardly increasing values of a force acting between a sample and a probe (and, for example, determined by the corresponding deflection of a cantilever, as discussed above).
  • the abscissa shows values of a deflection of an adjusting element (eg adjusting element 8, as in FIG. 1) that increase to the right, here a piezo-adjusting element. Therefore, the abscissa represents the deflection values of the control element as the position of the piezoelectric actuator (piezo position).
  • FIG. 1 shows a lower safety area 11 and an upper safety area 13.
  • the lower safety area 11 extends between a minimum piezo position Z n U n and a lower piezo position Zt > o t.
  • the upper safety area 13 extends between an upper piezo position Zt op and a maximum piezo position Z max .
  • the minimum and maximum piezo position represent the minimum or maximum possible achievable deflection of the control element.
  • the piezo positions Zbot or Z top can be arbitrarily set in the embodiments.
  • the greatest possible course of the force curve is achieved by each time a new force curve is recorded, a corresponding deflection value (offset) from the determined trigger point is subtracted, whereby one receives a new offset point and thus new starting point for the Kraftkurvenaufhahme.
  • this type of compensation for drift of the system is not sufficient, as illustrated in FIGS. 3 and 4.
  • Fig. 3 shows, for example, the recording of three force curves (1st solid, 2nd dotted and 3rd dashed line), with a drift in the system, which reduces the distance between the probe and the sample.
  • the force curve is shifted to the left with each new shot.
  • the trigger points 20, 21 22 migrate as well as the contact points 24, 25, 26 and offset points 28, 29, 30 to the left.
  • the force curves finally move so far to the left that, for example, the offset point 30 passes into the lower security area 11, which ultimately leads to the fact that due to the limited deflection of the actuating element, the inclusion of another curve is not possible.
  • Figure 4 shows the effects of drift which increases the distance between probe and sample.
  • the three force curves (1st solid, 2nd dotted and 3rd dashed line) move to the right with each new shot.
  • the trigger points 31, 32, 33 as well as the contact points 34, 35, 36 and offset points 37, 38, 39 move to the right until, for example, the trigger point 33 reaches the upper safety area 13. Therefore, no further Kraftkurvenaufhahme can take place in this case due to the limited deflection ability of the actuator.
  • the setting range or deflection range of the adjusting element is therefore eventually exhausted due to drift. Therefore, it is recognized in some exemplary embodiments that the adjusting range of the actuating element is exhausted in order then to increase or reduce the distance between the probe and the probe by means of an actuator, so that further Kraftkurvenaufhahmen - virtually beyond the control range of the actuating element - possible become.
  • the force curve is analyzed and, for example, it is determined whether the offset point penetrates into the lower safety area 11 or the trigger point or VR point into the upper safety area 13. For example. First, the position of the force curve within the maximum piezo path is determined in order to detect whether a safety range has been achieved by the drift between sample and probe. After each recorded force curve is then checked whether
  • Security area 13 is located (see, for example, Fig. 4).
  • the actuator moves the actuator such that the distance between the probe and probe so reduced that the next power curve between the two security areas 11 and 13 is located.
  • the offset point of the next force curve is selected so that the force curve is located in the central region of the maximum adjustment range of the piezo-actuator.
  • the actuator comprises a drive 62, for example a servo motor, and a displacement unit 60, which can be moved up and down (in the z direction) by the drive 62.
  • the adjusting element 58 comprises, for example, a piezo-actuator element whose possible positions in the z-direction are indicated by dotted lines.
  • the actuator 58 has a minimum deflection Z ⁇ i and a maximum deflection Z max , within which the actuator 58 can be adjusted.
  • FIG. 5 shows a lower security area between Z nUn and Z bot and an upper security area between Zt op and Z max .
  • control element 58 can be assigned to corresponding points of a force curve, such as deflection 56 an offset point, deflection 54 a contact point, deflection 52 a trigger point and deflection 50 a full ramp (VR). If, during an analysis (as explained above), it is determined that the possibility of deflection of the control element 58 has been exhausted due to a drift of the system, the actuator is controlled such that the distance between the sample and the probe is correspondingly increased or reduced (as described above) ) and the next force curve is located in the central deflection region of the actuating element 58.
  • the contact point can be determined from the force curve in order to detect whether the force curve is still outside the lower or upper safety range.
  • the methods are carried out, for example, automatically by means of a computer program which, for example, controls a controller.
  • the method is implemented directly in a controller, which in turn automatically carries out, for example, a scanning probe microscopic or (raster) force microscopic measurement.
  • a controller includes an analyzer, for example, with a microprocessor that receives and processes data.
  • Data is in some embodiments provided by a position detector (as described above) and represents, for example, the position of a measurement beam on the position detector.
  • data for example, supplied by an actuator that represent the current displacement of the actuator.
  • the controller or analyzer receives force data representing the force acting between the probe and the sample or determines the force data itself based, for example, on the position data.
  • the microprocessor calculates corresponding force data from the position data coming from the position detector.
  • the controller comprises a memory in which, for example, force curve data can be stored and / or values which represent, for example, threshold values for a force or a deflection, or the like.
  • the microprocessor compares, for example, trigger or offset point (s), or other points of a force curve, with given points or data, such as points or data representing a safety margin.
  • the minimum and maximum deflection possibilities of an actuating element and / or an actuator are stored in the memory.
  • the analysis device analyzes the received data (such as position data from the position detector, the actuator, the actuator, force data, or the like) and generates a control signal for an actuator based on the analysis.
  • This control signal controls the actuator in such a way that a drift which is compensated for a change of a value (for example of a force value, a position value of the measuring beam on the position detector, or a distance value between probe and sample).
  • the above embodiments are also, for example, together or mixed, or there are combinations of embodiments with their different configurations with each other realized.

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Abstract

Verfahren zur Durchführung einer rastersondenmikroskopischen oder kraftspektroskopischen Messung bei vorgegebenen Parametern, umfassend die Schritte: Ermitteln einer Wertveränderung von wenigstens einem der Parameter; und Steuern eines Stellgliedes in Abhängigkeit der ermittelten Wertveränderung, sodass die Veränderung des Wertes wenigstens teilweise kompensiert wird.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR UNTERSUCHUNG BIOLOGISCHER SYSTEME SOWIE FESTKÖRPERSYSTEME
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen und Verfahren zur Untersuchung biologischer Systeme sowie Festkörpersysteme, und insbesondere solche, die rastersondenmikroskopische, speziell kraftmikroskopische oder kraftspektroskopische Untersuchungen ermöglichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Biologische Systeme und darin ablaufende Prozesse beruhen auf molekularen Wechselwirkungen. Molekulare Kräfte in biologischen Systemen unterscheiden sich von anderen Molekularsystemen, insbesondere hinsichtlich chemischer Reaktionen und physikalischer Änderungen eines Gesamtsystems. Aussagen über molekulare Wechselwirkungen in biologischen Systemen stellen aber die Voraussetzung dar, um derartige Systeme zu analysieren und weiterführende Aussagen machen zu können.
Zur Messung molekularer Wechselwirkungen in biologischen Systemen werden unter anderem rastersondenmikroskopische Ansätze verwendet, um Oberflächentopografien mit hoher lateraler und vertikaler Auflösung zu bestimmen. Unter lateraler Auflösung ist hierbei die Auflösung in einer Ebene einer zu untersuchenden Oberfläche eines biologischen Systems zu verstehen, während die Auflösung senkrecht zu dieser Ebene als vertikale Auflösung bezeichnet wird.
Beispiele für rastersondenmikroskopische Ansätze umfassen kraftmikroskopische Ansätze, wie zum Beispiel die Rasterkraftmikroskopie (SFM, engl.: scanning force microscopy) oder Kraftspektroskopie (oder AFM, engl. : atomic force microscopy).
Mit kraftmikroskopischen Ansätzen können neben der Topologie einer Oberfläche einer biologischen Probe auch deren Elastizität oder dort wirkende Adhäsionskräfte erfasst werden. Die atomare Kraftmikroskopie, in diesem Falle üblicherweise als "Kraftspektroskopie" bezeichnet, ermittelt molekulare Kräfte einer Probe mittels einer Sonde, mit der die Probe abgetastet wird, um z.B. Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen quantitativ zu charakterisieren. Üblicherweise umfasst die Sonde eine an einem freitragenden Ausleger oder Messbalken, der auch als Cantilever bezeichnet wird, befestigte Spitze. Zur Untersuchung der Probe wird z.B. die Sonde über die Oberfläche der Probe gerastert, wobei die lateralen und vertikalen Positionen und/oder Auslenkungen der Sonde aufgezeichnet werden. Bewegungen der Sonde relativ zu der Probe sind aufgrund der elastischen Eigenschaften der Sonde und insbesondere des Cantilever möglich. Auf der Grundlage erfasster lateraler und vertikaler Positionen und/oder Auslenkungen der Probe werden molekulare Kräfte seitens der Probe und daraus deren Oberflächentopografie ermittelt.
Üblicherweise werden Bewegungen der Probe mittels optischer Messeinrichtungen ermittelt, die Auflösungen im Bereich von 0,1 nm haben und eine Detektion von Kräften von einigen pN ermöglichen.
Um die Oberflächentopografie oder anderer Eigenschaften einer biologischen Probe zu ermitteln, werden die Oberflächen der Probe und die Sonde eines Rasterkraftmikroskops derart miteinander in Kontakt gebracht, dass eine zwischen diesen wirkende Kraft auf einen vorbestimmten Wert (z.B. 50 - 100 pN) festgelegt wird. Danach werden die Probe und die Sonde relativ zu einander lateral so bewegt, dass eine gerasterte Abtastung der Oberflächenprobe durch die Sonde erfolgt. Dabei werden die Probe und/oder die Sonde auch vertikal bewegt, um die zwischen wirkende Kraft auf dem vorgegebenen Wert zu halten. Bewegungen der Probe und der Sonde relativ zu einander können durch eine entsprechende Anordnung, die beispielsweise eine Piezokeramik umfasst, bewirkt werden.
Die hohe Orts- und/oder Kraftauflösung haben eine hohe Empfindlichkeit der beteiligten Apparaturen gegenüber äußeren Einflüssen zur Folge. Beispielsweise können thermische Effekte zu einem „Verbiegen" des Cantilevers führen. Da die Auslenkung des Cantilevers typischerweise mittels eines Messstrahls (bspw. Laserstrahls) erfolgt, führt das Verbiegen des Cantilevers, bspw. durch thermische Effekte oder OberflächenefFekte, zu einer entsprechenden Veränderung der gemessenen Auslenkung. Thermische Effekte können auch zu einer Veränderung des Abstandes zwischen Sonde und Probe führen, wodurch bspw. die Kraft, die zwischen Sonde und Probe wirkt, beeinflusst werden kann. Thermisch bedingte Änderungen sind typischerweise langsam, d.h. sie erstrecken sich über einen längeren Zeitraum. Daher nennt man diese Änderungen auch „Drift". Solchen Driften liegen auch noch andere Ursachen zugrunde, wie bspw. thermisch bedingte Größenänderungen von Stellelementen, Probenträgern, der Probe selbst oder sonstigen Halterungs- oder Befestigungselementen. Piezokeramiken, wie sie bspw. in den Piezoaktuatoren zum Einsatz kommen, weisen zusätzlich gewisse Hystereseeigenschaften und/oder Kriecheigenschaften auf, die ebenfalls zu einer Größenveränderung fuhren können, die wiederum bspw. den Abstand zwischen Sonde und Probe verändern können.
Im Bereich der abbildenden Kraftmikroskopie aber auch in der Kraftspektroskopie ist es bisher üblich, diese Drift im Strahlengang manuell zu kompensieren. Dabei beobachtet der Benutzer den Wert des Positionsdetektors, wenn der Cantilever nicht mit der Probe in Kontakt ist und korrigiert durch manuelles Justieren mechanischer Stellelemente am Instrument den Strahlengang so, dass sich der Messlaser wieder an dem gewünschten Ort auf dem Positionsdetektor befindet.
In US-A-5 077 473 ist ein Verfahren zur Kompensation einer Drift in x- und/oder y-Richtung einer Positionierungsvorrichtung für eine Probe gezeigt. Die Positionierungseinrichtung wird mittels eines Piezoaktuators betrieben und ist einer Drift in x- und/oder y-Richtung unterworfen. Diese Drift wird kompensiert, indem einem Steuersignal für die Positionierungseinheit ein weiteres Steuersignal hinzugefügt wird, welches die Drift in x- und/oder y-Richtung kompensiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung für die Kraftmikroskopie sowie Kraftspektroskopie bereitzustellen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Durchführung einer rastersondenmikroskopischen, bspw. kraftmikroskopischen, oder kraftspektroskopischen Messung bei vorgegebenen Parametern die Schritte: Ermitteln einer Wertveränderung von wenigstens einem der Parameter; und Steuern eines Stellgliedes in Abhängigkeit der ermittelten Wertveränderung, sodass die Veränderung des Wertes wenigstens teilweise kompensiert wird. Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur
Rastersondenmikroskopie, z.B. Kraftmikroskopie, oder zur Kraftspektroskopie: eine
Messeinrichtung, die eine Sonde für rastersondenmikroskopische oder kraftspektroskopische Messungen und einen Probenträger zur Anordnung einer zu vermessenden Probe umfasst; einen Positionsdetektor, der die Position eines Messstrahls erfasst, der von der Sonde reflektiert wird; ein Stellelement, welches eingerichtet ist, den Probenträger zu bewegen; ein
Stellglied; und eine Steuerung, die das Stellglied in Abhängigkeit einer ermittelten
Wertveränderung der Positionsdaten derart steuert, dass die Veränderung des Wertes wenigstens teilweise kompensiert wird.
Weitere Aspekte und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen und den beigefügten Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden nun schematisch und unter Bezugnahme auf die angefugten Zeichnungen beschrieben, in der: Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Ausfuhrungsbeispiel einer Vorrichtung zur
Kompensation einer Drift eines Messstrahls veranschaulicht;
Fig. 2 einen beispielhaften Kraftkurvenverlauf an einem erfindungsgemäßen Ausfuhrungsbeispiel veranschaulicht;
Fig. 3 die Auswirkung einer Drift zwischen Sonde und Probe an einem Kraftkurvenverlauf veranschaulicht, durch die der Abstand zwischen Sonde und Probe verringert wird;
Fig. 4 die Auswirkung einer Drift zwischen Sonde und Probe an einem Kraftkurvenverlauf veranschaulicht, durch die der Abstand zwischen Sonde und Probe vergrößert wird; Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Ausfuhrungsbeispiel einer Einrichtung zur
Kompensation der in Fig. 3 bzw. Fig. 4 gezeigten Drift veranschaulicht.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE Fig. 1 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Kompensation einer Drift eines Messstrahls gemäß einem ersten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Vor einer detaillierten Beschreibung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung folgen zunächst einige allgemeine Erläuterungen zu den Ausfuhrungsbeispielen.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen umfasst bspw. eine Messeinrichtung eine Sonde für rastersondenmikroskopische oder kraftspektroskopische Messungen und einen Probenträger zur Anordnung einer Probe, die vermessen werden soll. Bei rastersondenmikroskopische oder kraftspektroskopische Messungen wird in einem bestimmten Raster mittels einer Sonde eine Probe abgetastet. Dabei kann entweder die Sonde in wohldefinierten Schritten über die Probe bewegt werden, oder die Sonde ist ortsfest und die Probe wird, bspw. mittels eines Probenträgers mit Positionierungseinheit bewegt. Bei manchen Ausfuhrungsbeispielen werden sowohl die Sonde als auch der Probenträger positioniert. Auslenkungen der Sonde (bzw. beispielsweise gemessene Tunnelströme, je nach Mikroskopierverfahren) werden mittels bildgebender Verfahren in ein sichtbares, vergrößertes Bild der Probe umgesetzt. In den Ausführungsbeispielen bei denen die zu untersuchende Probe bewegt wird, ist die Probe bspw. auf einem Probenträger angeordnet, der mittels einer Positionierungseinheit (Stellelement) in x-, y-, z-Richtung bewegt wird. Diese Anordnung wird auch Scanner genannt. Der Scanner umfasst in den Ausführungsbeispielen Aktuatoren, wie beispielsweise Piezoaktuatoren, die geeignet sind die notwendigen Bewegungen im Nanonmeterbereich auszuführen.
In den Ausführungsbeispielen werden teilweise Parameter vorgegeben, um rastersondenmikroskopische oder kraftspektroskopische Messungen durchzuführen. Solche Parameter umfassen bspw. Position, Kraft, Abstand, Auslenkung, oder ähnliche bei oben genannten Messungen zu beachtende Größen. Beispielsweise umfassen die Parameter, einen Abstand zwischen einer Probe oder einer Sonde. Weiterhin umfassen solche Parameter z.B. die Position eines Messstrahls bspw. auf einem Positionsdetektor, bzw. den Strahlengang eines Messstrahls. In manchen Ausführungsbeispielen umfassen Parameter z.B. die Auslenkung eines Stellelementes für den Probenträger. Die Werte dieser Parameter unterliegen in manchen Ausführungsbeispielen einer Veränderung, die bspw. durch thermische Effekte, Oberflächeneffekte, Fließ- und/oder Kriecheffekte hervorgerufen werden können. Solche Effekte führen bspw. dazu, dass sich Materialien verändern, und zwar in der Form, der Größe (Länge, Breite, Höhe), oder auch in sonstigen Eigenschaften (piezoelektrische, thermische, Phasen (fest, flüssig, gasförmig), etc.).
In manchen Ausführungsbeispielen werden solche Wertveränderungen bspw. von wenigstens einem Parameter ermittelt und wenigstens teilweise ausgeglichen bzw. wenigstens teilweise kompensiert, indem entsprechend ein Stellglied (bspw. mittels einer Steuerung) in Abhängigkeit der ermittelten Wertveränderung so gesteuert wird, dass die Veränderung des Wertes wenigstens teilweise kompensiert wird, d.h. ihr wenigstens teilweise entgegengewirkt wird.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen erfolgt die Kompensation einer Wertveränderung automatisch gesteuert, bspw. durch eine vollautomatische Steuerung der Vorrichtung, die eingerichtet ist, Messungen und Wertveränderungskompensationen (wie sie bspw. noch weiter unten näher erläutert werden) automatisch durchzufuhren.
Driften, wie sie oben beschrieben wurden, haben eine Veränderung eines Wertes (oder auch eines Messwertes) zur Folge. Beispielsweise, wird durch eine Verbiegung eines Cantilevers die Position des Messstrahls auf dem Positionsdetektor verändert. Hierbei liegt demnach eine Veränderung des Positionswertes des Messstrahls vor. Wie weiter oben ausgeführt, umfasst die Sonde in manchen Ausfuhrungsbeispielen einen solchen freitragenden Messbalken, der auch als Ausleger oder Cantilever bezeichnet wird. Die Auslenkungen der Sonde (bzw. des Cantilevers) werden in manchen Ausfuhrungsbeispielen mittels eines Messstrahls, der beispielsweise einen Laserstrahl umfasst, auf einen Detektor abgebildet. Dieser Detektor ist in manchen Ausfuhrungsbeispielen ein Positionsdetektor, der die Position des auf ihn auftreffenden Messstrahls - und damit auch die Auslenkung des Cantilevers - misst. Durch Störeinflüsse, wie bspw. thermische Effekte und Oberflächeneffekte, kann es zu einer Verbiegung des (freien) Cantilevers (oder anderer den Strahlengang beeinflussenden Elemente, wie bspw. Linsen, Spiegel, Detektoren) kommen. Dies führt zu einer Verschiebung der Position des Messstrahls auf dem Positionsdetektor. Um eine korrekte Kraftkurvenaufhahme durchzuführen sollten möglichst der Positionsdetektor und der Messstrahl des freien Cantilevers richtig zu einander positioniert sein. Wird diese Verschiebung nicht ausgeglichen, so kann es passieren, dass das eigentliche Messsignal nicht mehr oder nur mit unzureichender Linearität aufgenommen werden kann. Daher wird in manchen Ausfuhrungsbeispielen (wie oben erwähnt), so eine Wertveränderung, wie hier die Verschiebung des Messstrahls, wenigstens teilweise ausgeglichen bzw. kompensiert.
Dazu wird in manchen Ausfuhrungsbeispielen ein Stellglied in Abhängigkeit der ermittelten Positionsveränderung gesteuert, sodass die Positionsänderung wenigstens teilweise kompensiert wird. In manchen Ausfuhrungsbeispielen wird beispielsweise vor Beginn eines Messvorganges der Messstrahl auf eine bestimmte Stelle des Positionsdetektors, bspw. zentral, ausgerichtet.
Das Stellglied umfasst in manchen Ausfuhrungsbeispielen bspw. ein Strahlelement welches eingerichtet ist, den Strahlengang des Messstrahls zu beeinflussen. Dieses Strahlelement ist dazu in manchen Ausfuhrungsbeispielen zwischen dem Positionsdetektor und dem Cantilever angeordnet, sodass der Strahlengang des reflektierten Messstrahls durch das Strahlelement beeinflusst wird.
In anderen Ausfuhrungsbeispielen umfasst das Stellglied eine Einrichtung, die ausgebildet ist den Positionsdetektor bezüglich des Messstrahls zu bewegen.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen wird bei der Ermittlung der Position des Messstrahls ein Signal des Positionsdetektors ausgewertet, um daraus ein entsprechendes Steuersignal zu erzeugen, mit dem das Stellelement gesteuert werden kann.
Weiterhin kann eine Drift, bspw. der ganzen Messvorrichtung oder Teilen davon, in manchen Ausfuhrungsbeispielen dazu fuhren, dass der Abstand zwischen Sonde und Probe variiert. Solche Abstandsvariationen können durch das Verbiegen der Sonde (bzw. des Cantilevers) aufgrund thermischer Effekte oder Oberflächeneffekte auftreten, aber auch andere Ursachen haben, die bspw. darin begründet sind, dass sich Teile des Kraftmikroskops so verbiegen, dass dadurch der Abstand zwischen Sonde (bzw. Messspitze an der Sonde) und Probe verändert wird. Weiterhin ist es möglich, dass sich das Stellelement (bspw. ein Piezoaktuator) in der Größe verändert. Solche Veränderung beruhen z.B. auf Hystereseeffekten und/oder auf Kriecheffekten einer Piezokeramik.
Der Abstand zwischen Sonde und Probe, der einer zwischen Sonde und Probe herrschenden Kraft entspricht, wird typischerweise mittels eines Stellelements eingestellt, das den Abstand zwischen Sonde und Probe genau definiert. Dieses Stellelement befindet sich in manchen Ausfuhrungsbeispielen unterhalb des Probenträgers und umfasst bspw. ein Piezostellelement. Mithilfe des Stellelementes kann nun der Abstand zwischen Probe und Sonde genau gesteuert werden. Die Drift, d.h. bspw. die Änderung des Abstandes zwischen der Sonde und der Probe, kann allerdings so groß werden, dass der Stellbereich des Stellelementes nicht mehr ausreicht, um bspw. eine Kraftkurve aufzunehmen, da der Abstand zwischen Sonde und Probe zu groß bzw. zu klein geworden ist. Daher wird in manchen Ausführungsbeispielen (wie oben beschrieben) so eine Wertveränderung ausgeglichen bzw. kompensiert.
Dazu wird in manchen Ausführungsbeispielen die Wertveränderung ermittelt, bzw. analysiert. Weiterhin wird in manchen Ausführungsbeispielen ein Stellglied so gesteuert, dass sich der Abstand in Abhängigkeit der Analyse der Wertveränderung verändert. Dadurch ist es möglich die (bspw. thermisch bedingte oder durch sonstige Effekte hervorgerufene) Abstandsänderung zu kompensieren, d.h. ihr entgegenzuwirken.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Stellglied bspw. einen Stellmotor und eine Verbindung zwischen Stellmotor und Probenträger, bzw. einem Stellelement, welches den Probenträger in eine, zwei oder drei Raumrichtungen bewegt, um eine Probe entsprechend zu untersuchen und bspw. Kraftkurven aufzunehmen. Das Stellglied befindet sich je nach Ausführungsbeispiel an einer anderen Stelle. Z.B. ist das Stellglied in manchen Ausführungsbeispielen unterhalb eines Probenträgers angeordnet. In manchen Ausführungsbeispielen befindet sich das Stellglied zwischen dem Probenträger und dem Stellelement, welches den Probenträger und damit die Position der Probe einstellt. In anderen wiederum befindet sich das Stellglied unterhalb des Stellelements. In wieder anderen Ausführungsbeispielen wird die Sonde durch das Stellelement bewegt.
In manchen Ausführungsbeispielen wird ermittelt, ob die Kraft, die zwischen Sonde und Probe wirkt, einen bestimmten Wert erreicht. Beispielsweise wird ermittelt, ob der Kraftwert einem (vorgegebenen) Maximalwert entspricht. Solche starken Kräfte treten beispielsweise dann auf, wenn die thermisch bedingte Drift zwischen Sonde und Probe dazugeführt haben, dass der Stellbereich des Stellelements des Probenträgers erschöpft ist, sodass das Stellelement den Abstand zwischen Sonde und Probe nicht mehr vergrößern kann. Andererseits kann ebenfalls ermittelt werden, ob der Kraftwert einen gewissen Minimalwert unterschreitet, d.h., ob beispielweise der Kontakt zwischen Sonde und Probe verlorengegangen ist.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen führt die Analyse der Kraft dazu, dass wenigstens ein Teil eines Kraftkurvenverlaufes analysiert wird. Eine Analyse umfasst in manchen Ausfuhrungsbeispielen auch, dass ein Zusammenhang zwischen ermittelter Kraft und der Stellung des (Piezo)- Stellelementes hergestellt wird. Dieser Zusammenhang umfasst beispielsweise die Zuordnung eines Kraftwertes zu einem zugehörigen (Höhen)- Stellwert des Stellelements. Durch die Höhenverstellung (z.B. Auslenkung in z-Richtung) des Stellelements wird der Abstand zwischen Sonde und Probe beeinflusst, womit die Höhenverstellung einen direkten Einfluss auf den Kraftwert hat. Wie oben ausgeführt, kann sich das Stellelement nur in einem begrenzten Bereich verstellen. Durch eine Drift im System, kann sich nun der Abstand so vergrößern bzw. verkleinern, dass das Stellelement aufgrund seines eingeschränkten Stellweges nicht mehr in der Lage ist den Abstand so zu verkleinern bzw. vergrößern, dass eine Kraft zwischen der Sonde und der Probe wirkt bzw. die Kraft auf einen (zulässigen) Wert verringert wird.
Eine Analyse eines sog. Kraftkurvenverlaufes, d.h. eine Analyse von Kraftwerten und zugehörigen Auslenkungswerten des Stellelements liefert in manchen Ausführungsbeispielen wenigstens einen von vier Punkten, nämlich einen Offsetpunkt, Kontaktpunkt, Triggerpunkt und/oder VR-Punkt. Der Offsetpunkt ist der Punkt an dem die Aufnahme der Kraftkurve beginnt, d.h. der Offsetpunkt ist bspw. der erste Punkt der Kraftkurve. Der Kontaktpunkt ist der Punkt, an dem das Stellelement soweit verstellt ist, dass es zu einem Kontakt zwischen Sonde und Probe kommt. Dieser Punkt wird bspw. dadurch bestimmt, dass die ermittelte Kraft zu dem zugehörigen Auslenkungswert des Stellelements gegenüber einer vorherigen Messung ansteigt. Der Triggerpunkt ist der Punkt, an dem die Kraft einen (vorgegebenen) Wert übersteigt, sodass dieser Punkt auch als Endpunkt der Kraftkurve betrachtet werden kann, d.h. an diesem Punkt die Messung für diese Kraftkurve beendet wird. Der VR-Punkt (Volle Rampe) beschreibt den größten Wert für die Auslenkung des Stellelements, die ein Benutzer für eine Kraftkurve definiert hat. Dieser Wert wird bspw. erreicht, wenn die Kraftkurve ohne Aktivierung eines Triggermodus ausgeführt wird, oder wenn ein Trigger nicht erreicht wurde. In manchen Ausführungsbeispielen umfasst die Analyse der Kraftkurve den Abgleich zwischen einem Auslenkungswert des Stellelements und einem vorgegebenen Wertebereich. Der vorgegebene Wertebereich umfasst bspw. zwei Werteintervalle. Ein erstes Intervall, das als unterer Sicherheitsbereich betrachtet wird und ein zweites Werteintervall, das als oberer Sicherheitsbereich dient. Der untere Sicherheitsbereich umfasst bspw. einen minimalen Auslenkungswert, den das Stellelement einstellen kann und der obere Sicherheitsbereich dementsprechend einen maximalen Auslenkungswert des Stellelements. Der Sicherheitsbereich kann nun -je nach Ausfuhrungsbeispiel - beliebig ausgedehnt werden.
In manchen Ausführungsbeispielen wird ermittelt, ob sich ein Punkt der Kraftkurve in dem Wertebereich, d.h. bspw. im unteren oder oberen Sicherheitsbereich befindet. Beispielsweise wird ermittelt, ob der Offsetpunkt in dem unteren Sicherheitsbereich liegt, der Triggerpunkt oder der VR-Punkt in dem oberen Sicherheitsbereich oder, ob der Kontaktpunkt weder in dem unteren noch dem oberen Sicherheitsbereich ist. In manchen Ausfuhrungsbeispielen hingegen wird ermittelt, ob sich alle Punkte der Kraftkurve außerhalb des Wertebereiches befinden, während in wieder anderen beliebige Vorgaben bezüglich der Punktezuordnung zu einem Wertebereich möglich sind.
In manchen Ausführungsbeispielen wird die Kompensation von Wertveränderung automatisch während und/oder vor einer Messung durchgeführt, um möglichst lange Messungen zu ermöglichen. Dazu wird in manchen Ausführungsbeispielen vor und/oder während einer Messung (bspw. Messung einer Kraftkurve), wie oben beschrieben, automatisch die Drift eines Messstrahls kompensiert, d.h. der Messstrahl wird bspw. automatisch auf dem Positionsdetektor zentriert. Weiterhin wird in manchen Ausführungsbeispielen ebenso vor und/oder während der Messung (bspw. der Aufnahme einer Kraftkurve), automatisch die Drift zwischen Sonde und Probe ausgeglichen. Zum Beispiel wird der Abstand zwischen Sonde und Probe mittels des Stellgliedes so eingestellt, dass eine Kraftkurvenaufhahme immer möglich ist, trotz driftbedingter Abstandsänderung zwischen Sonde und Probe. Dadurch wird ein automatisches Messsverfahren auch über längere Zeiträume hinweg ermöglicht. In manchen Ausführungsbeispielen werden auch automatische Messungen ermöglicht, bei welchem eine Drift, d.h. bspw. eine Werteveränderung des Abstandes zwischen Sonde und Probe, über den Einstellbereich eines Stellelementes für den Probenträger bzw. eines Stell elementes für die Sonde hinausgeht. Zurückkehrend zu Fig. 1, zeigt diese eine schematische Ansicht eines Ausflihrungsbeispiels einer Vorrichtung zur Rastersondenmikroskopie und/oder zur Kraftspektroskopie. Dabei sind nur die für die Erläuterung der Erfindung relevanten Bestandteile dargestellt. Die Auslenkung eines Cantilevers 4, der an einer Cantilever-Halterung 5 befestigt ist, gegenüber einer zu vermessenden Probe wird mithilfe eines Messstrahls 2 gemessen. Der Messstrahl 2 umfasst bspw. einen Laserstrahl, oder ein anderes Strahlbündel elektromagnetischer Wellen. Der Messstrahl 2 wird (bspw. in Fig. 1 von rechts von einer nicht dargestellten Messstrahlquelle kommend) an einer reflektierenden Stelle des Cantilevers 4 abgelenkt. Danach durchläuft der Messstrahl 2 ein Strahlelement 3, welches den Strahlengang des Messstrahles 2 beeinflussen kann. Das Strahlelement 3 umfasst bspw. einen Spiegel und/oder eine Linse oder ein anderes Element, welches geeignet ist den Strahlengang des Messstrahles 2 zu verändern beeinflussen. Der Messstrahl 2 trifft in diesem Ausfuhrungsbeispiel, nachdem er das Strahlelement 3 passiert hat, auf einen Positionsdetektor 1. Der Positionsdetektor 1 erfasst die Position des auf ihn auftreffenden Messstrahles 2.
An dem Cantilever 4 befindet sich eine Sondenspitze 6, die relativ zur Probe bewegt wird, die sich auf einem Probenträger 7 befindet. Der Probenträger 7 mit der Probe wiederum, wird mittels eines Stellelementes 8, bspw. eines Piezeostellelementes, in 3 aufeinander senkrecht stehende Raumrichtungen bewegt (x-, y- und z-Richtung). Ebenso wird bei einer Aufnahme einer Kraftkurve bei kraftspektroskopischen Untersuchungen einer biologischen Probe in manchen Ausfuhrungsbeispielen eine Bewegung in nur einer Raumrichtung (bspw. in z- Richtung oder senkrecht zum Probenträger 7) ermöglicht. In der Fig. 1 liegt die z-Richtung bspw. vertikal in der Zeichenebene. Um nun eine Probe zu untersuchen, wird die Probe mit dem Probenträger 7 mittels des Stellelements 8 in z-Richtung nach oben verschoben, bis ein Kontakt zwischen Sondenspitze 6 und Probe hergestellt ist. Durch eine atomare Wechselwirkung bzw. Kraft, die zwischen Probe und Sondenspitze 6 wirkt, verbiegt sich der Cantilever 4, was wiederum eine Ablenkung des Messstrahls 2 zur Folge hat. Durch Verschieben des Probenträgers 7 mit der Probe in x- und y-Richtung kann auf diese Art und Weise eine Oberflächentopographie der Probe gewonnen werden. Weiterhin ist es in der kraftspektroskopischen Messung möglich, bspw. mittels der bekannten Federkonstante des Cantilevers 4, eine Kraft, die zwischen Probe und Sondenspitze 6 (bzw. Cantilever 4) wirkt zu ermitteln, um z.B. Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen der Probe quantitativ zu charakterisieren.. Die vorgenannten rastersondenmikroskopischen oder kraftspektroskopischen Messungen finden bei präzise vorgegebenen Einstellparametern statt. Durch Störeinflüsse, wie bspw. thermische Effekte und/oder Oberflächeneffekte, kann es zu einer Drift dieser Einstellparameter kommen, was zu einer Verfälschung der Messungen führt. Beispielsweise kann sich der Cantilever 4 durch äußere thermische Einwirkung verbiegen oder verformen, wodurch der Messstrahl 2 eine Ablenkung erfährt, die das Messergebnis verfälschen kann. Der Cantilever 4 kann sich auch durch Oberflächeneffekte, Materialdegradation oder andere äußere Effekte verformen. Die hierdurch bewirkte Ablenkung des Messstrahls 2 kann mit Hilfe des Positionsdetektors 1 ermittelt werden, da sich folglich auch die Position des Auftreffpunktes des Messstrahles 2 auf den Positionsdetektor 1 verändert.
Diese unerwünschten Ablenkungen des Messstrahls 2 stören bspw. die Aufnahme einer korrekten Kraftkurve im Rahmen einer kraftspektroskopischen Messung. Daher wird in manchen Ausführungsbeispielen der Positionsdetektor und der Messstrahl 2, der von einem „freien" Cantilever 4 reflektiert wird, entsprechend zueinander positioniert. Der Cantilever 4 ist bspw. dann frei, wenn er nicht in Kontakt mit der zu vermessenden Probe ist. Diese Positionierung des Messstrahls 2 erfolgt bspw. auf zwei Arten, die auch miteinander kombiniert werden können. In manchen Ausfuhrungsbeispielen verschiebt ein Stellglied den Positionsdetektor 1 , derart, dass die ungewünschte Ablenkung des Messstrahls 2 kompensiert wird. In Fig. 1 ist diese Vorgang schematisch durch die beiden Pfeile dargestellt. Zum Beispiel wird der Positionsdetektor 1 so in einen Stellparameter verfahren, dass der Messstrahl 2 im wesentlichen zentriert auf den Positionsdetektor 1 trifft. In manchen Ausfuhrungsbeispielen wird hingegen das Strahlelement 3 mittels eines (nicht gezeigten) Stellgliedes so verstellt, dass die Ablenkung des Messstrahls 2 ausgeglichen, d.h. kompensiert wird. Auch in diesem Ausfuhrungsbeispiel ist es möglich, den Messstrahl 2, der aufgrund einer thermisch bedingten Drift wenigstens eines Teils des Systems verschoben wurde, wieder entsprechend zu positionieren, d.h. ihn bspw. zentral auf den Positionsdetektor 1 auftreffen zu lassen. In wieder anderen Ausfuhrungsbeispielen werden sowohl der Positionsdetektor 1 verschoben, als auch das Strahlelement 3 eingestellt, um der ungewünschten Auslenkung des Messstrahls 2 entgegenzuwirken. In solchen Ausfuhrungsbeispielen wird demnach sowohl der Positionsdetektor 1, als auch der Messstrahl 2 aufeinander zu bewegt.
Die Steuerung des Stellgliedes des Positionsdetektors 1 und/oder des Stellgliedes für das Strahlelement 3, erfolgt mittels eines geeigneten von einer Steuerung erzeugten Steuersignals. Dieses Steuersignal wird in manchen Ausführungsbeispielen basierend auf einem Positionssignal erzeugt, welches die Position des Messstrahls auf dem Positionsdetektor 1 repräsentiert. Dabei wird bspw. das Positionssignal digital oder analog ausgewertet und aufgrund der Auswertung ein Steuersignal für das Stellglied generiert, welches das Stellglied veranlasst sich so einzustellen, dass der Messstrahl 2 so auf den Positionsdetektor 1 auftrifft, dass bspw. die thermische bedingte oder auf Oberflächeneffekten des Cantilevers 4 beruhende Verschiebung der Position des Messstrahls 2 auf dem Positionsdetektor wenigstens teilweise kompensiert, d.h. wenigstens teilweise ausgeglichen wird.
Das Steuersignal, welches basierend auf dem Positionssignal des Positionsdetektors 1 erzeugt wird, ist in manchen Ausführungsbeispielen so ausgebildet, dass eine Steuerung des Stellgliedes zumindest in einer Ebene möglich ist. In wieder anderen Ausführungsbeispielen ist sogar eine Steuerung eines entsprechenden Stellgliedes in alle drei Raumrichtung möglich, um beispielsweise den Positionsdetektor oder das Strahlelement nicht nur in laterale und vertikaler Richtung zu bewegen, sondern bspw. auch ein Verkippen bzw. eine Rotation zu ermöglichen. Dies ist bspw. dann sinnvoll, wenn der Messstrahl 2 nicht senkrecht auf den Positionsdetektor 1 auftrifft. Dazu ist das Stellglied bspw. motorisiert und so eingerichtet, dass es das Strahlelement bzw. den Positionsdetektor in beliebige Richtung bewegen kann.
Das oben erläuterte Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung, die eingerichtet ist das Verfahren auszuführen, wird in den Ausführungsbeispielen auf unterschiedliche Arten initiiert. In manchen Ausführungsbeispielen erfolgt der Start des Justage- oder Kompensationsverfahrens aufgrund einer Benutzereingabe. In anderen Ausführungsbeispielen erfolgt der Start hingegen automatisch, indem bspw. erkannt wird, dass die Drift einen gewissen Schwellenwert bzw. Triggerwert eines Stellparameters erreicht hat, der den Start des Verfahrens auslöst. Dazu wird in manchen Ausführungsbeispielen bspw. zwischen den Aufnahmen von Kraftkurven die Position des Messstrahls 2 auf dem Positionsdetektor 1 verglichen, wenn der Cantilever frei ist. Durch den Vergleich dieser unterschiedlichen Positionswerte zwischen den Kraftkurvenaufhahmen, kann bspw. eine Drift des Systems, wie zum Beispiel ein Verbiegen des Cantilevers 4, festgestellt werden. Erreicht die Drift bspw. einen vorgegebenen Schwellenwert (z.B. für eine Positionsveränderung), so wird in manchen Ausführungsbeispielen automatisch diese Drift kompensiert, wie oben ausgeführt wurde. In manchen Ausführungsbeispielen wird bspw. vor dem Start einer neuen Messung, die Position des Messstrahls 2 auf dem Positionsdetektor 1 ermittelt und eine Drift des Messstrahls kompensiert.
Figur 2 erläutert beispielhaft einen Kraftkurvenverlauf, wie er bei einer entsprechenden Messung mit einem Kraftmikroskop/Rastersondenmikroskop in den Ausfuhrungsbeispielen entstehen kann. In manchen Ausfuhrungsbeispielen, z.B. auch bei solchen, die sich auf die Kraftspektroskopie beziehen, werden u. a. zwei (wichtige) Anforderungen an die Qualität der Kraftkurven gestellt. Zum einen soll die Kraft begrenzt sein, mit der die Sonde auf die Probe drückt, und zum anderen soll sichergestellt sein, dass die Kraftkurve eine ausreichende Länge hat, um die erwarteten Ereignisse aufzuzeichnen. Der in Fig. 2 gezeigte Kraftkurvenverlauf erstreckt sich zwischen drei gezeigten Punkten, einem Offsetpunkt 15, einem Kontaktpunkt 17 und einem Triggerpunkt 19. In den Ausfuhrungsbeispielen können auch mehr oder weniger Punkte einer Kraftkurve ermittelt werden; in manchen wird quasi ständig die Kraft ermittelt, mit der die Sonde auf die Probe drückt. Der Offsetpunkt 15 bestimmt den Anfang der Kraftkurve, während sich der Kontaktpunkt 17 dadurch auszeichnet, dass dort der Kontakt zwischen Sonde und Probe hergestellt wird, wie auch an dem Anstieg des Kurvenverlaufes erkennbar ist. Die Kraftkurve endet bei dem Triggerpunkt 19, bei welchem die Kraft einen Schwellwert erreicht, der sich bspw. dadurch ergibt, dass bei noch größeren Kräften zwischen Sonde und Probe, die Probe oder Sonde beschädigt werden könnte. Die Kraftkurve kann bspw. auch am VR-Punkt enden, bei dem die Auslenkung des Stellelements den größten Wert, den z.B. ein Benutzer für die Kraftkurve definiert hat, erreicht hat. Die Ordinate in Fig. 2 zeigt nach oben ansteigende Werte einer Kraft, die zwischen einer Probe und einer Sonde wirkt (und bspw. durch die entsprechende Auslenkung eines Cantilevers ermittelt wird, wie oben erläutert). Die Abszisse zeigt nach rechts ansteigende Werte einer Auslenkung eines Stellelements (bspw. Stellelement 8, wie in Fig. 1), hier eines Piezostellelements. Daher stellt die Abszisse die Auslenkungswerte des Stellelements als Position des Piezostellelement (Piezoposition) dar. Weiterhin zeigt Fig. 1 einen unteren Sicherheitsbereich 11 und einen oberen Sicherheitsbereich 13. Der untere Sicherheitsbereich 11 erstreckt sich zwischen einer minimalen Piezoposition ZnUn und einer unteren Piezoposition Zt>ot. Der obere Sicherheitsbereich 13 erstreckt sich zwischen einer oberen Piezoposition Ztop und einer maximalen Piezoposition Zmax. Die minimale und maximale Piezoposition stellen die minimal bzw. maximal möglich erreichbare Auslenkung des Stellelements dar. Die Piezopositionen Zbot bzw. Ztop hingegen, können in den Ausführungsbeispielen beliebig eingestellt werden. Um eine Drift des Systems, die bspw. zu einer Veränderung des Abstandes zwischen Sonde Probe fuhrt, zu kompensieren, wird in manchen Ausfuhrungsbeispielen ein möglichst langer Kraftkurverlauf dadurch erreicht, dass bei jeder neuen Aufnahme einer Kraftkurve ein entsprechender Auslenkungswert (Offset) von dem ermittelten Triggerpunkt abgezogen wird, wodurch man einen neuen Offsetpunkt und damit neuen Startpunkt für die Kraftkurvenaufhahme erhält.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen reicht diese Art der Kompensation einer Drift des Systems nicht aus, wie in Figuren 3 und 4 veranschaulicht ist.
Fig. 3 zeigt beispielsweise die Aufnahme dreier Kraftkurven (1. durchgezogene, 2. gepunktete und 3. gestrichelte Linie), bei einer Drift im System, die den Abstand zwischen Sonde und Probe verringert. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Kraftkurve bei jeder neuen Aufnahme nach links verschoben. Die Triggerpunkte 20, 21 22 wandern ebenso, wie die Kontaktpunke 24, 25, 26 und Offsetpunkte 28, 29, 30 nach links. Bei mehreren Kurvenaufhahmen verschieben sich die Kraftkurven schließlich soweit nach links, dass bspw. der Offsetpunkt 30 in den unteren Sicherheitsbereich 11 gelangt, was schlussendlich dazu fuhrt, dass aufgrund der begrenzten Auslenkung des Stellelementes die Aufnahme einer weiteren Kurve nicht möglich ist.
Auf ähnliche Weise zeigt Fig. 4 die Auswirkungen einer Drift, die den Abstand zwischen Sonde und Probe vergrößert. Hier verschieben sich die drei Kraftkurven (1. durchgezogene, 2. gepunktete und 3. gestrichelte Linie) bei jeder neuen Aufnahme nach rechts. Was wiederum dazu fuhrt, dass die Triggerpunkte 31, 32, 33 ebenso, wie die Kontaktpunke 34, 35, 36 und Offsetpunkte 37, 38, 39 nach rechts wandern, bis bspw. der Triggerpunkt 33 in den oberen Sicherheitsbereich 13 gelangt. Daher kann auch in diesem Fall aufgrund der begrenzten Auslenkungsfähigkeit des Stellelements keine weitere Kraftkurvenaufhahme erfolgen.
In beiden Fällen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 beschrieben wurden, ist demnach der Stellbereich bzw. Auslenkungsbereich des Stellelementes aufgrund einer Drift irgendwann erschöpft. Daher wird in manchen Ausfuhrungsbeispielen erkannt, dass der Stellbereich des Stellelementes erschöpft ist, um daraufhin mittels eines Stellgliedes den Abstand zwischen Sonde und Probe zu vergrößern bzw. zu verkleinern, sodass weitere Kraftkurvenaufhahmen - quasi über den Stellbereich des Stellelementes hinaus - möglich werden. Dazu wird in manchen Ausführungsbeispielen die Kraftkurve analysiert und bspw. ermittelt, ob der Offsetpunkt in den unteren Sicherheitsbereich 11 oder der Triggerpunkt bzw. VR-Punkt in den oberen Sicherheitsbereich 13 eindringt. Bspw. wird zunächst die Position der Kraftkurve innerhalb des maximalen Piezowegs ermittelt, um zu erkennen, ob durch die Drift zwischen Probe und Sonde ein Sicherheitsbereich erreicht wurde. Nach jeder aufgenommenen Kraftkurve wird dann überprüft, ob
(1) der Offsetpunkt der Kraftkurve innerhalb des unteren Sicherheitsbereich 11 liegt (s. bspw. Fig. 3) ; oder (2) der Triggerpunkt bzw. VR-Punkt der Kraftkurve innerhalb des oberen
Sicherheitsbereiches 13 liegt (s. bspw. Fig. 4).
Im Fall (1) wird vor der nächsten Kraftkurvenaufhahme durch das Stellglied bspw. das (gesamte) Stellelement mit Probenträger und Probe so verfahren, dass sich der Abstand zwischen Probe und Sonde so vergrößert, dass die nächste Kraftkurve zwischen den beiden Sicherheitsbereichen 11 und 13 liegt. Dazu wird bspw. der Offsetpunkt der nächsten Kraftkurve so gewählt, dass sich die Kraftkurve „zentral" im Auslenkungsbereich des Stellelements (bzw. zentral zwischen den beiden Sicherheitsbereichen 11 und 13) befindet.
Im Fall (2) wird vor Verschiebung des Stellelements durch das Stellglied die Auslenkung des Stellelements zurückgesetzt, d.h. auf den minimalen Auslenkungswert Zm^1. Dann verfährt das Stellglied das Stellelement derart, dass sich der Abstand zwischen Probe und Sonde so verkleinert, dass die nächste Kraftkurve zwischen den beiden Sicherheitsbereichen 11 und 13 liegt. Dazu wird bspw. der Offsetpunkt der nächsten Kraftkurve so gewählt, dass sich die Kraftkurve im Zentralbereich des maximalen Stellbereichs des Piezo-Stellelements befindet.
In Fig. 5 ist nun das Zusammenwirken zwischen Stellglied und Stellelement 58 veranschaulicht. Das Stellglied umfasst einen Antrieb 62, bspw. einen Stellmotor, und eine Verschiebeeinheit 60, die durch den Antrieb 62 auf- und abwärtsbewegt (in z-Richtung) werden kann. Das Stellelement 58 umfasst bspw. ein Piezostellelement, dessen möglichen Stellungen in z-Richtung durch gepunktete Linien angedeutet ist. Das Stellelement 58 weist eine minimale Auslenkung Zπώi und eine maximale Auslenkung Zmax auf, innerhalb derer sich das Stellelement 58 einstellen lässt. Weiterhin ist in Fig. 5 ein unterer Sicherheitsbereich zwischen ZnUn und Zbot und ein oberer Sicherheitsbereich zwischen Ztop und Zmax gezeigt. Zwischen dem unteren und oberen Sicherheitsbereich befinden sich nun verschiedene Stellungen bzw. Auslenkungen des Stellelements 58, die sich entsprechenden Punkten einer Kraftkurve zuordnen lassen, wie bspw. Auslenkung 56 einem Offsetpunkt, Auslenkung 54 einem Kontaktpunkt, Auslenkung 52 einem Triggerpunkt und Auslenkung 50 einer vollen Rampe (VR). Wird nun während einer Analyse (wie oben ausgeführt) festgestellt, dass aufgrund einer Drift des Systems die Auslenkungsmöglichkeit des Stellelementes 58 erschöpft ist, so wird das Stellglied so gesteuert, dass der Abstand zwischen Probe und Sonde dementsprechend vergrößert bzw. verkleinert wird (wie oben beschrieben) und sich die nächste Kraftkurve im zentralen Auslenkungsbereich des Stellelements 58 befindet.
Statt des Offsetpunktes oder des Triggerpunkts können auch andere charakteristische Punkte der Kraftkurve, wie z.B. der Kontaktpunkt aus der Kraftkurve ermittelt werden, um zu erkennen, ob sich die Kraftkurve noch außerhalb des unteren bzw. oberen Sicherheitsbereiches befindet.
Die oben beschriebenen Verfahren, Vorgehensweisen und Vorrichtungen sind in den Ausfuhrungsbeispielen unterschiedlich verwirklicht. In manchen Ausfuhrungsbeispielen werden die Verfahren bspw. mittels eines Computerprogrammes automatisch ausgeführt, das bspw. eine Steuerung steuert. In anderen wiederum ist das Verfahren direkt in einer Steuerung verwirklicht, die wiederum bspw. automatisch eine rastersondenmikroskopische bzw. (raster)kraftmikroskopische Messung durchführt.
In manchen Ausführungsbeispielen umfasst bspw. eine Steuerung eine Analyseeinrichtung bspw. mit einem Mikroprozessor, die Daten empfängt und verarbeitet. Daten werden in manchen Ausführungsbeispielen von einem Positionsdetektor geliefert (wie oben beschrieben) und repräsentieren bspw. die Position eines Messstrahls auf dem Positionsdetektor. In manchen Ausführungsbeispielen werden auch Daten bspw. von einem Stellelement geliefert, die die aktuelle Auslenkung des Stellelements repräsentieren. In manchen Ausführungsbeispielen empfängt die Steuerung, bzw. die Analyseeinrichtung Kraftdaten, die die Kraft repräsentieren, die zwischen Sonde und Probe wirkt, oder sie ermittelt die Kraftdaten selber, basierend bspw. auf den Positionsdaten. Z.B. errechnet der Mikroprozessor aus den Positionsdaten, die vom dem Positionsdetektor kommen, entsprechende Kraftdaten. Die Steuerung umfasst in manchen Ausführungsbeispielen einen Speicher, in dem bspw. Kraftkurvendaten abgelegt werden können und/oder Werte, die bspw. Schwellwerte für eine Kraft oder eine Auslenkung, oder ähnliches, darstellen. In solchen Ausfuhrungsbeispielen vergleicht bspw. der Mikroprozessor z.B. Trigger- oder Offsetpunkt(e), oder andere Punkte einer Kraftkurve, mit vorgegebenen Punkten oder Daten, wie bspw. Punkten oder Daten, die einen Sicherheitsbereich repräsentieren. In manchen Ausfuhrungsbeispielen sind bspw. die minimalen und maximalen Auslenkungsmöglichkeiten eines Stellelementes und/oder eines Stellgliedes in dem Speicher abgelegt.
In manchen Ausfuhrungsbeispielen analysiert die Analyseeinrichtung die empfangenen Daten (wie Positionsdaten vom Positionsdetektor, vom Stellelement, vom Stellglied, Kraftdaten, oder ähnliches) und erzeugt aufgrund der Analyse ein Steuersignal für ein Stellglied. Dieses Steuersignal steuert das Stellglied derart, dass eine Drift die zu einer Veränderung eines Wertes (bspw. eines Kraftwertes, eines Positionswertes des Messstrahls auf dem Positionsdetektor, oder eines Abstandswerts zwischen Sonde und Probe) kompensiert wird.
In manchen Ausführungsbeispielen liegen die oben ausgeführten Ausführungsbeispiele auch bspw. zusammen oder gemischt vor, oder es sind Kombinationen der Ausführungsbeispiele mit ihren unterschiedlichen Ausgestaltungen untereinander verwirklicht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Durchfuhrung einer rastersondenmikroskopischen oder kraftspektroskopischen Messung bei vorgegebenen Parametern, umfassend die Schritte:
- Ermitteln einer Wertveränderung von wenigstens einem der Parameter; und Steuern eines Stellgliedes in Abhängigkeit der ermittelten Wertveränderung, sodass die Veränderung des Wertes wenigstens teilweise kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Wertveränderung thermisch begründet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Wertveränderung auf Oberflächeneffekten beruht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem während der Durchführung einer Messung die ermittelte Wertveränderung durch Steuern des Stellgliedes automatisch kompensiert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Wertveränderung die Positionsveränderung eines Messstrahls umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Positionsveränderung des Messstrahls durch eine Verbiegung eines Cantilevers hervorgerufen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei welchem das Ermitteln der Wertveränderung die Positionsermittlung des Messstrahls mittels eines Positionsdetektors umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Positionsermittlung eine Auswertung eines Signals des Positionsdetektors umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem mittels der Auswertung des Signals ein Steuersignal generiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Stellglied mittels des Steuersignals gesteuert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei welchem das Stellglied so gesteuert wird, dass der Messstrahl bezüglich des Positionsdetektors ausgerichtet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Messstrahl zentral ausgerichtet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Stellglied ein Strahlelement bewegt, welches geeignet ist, den Strahlengang des Messstrahls zu beeinflussen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem: - die Wertveränderung die Veränderung einer Kraft umfasst, die zwischen einer
Sonde und einer Probe wirkt;
- die Kraftveränderung analysiert wird; und
- das Stellgliedes so gesteuert wird, dass der Abstand zwischen der Sonde und der Probe in Abhängigkeit der Analyse verändert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem der Analyseschritt umfasst:
- Ermitteln, ob sich die Kraft so verändert, dass sie einem vorgegebenen Maximalwert einer Kraft entspricht;
16. Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem im Analyseschritt für mehrere Kraftwerte zugehörige Auslenkungswerte eines Stellelementes bestimmt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem im Analyseschritt aus Wertepaaren, die Kraftwerte und zugehörige Auslenkungswerte des Stellelementes umfassen, wenigstens einer der folgenden Punkte bestimmt wird: Offsetpunkt, Kontaktpunkt,
Triggerpunkt, VR-Punkt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei welchem der Analyseschritt umfasst: - Ermitteln, ob die zu der ermittelten Kraft gehörige Auslenkung in einem vorgegebenen Wertebereich liegt.
19. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem im Analyseschritt zusätzlich erkannt wird, ob einer der Punkte in einem vorgegebenen Wertebereich liegt.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei welchem ein erster vorgegebener Wertebereich den Wert einer minimalen Auslenkung des Stellelementes umfasst und ein zweiter vorgegebener Wertebereich den Wert einer maximalen Auslenkung des Stellelementes umfasst.
21. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem im Analyseschritt ermittelt wird, ob der Offsetpunkt im ersten Wertebereich liegt.
22. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem im Analyseschritt ermittelt wird, ob der Triggerpunkt oder der VR-Punkt im zweiten Wertebereich liegt.
23. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem im Analyseschritt ermittelt wird, ob der Kontaktpunkt im ersten oder zweiten Wertebereich liegt.
24. Verfahren nach Anspruch 20, bei welchem das Stellglied so gesteuert wird, dass wenigstens einer der ermittelten Punkte außerhalb des ersten und zweiten Wertebereiches liegt.
25. Verfahren nach Anspruch 24, bei welchem das Stellglied so gesteuert wird, dass alle Wertepaare außerhalb des ersten und zweiten Wertebereiches liegen.
26. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem das Stellglied so gesteuert wird, dass der Offsetpunkt zwischen dem ersten und zweiten Wertebereich liegt.
27. Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem das Stellglied so gesteuert wird, dass der Triggerpunkt zwischen dem ersten und zweiten Wertebereich liegt.
28. Verfahren nach Anspruch 23, bei welchem das Stellglied so gesteuert wird, dass der Triggerpunkt oder der VR-Punkt zwischen dem ersten und zweiten Wertebereich liegt.
29. Vorrichtung zur Rastersondenmikroskopie und/oder zur Kraftspektroskopie, umfassend: eine Messeinrichtung, die eine Sonde für rastersondenmikroskopische oder kraftspektroskopische Messungen und einen Probenträger (7) zur Anordnung einer zu vermessenden Probe umfasst;
- einen Positionsdetektor (1), der die Position eines Messstrahls (2) erfasst, der von der Sonde reflektiert wird;
- ein Stellelement (8), welches eingerichtet ist, den Probenträger (7) zu bewegen;
- ein Stellglied; und
- eine Steuerung, die das Stellglied in Abhängigkeit einer ermittelten Wertveränderung der Positionsdaten derart steuert, dass die Veränderung des Wertes wenigstens teilweise kompensiert wird.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei welchem das Stellglied den Positionsdetektor (1) bewegt.
31. Vorrichtung nach Anspruch 29, bei welchem das Stellglied ein Strahlelement (3) bewegt, welches eingerichtet ist, den Strahlgang des Messstrahls (2) zu beeinflussen.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, bei welchem die Steuerung eine Analyseeinrichtung umfasst.
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, bei welchem die Analyseeinrichtung Positionsdaten analysiert, die vom den Positionsdetektor (1) geliefert werden und eine Wertveränderung der Positionsdaten des Messstrahls (2) ermittelt.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 33, bei welchem die Wertveränderung thermisch begründet ist.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 33, bei welchem die Wertveränderung auf Oberflächeneffekten beruht.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 35, bei welchem das Stellglied das Stellelement (8) mit dem Probenträger (7) bewegt.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 36, bei welchem die
Analyseeinrichtung, basierend auf den Positionsdaten des Messstrahls (2), eine Kraft ermittelt, die zwischen Sonde und Probe wirkt.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, bei welchem die Analyseeinrichtung zusätzlich Daten erhält, die eine Auslenkung des Stellelementes (8) repräsentieren und aus der Analyse der Daten eine Wertveränderung des Abstandes zwischen Sonde und Probe ermittelt.
39. Vorrichtung nach Anspruch 37 oder 38, bei welchem die Analyseeinrichtung einen Zusammenhang zwischen Kraft und Auslenkung herstellt.
40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 37 bis 39, bei welchem die Analyseeinrichtung aus dem Zusammen zwischen Kraft und Auslenkung wenigstens einen der Folgenden Punkte ermittelt; Offsetpunkt (15), Kontaktpunkt (17), Triggerpunkt (19), VR-Punkt.
41. Vorrichtung nach Anspruch 40, bei welchem das Stellglied so gesteuert wird, dass sich wenigstens einer der Punkte (Offsetpunkt, Kontaktpunkt, Triggerpunkt, VR-Punkt) zwischen einem maximalen und einer minimalen Auslenkung des Stellelementes (8) befindet.
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 41, bei welchem das Stellglied so gesteuert wird, dass eine Wertveränderung kompensiert wird.
43. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 42, bei welchem die Steuerung eingerichtet ist das Stellglied und/oder die Messeinrichtung und/oder das Stell element automatisch zu steuern.
44. Vorrichtung nach Anspruch 43, bei welchem die Steuerung eingerichtet ist das Stellglied automatisch so zu steuern, dass der Messstrahl (2) in einer vorgegebenen Position auf den Positionsdetektor (1) auftrifft.
45. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 44, bei welchem die Steuerung eingerichtet ist das Stellglied automatisch so zu steuern, dass der Abstand zwischen Sonde und Probe einem vorgegeben Wert entspricht.
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