WO2020253916A1 - Anordnung mit einer messvorrichtung für ein rastersondenmikroskop, rastersondenmikroskop und verfahren zum betreiben - Google Patents

Anordnung mit einer messvorrichtung für ein rastersondenmikroskop, rastersondenmikroskop und verfahren zum betreiben Download PDF

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WO2020253916A1
WO2020253916A1 PCT/DE2020/100516 DE2020100516W WO2020253916A1 WO 2020253916 A1 WO2020253916 A1 WO 2020253916A1 DE 2020100516 W DE2020100516 W DE 2020100516W WO 2020253916 A1 WO2020253916 A1 WO 2020253916A1
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counterweight
measuring
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Torsten JÄHNKE
Frederik BÜCHAU-VENDER
Marian SCHÜCKER
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Bruker Nano 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]
    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
    • G01Q70/02—Probe holders
    • G01Q70/04—Probe holders with compensation for temperature or vibration induced errors
    • 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
    • G01Q10/045—Self-actuating probes, i.e. wherein the actuating means for driving are part of the probe itself, e.g. piezoelectric means on a cantilever probe

Definitions

  • the invention relates to an arrangement with a measuring device for a scanning probe microscope, a scanning probe microscope and a method for operating an arrangement with a measuring device for a scanning probe microscope, in particular a scanning force microscope.
  • Such an atomic force microscope has an elastically flexible lever arm, at the end of which there is a measuring tip, and drives for the relative displacement between the measuring tip and a sample to be examined, piezo actuators, for example, being used as drives in atomic force microscopy. Furthermore, a detection unit is provided for measuring the force on the lever arm, which is also referred to as a cantilever. Depending on the design, the components are fixed to one or more brackets.
  • the movement of the drives can, if they carry out a movement during measurement, for example a periodic oscillation movement, regardless of their own resonance behavior, stimulate internal vibrations of the bracket as a whole or of elements of the bracket, resulting in a falsified image of the surface or surface property of the Sample results because the expected trajectory generated by the drives does not match the real relative movement between the measuring tip and sample, which is made up of the sum of the internal vibrations of the holder and the trajectory generated by the drives.
  • the object of the invention is to provide a measuring device for a scanning probe microscope, a scanning probe microscope and a method for operating a measuring device for a scanning probe microscope, in which a disruptive influence of vibrations of a support structure is reduced or avoided entirely.
  • an arrangement with a measuring device for a scanning probe microscope which has the following: a sample receptacle which is set up to receive a measurement sample for an examination under a scanning probe microscope; a measuring probe received on a probe holder; a displacement device which has a drive and is set up to displace the sample receptacle and the probe holder with the measuring probe for the scanning probe microscopic examination relative to one another by means of the drive; and an active counterweight device with a counterweight and a drive device assigned to the counterweight, the active counterweight device being set up to move the counterweight by means of the drive device in the opposite direction to the movement of the probe holder with the measuring probe during measurement operation.
  • a method for operating an arrangement with a measuring device for a scanning probe microscope in which the following is provided: providing a sample receptacle; Placing a measurement sample on the sample receptacle; and examining the measurement sample by means of a scanning probe microscope, with a measurement probe and the sample receptacle being displaced relative to one another with the aid of a displacement device which has a drive; and an interaction between the measuring probe and the measuring sample is detected by means of a detection unit.
  • a counterweight of an active counterweight device is actively moved counter to the movement of the probe holder with the measurement probe by means of a drive device assigned to the counterweight.
  • a scanning probe microscope with the arrangement is provided.
  • the excitation of vibrations which can be triggered during measurement due to the movement of the drives of the displacement device, is reduced or completely avoided by means of the moving mass, so that the actual relative movement between the measuring tip and the sample (sample holder) corresponds to the trajectory generated by the drives . This improves the measurement accuracy.
  • the counterweight or counterweight is actively moved in opposite directions, that is, by means of the drive device assigned to the counterweight, which can only be used to move the counterweight.
  • the active counterweight device which can also be characterized as an active counterweight device, can be arranged on a bracket on which the drive of the displacement device is received.
  • a holding device of the active counterweight device, on which the drive device of the active counterweight device is arranged, can be mounted on the holder.
  • a mass of the active counterweight device can have an aperture through which a condenser beam path can be formed.
  • the drive device of the active counterweight device can be set up to move the counterweight multidimensionally in opposite directions to the movement of the measuring probe.
  • the counter mass can be essentially equal to a total mass of the probe holder and the measuring probe.
  • the countermass can be substantially equal to a total mass of the detection unit, probe holder and measuring probe.
  • the total mass comprises the mass of an elastic lever arm on which the measuring probe is arranged, for example at an end that is distal with respect to the probe holder.
  • An active counterweight device is provided, that is to say a device with a counterweight (mass) which is moved (active) by means of an associated drive device.
  • the counterweight device can have the following: a mass, one or more drives which are connected to the mass, so that the mass can be set in motion by means of the drive or drives. The movement takes place in the opposite direction to the movement of the probe holder with the measuring probe.
  • the mass can be fixed to a holder in order to in turn fasten it to the holding device of the measuring device.
  • the at least one drive of the counterweight device can be connected to the holder of the measuring device, for example directly.
  • the holding may have guide elements that stabilize the movement of the counterweight along a predetermined movement path, be it along one or more spatial directions.
  • the drives and / or the drive device can be formed with at least one piezo actuator.
  • the drives and / or the drive device can be formed exclusively with piezo actuators.
  • the drives and the drive device can be formed with structurally identical drive modules, for example structurally identical piezo actuators.
  • the mutually assigned masses of the detection unit and the counterweight device are arranged essentially one above the other, i. H. the axes perpendicular to the respective direction of movement through the mass centers of gravity of the masses are close together.
  • a measuring device for a scanning probe microscope which has the following: a sample receptacle which is set up to receive a measurement sample for an examination under a scanning probe microscope; a measuring probe; a displacement device which has a drive and is set up to displace the sample receptacle and the probe holder with the measuring probe for the scanning probe microscopic examination relative to one another by means of the drive; and an active counterweight device with a counterweight and a drive device assigned to the counterweight, the active counterweight device being set up to move the counterweight by means of the drive device in the opposite direction to the movement of the measuring probe.
  • a method for operating a measuring device for a scanning probe microscope in which the following is provided: providing a sample receptacle; Placing a measurement sample on the sample holder; and microscopic examination of the measurement sample using a scanning probe microscope, in which case a measurement probe and the sample receptacle are shifted relative to one another with the aid of a displacement device that has a drive; and an interaction between the measuring probe and the measuring sample is detected by means of a detection unit.
  • a counterweight of an active counterweight device is actively moved in the opposite direction to the movement of the probe holder with the measuring probe by means of a drive device assigned to the counterweight.
  • a control or drive signal for example a voltage, which is given during operation to the drive (s) for relative displacement between the measuring probe and a sample holder with the sample to be examined, is also assigned (in parallel) to the counterweight assigned to the counterweight Drive device given, it being possible for an adaptation to be provided, for example to take into account different designs or types of the drives used in each case.
  • a change is made the control or drive signal for the drives, the same adjustment is made for the drive device.
  • it can be provided to detect vibrations for the holder by means of a sensor device and to adjust control or drive signals for the drive device of the counterweight as a function of the detected sensor signals in order to further optimize the countermovement of the counterweight.
  • the configurations provided in connection with the different configurations of the arrangement, the measuring device or the scanning probe microscope, which can be, for example, an atomic force microscope, can be provided accordingly in connection with the method of operation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a structure of a measuring device for a raster probe microscope in the form of a probe tip scanner according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an arrangement for an atomic force microscope with a measuring device in the form of a measuring tip scanner, to which an active counterweight device is assigned;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a further arrangement for a raster force microscope with a measuring device in the form of a probe tip scanner, which is assigned an active counterweight device with a counterweight with an aperture;
  • FIG. 4 shows a planar representation of the arrangement shown in FIG. 3 and 5 shows a measured response function for a measuring probe of an atomic force microscope with and without active damping by means of an active counterweight.
  • a known measuring device for an atomic force microscope according to the schematic presen- tation in FIG. 1 has an elastically flexible lever arm 2 on a probe holder 1, at the end of which there is a measuring probe 3, which is also referred to as a measuring tip. There are drives 4, 5 for the relative displacement between the measuring probe 3 and a sample holder 6 with a sample 7 to be examined. Furthermore, a detection unit 8 for measuring the force on the lever arm 2 with the measuring probe 3 is provided. The parts or components are accommodated on a holder 9.
  • the embodiment of the measuring device for an atomic force microscope from FIG. 1 known as such can be seen with at least sub-elements thereof in the measuring devices explained below.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an arrangement for an atomic force microscope of a measuring device 20 which, in the example shown, is formed with a measuring tip scanner.
  • a measuring probe 23 On a probe holder 21 an elastically flexible lever arm 22 is taken up, at the end of which a measuring probe 23 is arranged, which is also known as a measuring tip be.
  • Drives 24, 25 are used during operation for the relative displacement between the measuring probe 23 and a sample receptacle 26 with a sample 27 to be examined, it being possible, for example, to use piezo actuators as drives.
  • the measuring probe 23 is arranged on the probe holder 21, which can be equipped with a drive for (further) displacement of the measuring probe 23 relative to the sample receptacle 26.
  • a detection unit 28 is provided for measuring the force on the lever arm 22 with the measuring probe 23 when the measuring probe 23 is displaced relative to the specimen 27 when it is determined.
  • the parts or components are accommodated on one or more holders 29, depending on the design.
  • the movement of the drives 24, 25 during measurement operation can stimulate or cause internal vibrations of the bracket 29, in particular parts or elements of the bracket 29, and the drives 24, 25 themselves, for example when a periodic Schwingungsbewe movement is carried out.
  • known measuring devices cf. from the sum of the (internal) vibrations of the bracket and the trajectory generated by the drives.
  • the measuring device 20 is assigned an active counterweight device 30 on the holder 29 in order to avoid the disadvantageous influence of at least the vibrations.
  • the measuring device 20 and the active counterweight device 30 form an arrangement for a scanning probe microscope.
  • An alignment of the active counterweight device 30 is selected so that, in the measuring mode, an actuator 31, which forms a drive for the active counterweight device 30, for a counterweight 32 (counterweight) of the active counterweight device 30 moves in the opposite direction to that by means of the drives (actuators) 24 , 25 provides or causes movement generated for the measuring probe 28 (the detection unit 28).
  • the counter mass 32 and the total mass of detection unit 28, probe holder 21, lever arm 22 and measuring probe 23 are arranged essentially one above the other, i.e. H. Axes perpendicular to the direction of movement through the respective center of mass are close together.
  • H. a suitable trajectory (movement path) of the countermass 32
  • active damping for the holder 29 is achieved; H. a compensation of the forces acting on the holder 29.
  • the holder 29 ideally remains at rest. Due to the high accelerations of the drives 24, 25, forces act on the holder 29, and the active counterweight device 30 generates a corresponding counterforce, so that overall, as little as possible, but at least a reduced resulting force acts on the holder 29.
  • the same characteristics as possible for the drives 24, 25 and a mass balance for the counterweight 32 of the active counterweight device 30 and the total mass of the detection unit 28 (with probe holder 21, lever arm 22 and measuring probe 23) can be arranged in opposite directions Expansion directions with the same applied voltage, despite the existing hysteresis of the piezo actuators, over the entire expansion length of which an equilibrium of forces is achieved in the plane of movement.
  • an additional voltage supply and regulation as well as an additional detection unit for determining the position or movement of the probe holder 21 can be partially or completely dispensed with.
  • the counterweight 32 is adapted to the total mass of the detection unit 28, probe holder 21, lever arm 22 and measuring probe 23, individual components can optionally be disregarded due to the mass ratios, for example the mass of lever arm 22 and measuring probe 23.
  • the active counterweight device 30 for the measuring device 40 comprises the counterweight 32, the drive 31, which is connected to the counterweight 32, and a holder 41, which in turn is connected to the counterweight 32 via the drive 31 and is used for attachment to the measuring device 40.
  • An aperture or opening 42 is provided on the countermass 32, for example with a breakthrough, which enables a condenser beam path 43 to be formed through the measuring device 40.
  • the excitation of vibrations of the holder 29 is suppressed by the movement of the detection unit 28 with the aid of the counterforce emanating from the active counterweight device 30.
  • the holder 29 remains at rest, and the relative trajectory of the measuring tip 23 with respect to the sample 21 actually intended by the drives 24, 25 is achieved.
  • the counter mass 32 of the active counterweight device 30 is adapted to the total mass of the detection unit 28 (with probe holder 21, lever arm 22 and measuring probe 23), and the drive 31 of the active counterweight device 30 is structurally identical to the drives 24, 25 of the measuring device 40 executed.
  • the drive 31 of the active counterweight device 30 is structurally identical to the drives 24, 25 of the measuring device 40 executed.
  • piezo actuators as drives, one and the same voltage can thus be used to generate the movements.
  • the need for further regulation and separate voltage supply or additional electronic components, such as voltage amplifiers, and data processing for optimizing the movement of the counterweight 32 are dispensed with.
  • the holder 41 of the active counterweight device 30 can be positioned on the holder 29 independently of knowledge of an exact fixing surface of the drives 25. Knowledge of the direction of movement and a sufficiently rigid fixation on the holding tion 29 are sufficient. Furthermore, the holder 41 can additionally provide a guide 44 for the counterweight 32 of the active counterweight device 30, so that vibrations outside a desired spatial direction are avoided.
  • a control or drive signal for example a voltage, which is given during operation to the drive or drives 24, 25 for relative displacement between the measuring probe 23 and a sample receptacle 26 with the sample 27 to be examined, is also ( parallel) given to the drive device 31 assigned to the counterweight 32, it being possible for an adaptation to be provided, for example, to take into account different designs or types of the drives used in each case. If the control or drive signal for the drives 24, 25 is changed, the same adjustment is made for the drive device 31. If, for example, the voltage at the drives 24, 25 is adjusted for operation on the basis of a regulation, the same voltage adjustment also takes place for the drive 31 of the counterweight 32 (parallel connection in the excitation voltage).
  • FIG. 5 shows a schematic representation to show an advantage which is achieved by means of the active counterweight device 30 with respect to the vibration amplitude and phase measured with the aid of a laser Doppler vibrometer along the direction of movement of the detection unit 28 with and without the active Counterweight device 30.
  • amplitude and phase are more constant over a significantly larger frequency range.
  • a multi-dimensional movement of the counterweight 32 of the counterweight 30 can be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Messvorrichtung (20) für ein Rastersondenmikroskop, aufweisend: eine Probenaufnahme (26), die eingerichtet ist, eine Messprobe (27) für eine rastersondenmikroskopische Untersuchung aufzunehmen; eine Messsonde (23), die an einer Sondenhalterung (21) aufgenommen ist; eine Verlagerungseinrichtung, die einen Antrieb (24; 25) aufweist und eingerichtet ist, mittels des Antriebs (24; 25) die Probenaufnahme (26) und die Sondenhalterung (21) mit der Messsonde (23) für die rastersondenmikroskopische Untersuchung relativ zueinander zu verlagern; und eine aktive Gegengewichteinrichtung (30) mit einer Gegenmasse (32) und einer der Gegenmasse (32) zugeordnete Antriebseinrichtung (31), wobei die aktive Gegengewichteinrichtung (30) eingerichtet ist, im Messbetrieb die Gegenmasse (32) mittels der Antriebseinrichtung (31) gegenläufig zur Bewegung der Sondenhalterung (21) mit der Messsonde (23) zu bewegen. Weiterhin ist ein Verfahren zum Betreiben der Anordnung geschaffen.

Description

Anordnung mit einer Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop,
Rastersondenmikroskop und Verfahren zum Betreiben
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Messvorrichtung für ein Rastersondenmikro skop, ein Rastersondenmikroskop und ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung mit einer Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop, insbesondere ein Rasterkraftmikro skop.
Hintergrund
Ein solches Rasterkraftmikroskop weist einen elastisch biegsamen Hebelarm, an dessen Ende sich eine Messspitze befindet, und Antriebe zur relativen Verlagerung zwischen der Messspitze und einer zu untersuchenden Probe auf, wobei in der Rasterkraftmikroskopie zum Beispiel Piezo-Aktuatoren als Antriebe verwendet werden. Weiterhin ist eine Detekti onseinheit zum Messen der Kraft auf den Hebelarm vorgesehen, welcher auch als Cantilever bezeichnet wird. Die Bauteile werden je nach Ausführung an einer oder mehreren Halterun gen fixiert. Die Bewegung der Antriebe kann, wenn diese beim Messen eine Bewegung aus führen, zum Beispiel eine periodische Schwingungsbewegung, unabhängig von ihrem eige nen Resonanzverhalten, interne Vibrationen der Halterung insgesamt oder von Elementen der Halterung anregen, woraus eine verfälschte Abbildung der Oberfläche oder Oberflä cheneigenschaft der Probe resultiert, da die erwartete, durch die Antriebe erzeugte Trajekto- rie nicht mit der realen relativen Bewegung zwischen Messspitze und Probe übereinstimmt, die sich aus der Summe der internen Vibrationen der Halterung und der durch die Antriebe erzeugten Trajektorie zusammensetzt.
Zusammenfassung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop, ein Ras tersondenmikroskop sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung für ein Ras tersondenmikroskop anzugeben, bei denen ein störender Einfluss von Vibrationen einer Hal testruktur gemindert oder ganz vermieden ist.
Zur Lösung sind ein Rastersondenmikroskop, ein Rastersondenmikroskop sowie ein Verfah ren zum Betreiben einer Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop nach den Ansprü chen 1 , 9 und 10 geschaffen. Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Unteran sprüchen. Nach einem Aspekt ist eine Anordnung mit einer Messvorrichtung für ein Rastersondenmik roskop geschaffen, welche Folgendes aufweist: eine Probenaufnahme, die eingerichtet ist, eine Messprobe für eine rastersondenmikroskopische Untersuchung aufzunehmen; eine Messsonde, die an einer Sondenhalterung aufgenommen ist; eine Verlagerungseinrichtung, die einen Antrieb aufweist und eingerichtet ist, mittels des Antriebs die Probenaufnahme und die Sondenhalterung mit der Messsonde für die rastersondenmikroskopische Untersuchung relativ zueinander zu verlagern; und eine aktive Gegengewichteinrichtung mit einer Gegen masse und einer der Gegenmasse zugeordneten Antriebseinrichtung, wobei die aktive Ge gengewichteinrichtung eingerichtet ist, im Messbetrieb die Gegenmasse mittels der An triebseinrichtung gegenläufig zur Bewegung der Sondenhalterung mit der Messsonde zu bewegen.
Nach einem anderen Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung mit einer Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop geschaffen, bei dem Folgendes vorgesehen ist: Bereitstellen einer Probenaufnahme; Anordnen einer Messprobe auf der Probenaufnah me; und rastersondenmikroskopisches Untersuchen der Messprobe, wobei hierbei eine Messsonde und die Probenaufnahme mit Hilfe einer Verlagerungseinrichtung, die einen An trieb aufweist, relativ zueinander verlagert werden; und eine Wechselwirkung zwischen der Messsonde und der Messprobe mittels einer Detektionseinheit erfasst wird. Beim rasterson denmikroskopischen Untersuchen der Messprobe wird eine Gegenmasse einer aktiven Ge gengewichteinrichtung mittels einer der Gegenmasse zugeordneten Antriebseinrichtung ge genläufig zur Bewegung der Sondenhalterung mit der Messsonde aktiv bewegt wird.
Nach einem weiteren Aspekt ist ein Rastersondenmikroskop mit der Anordnung geschaffen.
Die Anregung von Vibrationen, welche aufgrund der Bewegung der Antriebe der Verlage rungseinrichtung beim Messen ausgelöst werden können, ist mittels der mitbewegten Masse gemindert oder vollständig vermieden, sodass die tatsächliche relative Bewegung zwischen Messspitze und Probe (Probenaufnahme) mit der mittels der Antriebe erzeugten Trajektorie übereinstimmt. Hierdurch ist die Messgenauigkeit verbessert. Die Gegenmasse oder das Gegengewicht wird aktiv gegenläufig bewegt, also mittels der der Gegenmasse zugeordne ten Antriebseinrichtung, welche ausschließlich dem Bewegen der Gegenmasse dienen kann. Die aktive Gegengewichteinrichtung, welche auch als aktive Gegenmasseeinrichtung be zeichnet werden kann, kann an einer Halterung angeordnet sein, an der der Antrieb der Ver lagerungseinrichtung aufgenommen ist. Eine Halteeinrichtung der aktiven Gegengewichteinrichtung, an welcher die Antriebseinrich tung der aktiven Gegengewichteinrichtung angeordnet ist, kann an der Halterung lagern.
Eine Masse der aktiven Gegengewichteinrichtung kann eine Apertur aufweisen, durch die hindurch ein Kondensor-Strahlengang ausbildbar ist.
Die Antriebseinrichtung der aktiven Gegengewichteinrichtung kann eingerichtet sein, das Gegengewicht mehrdimensional gegenläufig zur Bewegung der Messsonde zu bewegen.
Die Gegenmasse kann im Wesentlichen gleich einer Gesamtmasse von Sondenhalterung und Messsonde ist. Alternativ kann die Gegenmasse im Wesentlichen gleich einer Gesamt masse von Detektionseinheit, Sondenhalterung und Messsonde. In einer alternativen Aus führung kann vorgesehen sein, dass die Gesamtmasse die Masse eines elastischen Hebel arms umfasst, an dem die Messsonde angeordnet ist, zum Beispiel an einem in Bezug auf die Sondenhalterung distalen Ende.
Nachfolgend werden weitere Aspekte näher erläutert.
Es ist eine aktive Gegengewichteinrichtung vorgesehen, also eine Einrichtung mit einem Gegengewicht (Masse), welches mittels einer zugeordneten Antriebseinrichtung (aktiv) be wegt wird. Die Gegengewichteinrichtung kann in einer Ausführung Folgendes aufweisen: Eine Masse, ein oder mehrere Antriebe, die mit der Masse verbunden sind, sodass die Mas se mittels der oder den Antrieben in Bewegung versetzt werden kann. Die Bewegung erfolgt gegenläufig zur Bewegung der Sondenhalterung mit der Messsonde.
Die Masse kann an einer Halterung fixiert sein, um sie ihrerseits an der Halteeinrichtung der Messvorrichtung zu befestigen. Der mindestens eine Antrieb der Gegengewichteinrichtung kann mit der Halterung der Messvorrichtung verbunden sein, zum Beispiel direkt. Die Halte rung kann Führungselemente aufweisen, die die Bewegung des Gegengewichts entlang ei ner vorgegebenen Bewegungsbahn stabilisieren, sei es entlang einer oder mehrerer Raum richtungen.
Die Antriebe und / oder die Antriebseinrichtung können mit mindestens einem Piezo-Aktor gebildet sein. Die Antriebe und / oder die Antriebseinrichtung können ausschließlich mit Pie- zo-Aktoren gebildet sein. Die Antriebe und die Antriebseinrichtung können mit baugleichen Antriebsmodulen gebildet sein, zum Beispiel baugleichen Piezo-Aktoren.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die einander zugeordneten Massen der Detektionseinheit und der Gegengewichteinrichtung im Wesentlichen übereinander an geordnet sind, d. h. die Achsen senkrecht zur jeweiligen Bewegungsrichtung durch die Mas senschwerpunkte der Massen liegen nah beieinander.
In einer Ausgestaltung ist eine Messvorrichtung für ein Rastersondenmikroskop geschaffen, welche Folgendes aufweist: eine Probenaufnahme, die eingerichtet ist, eine Messprobe für eine rastersondenmikroskopische Untersuchung aufzunehmen; eine Messsonde; eine Verla gerungseinrichtung, die einen Antrieb aufweist und eingerichtet ist, mittels des Antriebs die Probenaufnahme und die Sondenhalterung mit der Messsonde für die rastersondenmikro skopische Untersuchung relativ zueinander zu verlagern; und eine aktive Gegengewichtein richtung mit einem Gegengewicht und einer dem Gegengewicht zugeordnete Antriebsein richtung, wobei die aktive Gegengewichteinrichtung eingerichtet ist, im Messbetrieb das Ge gengewicht mittels der Antriebseinrichtung gegenläufig zur Bewegung der Messsonde zu bewegen.
In einer Ausführung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung für ein Raster sondenmikroskop geschaffen, bei dem Folgendes vorgesehen ist: Bereitstellen einer Pro benaufnahme; Anordnen einer Messprobe auf der Probenaufnahme; und rastersondenmik roskopisches Untersuchen der Messprobe, wobei hierbei eine Messsonde und die Proben aufnahme mit Hilfe einer Verlagerungseinrichtung, die einen Antrieb aufweist, relativ zuei nander verlagert werden; und eine Wechselwirkung zwischen der Messsonde und der Mess probe mittels einer Detektionseinheit erfasst wird. Beim rastersondenmikroskopischen Unter suchen der Messprobe wird ein Gegengewicht einer aktiven Gegengewichteinrichtung mit tels einer dem Gegengewicht zugeordneten Antriebseinrichtung gegenläufig zur Bewegung der Sondenhalterung mit der Messsonde aktiv bewegt wird.
In einem Ausführungsbeispiel wird ein Steuer- oder Antriebssignal, zum Beispiel eine Span nung, welches im Betrieb an den oder die Antriebe zur relativen Verlagerung zwischen der Messsonde und einer Probenaufnahme mit der zu untersuchenden Probe gegeben wird, auch (parallel) an die der Gegenmasse zugeordnete Antriebseinrichtung gegeben, wobei wahlweise eine Anpassung vorgesehen sein kann, beispielweise zur Berücksichtigung un terschiedlichen Bauarten oder -typen der jeweils genutzten Antriebe. Erfolgt eine Änderung des Steuer- oder Antriebssignals für die Antriebe, so wird die gleiche Anpassung für die An triebseinrichtung vorgenommen.
In einer beispielhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, Vibrationen für die Halterung mittels einer Sensoreinrichtung zu erfassen und Steuer- oder Antriebssignale für die An triebseinrichtung der Gegenmasse in Abhängigkeit von den erfassten Sensorsignalen anzu passen, um die Gegenbewegung der Gegenmasse weiter zu optimieren.
Es kann vorgesehen sein, eine tatsächlich ausgeführte Bewegung bei der relativen Verlage rung zwischen der Messsonde und einer Probenaufnahme mit der zu untersuchenden Probe mittels Sensorik zu erfassen und erfasste Sensorsignale beim Erzeugen der Steuer- oder Antriebssignale für die Antriebe zu berücksichtigen. Dies führt dann dazu, dass auch die Steuer- oder Antriebssignale für die Antriebseinrichtung der Gegenmasse entsprechend an gepasst oder geregelt werden.
Die in Verbindung mit den unterschiedlichen Ausgestaltungen der Anordnung, der Messvor richtung oder dem Rastersondenmikroskop, welches zum Beispiel ein Rasterkraftmikroskop sein kann, vorgesehenen Ausgestaltungen können im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betreiben entsprechend vorgesehen sein.
Beschreibung von Ausführunqsbeispielen
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer
Zeichnung erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung für einen Aufbau einer Messvorrichtung für ein Ras tersondenmikroskop in Form eines Messspitzen-Scanners nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung für ein Rasterkraftmikroskop mit einer Messvorrichtung in Form eines Messspitzen-Scanners, dem eine aktive Ge gengewichteinrichtung zugeordnet ist;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung für ein Rasterkraftmikro skop mit einer Messvorrichtung in Form eines Messspitzen-Scanners, dem eine ak tive Gegengewichteinrichtung mit einer Gegenmasse mit einer Apertur zugeordnet ist;
Fig. 4 eine planare Darstellung der in Fig. 3 dargestellten Anordnung und Fig. 5 eine gemessene Antwortfunktion für eine Messsonde eines Rasterkraftmikroskops mit und ohne aktive Dämpfung mittels eines aktiven Gegengewichts.
Ein bekannte Messvorrichtung für ein Rasterkraftmikroskop nach der schematischen Darstel lung in Fig. 1 weist an einer Sondenhalterung 1 einen elastisch biegsamen Hebelarm 2 auf, an dessen Ende sich eine Messsonde 3 befindet, die auch als Messspitze bezeichnet wird. Es sind Antriebe 4, 5 zur relativen Verlagerung zwischen der Messsonde 3 und einer Pro benaufnahme 6 mit einer zu untersuchenden Probe 7 vorgesehen. Weiterhin ist eine Detek tionseinheit 8 zum Messen der Kraft auf den Hebelarm 2 mit der Messsonde 3 vorgesehen. Die Bauteile oder Komponenten sind an einer Halterung 9 aufgenommen. Die als solche bekannte Ausführung der Messvorrichtung für ein Rasterkraftmikroskop aus Fig. 1 kann zu mindest mit Teilelementen hiervon bei den nachfolgend erläuterten Messvorrichtungen vor gesehen sein.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung für ein Rasterkraftmikroskop einer Messvorrichtung 20, welche im gezeigten Beispiel mit einem Messspitzen-Scanner gebildet ist. An einer Sondenhalterung 21 ist ein elastisch biegsamer Hebelarm 22 aufge nommen, an dessen Ende eine Messsonde 23 angeordnet ist, die auch als Messspitze be zeichnet wird. Antriebe 24, 25 dienen im Betrieb zur relativen Verlagerung zwischen der Messsonde 23 und einer Probenaufnahme 26 mit einer zu untersuchenden Probe 27, wobei zum Beispiel Piezo-Aktuatoren als Antriebe verwendet werden können. Die Messsonde 23 ist an der Sondenhalterung 21 angeordnet, die mit einem Antrieb zur (weiteren) Verlagerung der Messsonde 23 relativ zur Probenaufnahme 26 ausgestatte sein kann. Eine Detektions einheit 28 ist vorgesehen zum Messen der Kraft auf den Hebelarm 22 mit der Messsonde 23, wenn die Messsonde 23 beim Bestimmen der Probe 27 relativ zu dieser verlagert wird. Die Bauteile oder Komponenten sind je nach Ausführung an einer oder mehrere Halterungen 29 aufgenommen.
Die Bewegung der Antriebe 24, 25 im Messbetrieb kann interne Vibrationen der Halterung 29, insbesondere von Teilen oder Elementen der Halterung 29, sowie der Antriebe 24, 25 selbst anregen oder verursachen, zum Beispiel wenn eine periodische Schwingungsbewe gung ausgeführt wird. Hieraus können bei bekannten Messvorrichtungen (vgl. Fig. 1) eine verfälschte Abbildung der Oberfläche oder von Oberflächeneigenschaften der Probe 27 re sultieren, da die erwartete, durch die Antriebe erzeugte Trajektorie nicht mit der realen relati ven Bewegung zwischen Messspitze und Probe übereinstimmt, die sich aus der Summe der (internen) Vibrationen der Halterung und der durch die Antriebe erzeugten Trajektorie zu sammensetzt.
Gemäß Fig. 2 ist der Messvorrichtung 20 eine aktive Gegengewichteinrichtung 30 an der Halterung 29 zugeordnet, um den nachteiligen Einfluss zumindest der Vibrationen zu ver meiden. Die Messvorrichtung 20 und die aktive Gegengewichteinrichtung 30 bilden eine An ordnung für ein Rastersondenmikroskop. Eine Ausrichtung aktive Gegengewichteinrichtung 30 ist so gewählt, dass im Messbetrieb ein Aktuator 31 , welcher einen Antrieb für die aktive Gegengewichteinrichtung 30 bildet, für ein Gegengewicht 32 (Gegenmasse) der aktiven Gegengewichteinrichtung 30 eine gegenläufige Bewegung zu der mittels der Antriebe (Aktu atoren) 24, 25 für die Messsonde 28 (die Detektionseinheit 28) erzeugten Bewegung bereit stellt oder bewirkt.
In der gezeigten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Gegenmasse 32 und die Ge samtmasse von Detektionseinheit 28, Sondenhalterung 21 , Hebelarm 22 und Messsonde 23 im Wesentlichen übereinander angeordnet sind, d. h. Achsen senkrecht zur Bewegungsrich tung durch den jeweiligen Massenschwerpunkt liegen nah beieinander. So ist mittels einer geeigneten Trajektorie (Bewegungsbahn) der Gegenmasse 32 eine aktive Dämpfung für die Halterung 29 erreicht, d. h. eine Kompensation der auf die Halterung 29 wirkenden Kräfte. Die Halterung 29 verbleibt idealerweise in Ruhe. Aufgrund hoher Beschleunigungen der An triebe 24, 25 wirken auf der Halterung 29 Kräfte, und die aktive Gegengewichteinrichtung 30 erzeugt eine entsprechende Gegenkraft, sodass in der Summe möglichst keine, mindestens jedoch eine verminderte resultierende Kraft auf die Halterung 29 wirkt.
Bei der Anwendung von Piezo-Aktuatoren möglichst gleicher Charakteristika für die Antriebe 24, 25 und einem Massenabgleich für die Gegenmasse 32 der aktiven Gegengewichteinrich tung 30 und die Gesamtmasse der Detektionseinheit 28 (mit Sondenhalterung 21 , Hebelarm 22 und Messsonde 23) kann mittels Anordnen in entgegengesetzten Ausdehnungsrichtun gen bei gleicher angelegter Spannung, trotz vorhandener Hysterese der Piezo-Aktuatoren, über deren gesamte Ausdehnungslänge ein Kräftegleichgewicht in der Bewegungsebene erreicht werden. Für die aktive Gegengewichteinrichtung 30 kann teilweise oder vollständig auf eine zusätzliche Spannungsversorgung und Regelung sowie eine zusätzliche Detekti onseinheit zur Positions- bzw. Bewegungsbestimmung der Sondenhalterung 21 verzichtet werden. Bei einer Anpassung der Gegenmasse 32 an die Gesamtmasse Detektionseinheit 28, Son denhalterung 21 , Hebelarm 22 und Messsonde 23 können aufgrund der Massenverhältnisse wahlweise einzelne Komponenten unberücksichtigt bleiben, zum Beispiel die Masse von Hebelarm 22 und Messsonde 23.
Fig. 3 und 4 zeigen Darstellung für eine weitere Anordnung für ein Rasterkraftmikroskop mit einer Messvorrichtung 40 in Form eines Messspitzen-Scanners. Nach Fig. 3 und 4 umfasst die aktive Gegengewichteinrichtung 30 für die Messvorrichtung 40 die Gegenmasse 32, den Antrieb 31 , der mit der Gegenmasse 32 verbunden ist, sowie eine Halterung 41 , die ihrer seits über den Antrieb 31 mit der Gegenmasse 32 verbunden ist und zur Befestigung an der Messvorrichtung 40 genutzt wird. An der Gegenmasse 32 ist eine Apertur oder Öffnung 42 vorgesehen, zum Beispiel mit einem Durchbruch, wodurch das Ausbilden eines Kondensor- Strahlengangs 43 durch die Messvorrichtung 40 hindurch ermöglicht ist.
Im Betrieb der Messvorrichtung 30 wird, wie in Fig. 2 dargestellt, die Anregung Vibrationen der Halterung 29 durch die Bewegung der Detektionseinheit 28 mit Hilfe der von der aktiven Gegengewichteinrichtung 30 ausgehenden Gegenkraft unterdrückt. Die Halterung 29 ver bleibt in Ruhe, und die durch die Antriebe 24, 25 tatsächlich beabsichtigte relative Trajektorie der Messspitze 23 gegenüber der Probe 21 wird erreicht.
In der Ausführungsform, siehe Fig. 3, wird die Gegenmasse 32 der aktiven Gegengewicht einrichtung 30 an die Gesamtmasse der Detektionseinheit 28 (mit Sondenhalterung 21 , He belarm 22 und Messsonde 23) angepasst, und der Antrieb 31 der aktiven Gegengewichtein richtung 30 ist baugleich zu den Antrieben 24, 25 der Messvorrichtung 40 ausgeführt. Wer den der oder die Antriebe 31 der aktiven Gegengewichteinrichtung 30 und der Antriebe 25 der Messvorrichtung 40 in gleicher Art und Weise betrieben und in entgegengesetzter Rich tung an der Halterung 29 aufgenommen, so gleichen sich die auf die Halterung 29 wirkenden Kräfte aus. Im beispielhaften Fall der Wahl von Piezo-Aktuatoren als Antriebe kann so ein und dieselbe Spannung zum Erzeugen der Bewegungen verwendet werden. Die Notwendig keit einer weiteren Regelung und separaten Spannungsversorgung bzw. zusätzlicher elekt ronischer Bauteile, wie zum Beispiel Spannungsverstärker, und eine Datenverarbeitung zur Optimierung der Bewegung de Gegenmasse 32 entfallen.
Die Halterung 41 der aktiven Gegengewichteinrichtung 30 kann unabhängig vom Wissen über eine exakte Fixierfläche der Antriebe 25 an der Halterung 29 positioniert werden. Kenntnis über die Bewegungsrichtung und eine ausreichend starre Fixierung an der Halte- rung 29 genügen. Des Weiteren kann durch die Halterung 41 zusätzlich eine Führung 44 für die Gegenmasse 32 der aktiven Gegengewichteinrichtung 30 bereitgestellt werden, sodass Schwingungen außerhalb einer gewünschten Raumrichtung vermieden werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird ein Steuer- oder Antriebssignal, zum Beispiel eine Span nung, welches im Betrieb an den oder die Antriebe 24, 25 zur relativen Verlagerung zwi schen der Messsonde 23 und einer Probenaufnahme 26 mit der zu untersuchenden Probe 27 gegeben wird, auch (parallel) an die der Gegenmasse 32 zugeordnete Antriebseinrich tung 31 gegeben, wobei wahlweise eine Anpassung vorgesehen sein kann, beispielweise zur Berücksichtigung unterschiedlichen Bauarten oder -typen der jeweils genutzten Antriebe. Erfolgt eine Änderung des Steuer- oder Antriebssignals für die Antriebe 24, 25, so wird die gleiche Anpassung für die Antriebseinrichtung 31 vorgenommen. Wird zum Beispiel die Spannung an den Antrieben 24, 25 aufgrund einer Regelung für den Betrieb angepasst, so erfolgt dieselbe Spannungsanpassung auch für den Antrieb 31 des Gegengewichts 32 (Pa rallelschaltung in der Anregungsspannung).
Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung zum Aufzeigen eines Vorteils, welcher mittels der aktiven Gegengewichteinrichtung 30 erreicht ist, in Bezug auf die mit Hilfe eines Laser- Doppler-Vibrometers gemessenen Schwingungsamplitude und Phase entlang der Bewe gungsrichtung der Detektionseinheit 28 mit und ohne die aktive Gegengewichteinrichtung 30. Amplitude und Phase sind mit der aktiven Gegengewichteinrichtung 30 konstanter über ei nen deutlich größeren Frequenzbereich.
In einer Ausgestaltung kann eine mehrdimensionale Bewegung der Gegenmasse 32 des Gegengewichts 30 vorgesehen sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
1. Anordnung mit einer Messvorrichtung (20; 40) für ein Rastersondenmikroskop, mit
- einer Probenaufnahme (26), die eingerichtet ist, eine Messprobe (27) für eine ras tersondenmikroskopische Untersuchung aufzunehmen;
- einer Messsonde (23), die an einer Sondenhalterung (21) aufgenommen ist;
- einer Verlagerungseinrichtung, die einen Antrieb (24; 25) aufweist und eingerichtet ist, mittels des Antriebs (24; 25) die Probenaufnahme (26) und die Sondenhalterung (21) mit der Messsonde (23) für die rastersondenmikroskopische Untersuchung re lativ zueinander zu verlagern; und
- einer aktiven Gegengewichteinrichtung (30) mit einer Gegenmasse (32) und einer der Gegenmasse (32) zugeordnete Antriebseinrichtung (31), wobei die aktive Ge gengewichteinrichtung (30) eingerichtet ist, im Messbetrieb die Gegenmasse (32) mittels der Antriebseinrichtung (31) gegenläufig zur Bewegung der Sondenhalterung (21) mit der Messsonde (23) zu bewegen.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Gegen gewichteinrichtung (30) an einer Halterung (29) angeordnet ist, an der der Antrieb (24; 25) der Verlagerungseinrichtung aufgenommen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halteeinrich tung (41) der aktiven Gegengewichteinrichtung (30), an welcher die Antriebseinrichtung (31) der aktiven Gegengewichteinrichtung (30) angeordnet ist, an der Halterung (29) lagert.
4. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e - kennzeichnet, dass die Gegenmasse (32) der aktiven Gegengewichteinrichtung (30) eine Apertur (42) aufweist, durch die hindurch ein Kondensor-Strahlengang (43) ausbildbar ist.
5. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e - kennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (31) der aktiven Gegengewichtein richtung (30) eingerichtet ist, die Gegenmasse (31) mehrdimensional gegenläufig zur Bewegung der Sondenhalterung (21) mit der Messsonde (23) zu bewegen.
6. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e - k e n n z e i c h n e t, dass die Gegenmasse (32) im Wesentlichen gleich einer Gesamt masse von Sondenhalterung (21) und Messsonde (23) ist.
7. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e - k e n n z e i c h n e t, dass die Antriebe (24; 25) und / oder die Antriebseinrichtung (31) mit mindestens einem Piezo-Aktor gebildet sind.
8. Anordnung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e - k e n n z e i c h n e t, dass die Antriebe (24; 25) und die Antriebseinrichtung (31) mit baugleichen Antriebsmodulen gebildet sind.
9. Rastersondenmikroskop, mit einer Anordnung nach mindestens einem der vorange henden Ansprüche.
10. Verfahren zum Betreiben einer Anordnung mit einer Messvorrichtung (20; 40) für ein Rastersondenmikroskop, mit
- Bereitstellen einer Probenaufnahme (26);
- Anordnen einer Messprobe (27) auf der Probenaufnahme (26); und
- rastersondenmikroskopisches Untersuchen der Messprobe (27), wobei hierbei
- eine Messsonde (23), die an einer Sondenhalterung (21) aufgenommen ist, und die Probenaufnahme (26) mit Hilfe einer Verlagerungseinrichtung, die einen An trieb (24; 25) aufweist, relativ zueinander verlagert werden; und
- eine Wechselwirkung zwischen der Messsonde (23) und der Messprobe (27) mit tels einer Detektionseinheit (28) erfasst wird;
wobei beim rastersondenmikroskopischen Untersuchen der Messprobe (27) eine Ge genmasse (32) einer aktiven Gegengewichteinrichtung (30) mittels einer der Gegen masse (32) zugeordneten Antriebseinrichtung (31) gegenläufig zur Bewegung der Sondenhalterung (21) mit der Messsonde (23) aktiv bewegt wird.
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