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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrfachlokalsondenmeßgerät zum Bewirken
von lokalen Messungen, die sich auf eine Probe beziehen.
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Ein
Anwendungsgebiet des neuartigen Geräts ist die Rasterkraftmikroskopie
(SFM), auch als Atomkraftmikroskopie (AFM) bekannt. Die Erfindung ist
jedoch nicht auf eine derartige Anwendung eingeschränkt. Das
Basiskonzept ist auf den gesamten Bereich der bis zum jetzigen Zeitpunkt
entwickelten Lokalsondentechniken anwendbar, speziell auf alle anderen
Abtastsondenmikroskopie-(SPM)-Techniken, die eine Stabilisierung
von Messbedingungen für
Mikroskopsonden, möglicherweise
Ausleger, für
hochauflösende
Messungen benötigen.
Da es nur schwer möglich
ist, eine komplette Liste von Abtastsonden-Mikroskopietechniken
anzugeben, auf die die Erfindung angewendet werden kann, werden
nur einige wichtige Techniken angegeben: Rastertunnelmikroskopie
(STM), Magnetkraftmikroskopie (MFM), optische Rasternahfeldmikroskopie
(SNOM), Lateralkraftmikroskopie (LFM), Mikroskopie mit elektrischen Feld/elektrischer
Kraft (EFM), Magneto-Tunnelmikroskopie
und Spin-empfindliche Tunnelmikroskopie.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, Messungen mit wohl definierten Messbedingungen
zu ermöglich.
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Hintergrund der Erfindung
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Rasterkraftmikroskope
(SFM) wurden 1986 von Sinnig et al. entwickelt (vergleiche: Sinnig,
G. et al., PhysRev Letters, 1986, Bd. 56(9), S. 930–933), und
zwar zum Abbilden nicht-leitender Oberflächen mit atomarer Auflösung. Seitdem
sind sie ein verbreitet benutztes Werkzeug in der Halbleiterindustrie,
biologischer Forschung und Oberflächenwissenschaft geworden.
Das erste SFM war im Grunde eine dünne Metallfolie, die als Ausleger
wirkt, der zwischen einer STM-Spitze
und der Probenoberfläche
eingeklemmt war. Da der Ausleger ein leitendes Metall war, wurde es
möglich,
die Oberflächenfurchung
von nicht-leitenden Proben zu messen, durch ein Überwachen, wie die vorderste
Spitze des Auslegers, die in Richtung der Probe deutet, abgelenkt
wurde, während
sie sich über
die Probenoberfläche
bewegte, und zwar auf der Basis eines Tunnelstroms zwischen dem Ausleger
und einer Sondenspitze entsprechend dem Rastertunnelmikroskopieprinzip.
Heutzutage wird die Erfassung einer Ablenkung eines Lasers von der Rückseite
des Auslegers auf eine segmentierte Photodiode üblicherweise für diese
Aufgabe benutzt (vergleiche: Meyer, G. et al., Physics Letters,
1988, Bd. 53, S. 1045–1047).
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Ebenso
wie Sinnig und Rohrer ursprünglich am
Durchführen
von lokaler Spektroskopie an Supraleitern während der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops
(STM) 1981 interessiert waren (vergleiche: Sinnig, G. et al., ApplPhys
Letters, 1982, Bd. 40, S. 178–180),
wurde das SFM bald auf lokale Messungen von Kräften zwischen verschiedenen
Materialien im Vakuum, gasartigen Atmosphären und in Flüssigkeiten
angewendet. Für
viele Forscher in verschiedenen Gebieten ist das SFM ein Instrument
zum Messen von lokalen Kraft-Abstand-Profilen auf der atomaren und
molekularen Skala geworden. Messungen, die in letzter Zeit durchgeführt wurden,
betrafen Ligand-Rezeptor-Bindungskräfte (vergleiche:
Florin et al., Science 1994, Bd. 264, S. 415–417), das Entfalten und Wiederfalten
von Proteinen (vergleiche: Rief et al., Science, 1997, Bd. 276,
S. 1109–1112),
ein Dehnen von DNA, genauso wie ein Überwachen von Ladungsmigration
auf Halbleitern und Leiter/Isolator-Oberflächen (vergleiche: Yoo, M. J.,
et al., Science, 1997, Bd. 276, S. 579–582).
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Beispielsweise
im Kontext der Atomkraftmikroskopie ist es bekannt, dass die Erfassungsmethode
für die
Ablenkung des optischen Strahls ein gleichzeitiges Messen von Höhenversetzungen
und Torsinn (die durch laterale Kräfte induziert sind) des Auslegers
erlaubt, der als Lokalsonde verwendet wird (vergleiche: Kees. O.
van der Wert, Constant A. J. Putman, Bart G. de Grooth, Frans B.
Segerink, Eric H. Schipper, Niek F. van Hulst, und Jan Greve, Review
of Scientific Instruments, Oktober 1993, Band 64, Ausgabe 10, S.
2892–2897, „Compact
stand-alone atomic force microscope").
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Lokale
Messungen von Kräften
zwischen Spitze und Oberfläche
leiden unter den folgenden Problemen: 1) einer Drift der Positionierungsanordnung,
die im Allgemeinen ein Piezo-Element darstellt (sofort nachdem das
Piezo-Element vergrößert oder komprimiert
wurde); 2) einer Hysterese der Positionierungsanordnung oder des
Piezo-Elements; 3) einer mechanischen Drift; 4) einer thermischen
Drift zwischen Sensor und Probe auf Zeitskalen, die von Sekunden
bis Stunden reichen und 5) allgemeine mechanische Instabilitäten, die
daher kommen, dass die mechanische „Rückkopplung" des Sensors auf die Probe typischerweise
mittels eines mechanischen Arms von viel größerer Ausdehnung und Masse
als der Sensor selbst realisiert ist.
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Diese
Probleme können
auf ein gewisses Maß abgeschwächt werden,
wenn die Kraft zwischen Spitze und Oberfläche und, deswegen, der Abstand zwischen
Substrat und Probenoberfläche
konstant gehalten wird, beispielsweise durch Konstanthalten des
Ablenkungswinkels des Auslegers (Konstantkraftmodus). Dies ist jedoch
auf Fälle
eingeschränkt, wo
der Hebel (Ausleger) sich tatsächlich
mit der Probenoberfläche
in Kontakt befindet und die Normalkraft auf die Spitze groß genug
ist, so dass sie gut von jedem Hintergrundrauschen unterscheidbar
ist.
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Ein
minimales Kraftniveau im Bereich von hundert pN ist im Allgemeinen
zum Bereitstellen einer stabilen Rückkopplungsregelung notwendig.
Viele Wechselwirkungen, speziell von biologischen Molekülen unter
physiologischen Bedingungen, befinden sich im Bereich von gut unter
100 pN bis hinunter zum Niveau der thermisch induzierten Fluktuationskräfte des
Auslegers. Die zur Zeit erhältlichen
Instrumente sind nicht in der Lage, lokal stabilisierte Messungen
bei wohl definierten Abständen
von der Probe in diesem wichtigen Kraftbereich der thermisch fluktuierenden
Sensoren durchzuführen
(wenige pN).
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Weiter
müssen
Daten oft lokal über
Zeitperioden von Sekunden bis zu Stunden aufgenommen werden. Stabilitätsprobleme
(wie oben aufgezählt) der
zur Zeit erhältlichen
Instrumente machen solche Messungen letztendlich unmöglich.
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Ein
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechendes Gerät ist aus
US 5,220,555 bekannt. Das
offenbarte Gerät
weist zwei Lokalsonden
109 und
111 auf, die unabhängig in
Höhen (Z)-Richtung mittels
einem Piezo-Element
110 und einem Piezo-Element
112 angetrieben
werden können.
Weiter ist ein feine Schwankungen kompensierender Mechanismus
105 vorhanden,
der ein Bewegen einer Probe
108 in Z-Richtung durch einen
positionssteuernden/-regelnden Servoschaltkreis
106 ermöglicht. Weiter
ist eine XY-Stufe
102, genauso wie ein Bahn-einstellender
Mechanismus
103 für
die Z-Richtung vorgesehen. Entsprechend der
2 werden die
Piezo-Elemente
110,
112, der feine Schwankungen
kompensierende Mechanismus
105 und der Bahn-einstellende
Mechanismus
103 für
die Z-Richtung durch einen zentralen Mikrocomputer
117 gesteuert/geregelt.
Durch entsprechendes Antreiben des feine Schwankungen kompensierendern
Mechanismus
105 löscht
der positionssteuernde/-regelnde Servoschaltkreis
106 Schwankungen
aus, die durch thermische Drifts, Vibrationen und dergleichen verursacht
werden. Offensichtlich können
nur Schwankungen der Abstandsbeziehungen ausgelöscht werden.
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US 5,508,527 offenbart eine
Expositionsvorrichtung, die eine Anzahl von Auslegern
101,
102,
103 und
104 mit
Sonden
109,
110,
111 und
112 aufweist,
die zum Steuern/Regeln des Abstands zwischen einer Maske
100 und
der Scheibe
114 verwendet werden. Antriebsbeträge der vier
z-antreibenden Mechanismen (siehe Elemente
119,
120 der
2) werden
durch die CPU
123 auf Basis der Bewegungsbeträge Δz eingestellt,
die optisch für
die Spitzen der Sonden erfasst werden.
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Die
Ausleger werden auch zum Ausrichten der Maske 100 und der
Scheibe 114 in lateraler Richtung, d. h. in der x- und
y-Richtung, verwendet. Dazu (vgl. Spalte 4, Zeile 17 bis
Spalte 5, Zeile 59) wird ein Abtasten in x- und
y-Richtung durch Erfassen von Positionsmarkierungen 115, 116, 117 und 118 innerhalb
des zweidimensionalen Abtastbereiches der Sonden bewirkt. Von den
erfassten Markierungen können
Versetzungen der Maske in x- und y-Richtungen in Bezug auf die Scheibe
berechnet werden, die die Basis zur Korrektur der relativen lateralen
Positionierung sind. Diese Korrektur könnte als eine Art Vorwärtssteuerungs/-regelungs-Einstellung
oder Steuerketten-Einstellung identifiziert werden, die nur zeitweise
vor und nach einem jeweiligen Expositionsprozess bewirkt wird.
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HIDEKI
KAWAKATSU et al.: „CRYSTALLINE LATTICE
FOR METROLOGICAL APPLICATIONS AND POSITIONING CONTROL BY A DUAL
TUNNELING-UNIT SCANNING TUNNELING MICROSCOPE" JOURNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY:
PART B, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, NEW YORK, US, Bd. 9, Nr.
2 PART 2, 01. März,
1991, Seiten 651–654,
XP000222889 ISSN: 0734-211X, offenbart eine duale Tunneleinheit
STM, die eine Positionierungsanordnung umfasst, die offensichtlich
dafür geeignet
ist, um laterale Positionsbeziehungen zweier Lokalsonden in Bezug
auf eine zugeordnete Probe oder Referenzoberfläche gemeinsam einzustellen.
Wie auf Seite 651, rechte Spalte, erster Absatz, erklärt ist,
ist ein XY-Abtaster mit einem plattenförmigen Tisch bereitgestellt,
der Probenanbringflächen
an beiden Seiten aufweist, offensichtlich an gegenüberliegenden
Seiten (vgl. auch den ersten Absatz der linken Spalte auf Seite
654, der eine Nichtausrichtung der Z-Achse der zwei Spitzen und
der Probenoberflächen
in Betracht zieht, die nicht parallel sind). Durch Verwenden zweier
unabhängig
angetriebener Z-Piezo-Elemente und -Spitzen soll die gleichzeitige
Aufnahme zweier Probenbilder mit einem einzelnen XY-Abtastprozess
ermöglicht
werden. Da die beiden Spitzen durch jeweilige Z-Piezo-Elemente unabhängig angetrieben werden und
die Proben sich auf verschiedenen Seiten eines XY-Abtasttischs befinden,
kann keine Stabilisierung des Abstands zwischen Spitze und Probe
für eine
der Spitzen auf Basis von Messungen vorhanden sein, die durch die
andere Spitze in Bezug auf die andere Probe bewirkt werden.
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Das
Dokument berichtet weiter über
differenzielles Bildgeben und einer Rückkopplungsregelung des XY-Abtasters.
Auf Basis von typographischen Merkmalen einer Probe und Zittervibrationen,
die in der Y-Richtung oder in der X- und der Y-Richtung angewendet werden,
wird eine Y- oder XY-Rückkopplungsregelung
zum Feststellen einer Spitze zur Atompositionierung erreicht. Diese
Positionierung ist jedoch nur in Bezug auf relative laterale Bewegungen festgestellt,
die die Zitteramplitude übersteigen.
Entsprechend kann, wenn überhaupt,
nur eine begrenze Stabilisierung einer lateralen Positionierungsbeziehung
durch Rückkopplungsregelung
erreicht werden.
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US 6,028,305 offenbart eine
Sondenanordnung, die zwei Sonden aufweist, wobei eine eine stumpfe
Spitze aufweist, die zum Hochgeschwindigkeitsabtasten mit niedriger
Auflösung
verwendet wird, und eine eine scharfe Spitze aufweist, die zum Abtasten
mit niedriger Geschwindigkeit mit hoher Auflösung verwendet wird. Diese
zwei Sonden werden nur alternativ verwendet.
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LUTWYCHE
M. et al.: „MICROFABRICATION
AND PARALLEL OPERATION OF 5X5 2D AFM CANTILEVER ARRAYS FOR DATA
STORAGE AND IMAGING" MEMS
98. PROCEEDINGS IEEE OF THE 11th ANNUAL INTERNATIONAL WORKSHOP ON
MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEMS. AN INVESTIGATION OF MICRO STRUCTURES, SENSORS,
ACTUATORS, MACHINES AND SYSTEMS. Heidelberg, 25.–29. Jan. 1998, IEEE WORKSHOP
ON MICRO ELECTRO ME, 25. Jan. 1998, Seiten 8–11, XP000829124 ISBN: 0-7803-4413-8,
offenbart eine AFM-Auslegeranordnung, die in x- und y-Richtung abtasten
kann. Drei z-Aktuatoren sind vorgesehen, die auf Basis von Signalen
von drei Hebeln an der Peripherie der Anordnung eingestellt werden,
um das x-y-Abtasten
parallel zur Probe zu halten.
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CHUI
B W et al.: „SIDEWALL-IMPLANTED DUAL-AXIS
PIEZORESISTIVE CANTILEVER FOR AFM DATA STORAGE READBACK AND TRACKING" MEMS 98. PROCEEDINGS
IEEE OF THE 11th ANNUAL INTERNATIONAL WORKSHOP ON MICRO ELECTRO
MECHANICAL SYSTEMS. AN INVESTIGATION OF MICRO STRUCTURES, SENSORS,
ACTUATORS, MACHINES AND SYSTEMS. Heidelberg, 25. Jan. 1998, Seiten
12–17, XP000829125
ISBN: 0-7803-4413-8, offenbart einen Doppelachsen-Piezoresistiven
Ausleger zur Atomkraftmikroskopie, der mit einem Vertikalkraftsensor und
einem Lateralkraftsensor zum unabhängigen Messen einer Kraft in
vertikaler Richtung genauso wie einer Kraft in lateraler Richtung
vorgesehen ist. Datenspeicheranwendungen mit Datenabruf und eine
Lastservoeinrichtung auf Basis des Vertikalkraftsensors und eine
Rillenranderfassung und eine Spurservoeinrichtung auf Basis des
Lateralkraftsensors werden betrachtet.
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Spurverfolgungsexperimente
wurden mit einem Compact-Disc-Aktuator durchgeführt, der durch ein Zweikanal-analog-proportional-integral-Servosystem
gesteuert/geregelt wurde.
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WO 00/19166 offenbart ein
multidimensionales Abtastsystem zur Atomkraftmikroskopie, das dafür geeignet
ist, die absolute Position und Orientierung eines lokalen Bereich
von Interesse auf der Oberfläche
eines automatischen Kraftmikroskopauslegers zu bestimmen, so dass
Auslegerversetzung x, y und z und der Auslegerabstand, die -neigung
und der -gierwinkel unabhängig
bestimmt werden können.
Die Fähigkeit,
die Orientierung des Auslegers bestimmen zu können, ermöglicht es, laterale Kräfte zu erfassen,
während
ein laterales Abtasten in x- oder y-Richtung durchgeführt wird.
Eine Piezo-elektrische Wandlerstufe wird erwähnt, die entweder die Probe
oder den Ausleger in x-, y- und z-Richtungen bewegen kann. Die
9,
12 und
15 zeigen eine grobkörnige xy-Stufe
140,
eine z-Annäherungsstufe
146 und
eine Winkelannäherungsstufe
148.
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Im
Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung,
ein Lokalsondenmessgerät,
wie es identifiziert wurde, bereitzustellen, das zum Stabilisieren
der lokalen Messbedingungen für
wenigstens eine Lokalsonde geeignet ist, wobei nicht nur der Abstand
in Bezug auf eine Probe, sondern auch die laterale Positionierung
in Bezug auf die Probe betrachtet wird. Deswegen schlägt die Erfindung
das wie in Anspruch 1 definierte Lokalsondenmessgerät vor.
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Entsprechend
der Erfindung ist es für
eine Stabilisierung durch Rückkopplungsregelung
betreffend eine Abstandsbeziehung genauso wie eine Lateralpositionierungsbeziehung
von wenigstens einer der Lokalsonden auf Basis von lokalen Messungen vorgesehen,
die von wenigstens einer anderen Lokalsonde bewirkt werden, wobei
die Abstandsbeziehung und die Lateralpositionierungsbeziehung gleichzeitig
durch Rückkopplungsregelung
mittels der Positionierungsanordnung stabilisiert werden.
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Bevorzugte
Ausführungsformen,
die zu weiteren Vorteilen führen,
werden in den untergeordneten Ansprüchen definiert.
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Ein
erfindungsgemäßes Lokalsondenmessgerät eröffnet Möglichkeiten
für viele
Anwendungen. Einige Anwendungen im Kontext der Atomkraftmikroskopie
oder Rasterkraftmikroskopie und dergleichen werden im Folgenden
aufgezählt:
- 1) Proben, beispielsweise bei biologischen
Anwendungen, können
bei effektiv verschwindenden Normalkräften zwischen Spitze und Probe
lokal vermessen werden. Dies ist zum Messen von spezifischen Proteinwechselwirkungen,
zum Beispiel Ligand/Rezeptor-Wechselwirkungen, auf eine gesteuerte/geregelte
Weise besonders interessant. Dies stellt ein wichtiges Merkmal der
Anwendung von SFM in Anwendungen zum Medikamentennachweis dar.
- 2) Eine Anwendung stellt die Kraftspektroskopie auf Proteinen
und Polymeren dar, wo ein Kontakt zwischen Spitze und Probe bei
fast Null-Kraft und damit minimaler mechanischer Wechselwirkung zwischen
Probe und Sensor erreicht werden kann. Die aktive Steuerung/Regelung
des Wechselwirkungssensors und eines Probenoberflächenabstands
eröffnet
die Möglichkeit,
beispielsweise das Entfaltungspotenzial von Proteinen mit sehr weichen
Hebeln oder das Lösen
von molekularen Adhäsionsbindungen
unter konstanter Kraft in flüssigen
Umgebungen zu messen (vergleiche: Evans, E. und Ritchie, K., BioPhys
J., 1997, Bd. 72, S. 1541–1555).
- 3) Durch Einsetzen von Hebeln für den Wechselwirkungssensor
mit verschiedenen und speziell mit sehr weichen oder harten Federkonstanten,
ist es nun möglich,
die Wechselwirkungen in der Nähe
genauso wie weit weg von der Oberfläche mit Angstroem- und pN-Auflösung zu
messen. Für diese
Messungen ist es notwendig, den Wechselwirkungssensor bei wohl definierten
Abständen von
der Probenoberfläche
zu halten, und zwar für Zeiträume, die
ansteigen, wenn die Federkonstante des Hebels abnimmt. Diese Zeiträume können bis
zu Sekunden für
die Aufnahme von Zeitreihen der thermischen Positionsfluktuationen
der Sensorspitze in lokalen Potenzialen reichen, die durch Korrelation
und spektrale Transformationen analysiert werden können. Nur
mit Verwendung der thermisch angeregten Amplituden des Auslegers
verringert man den Einfluss des Sensors auf die Probe und die Gefahr
von Ableiten von Energie in die Probe auf ein Minimum und vermindert dadurch
die Gefahr, die Probe lokal zu ändern oder
gar zu zerstören.
- 4) Eine Möglichkeit
zum Implementieren eines lateralen Abtastens bei wohl definierten
Abständen von
der Oberfläche
könnte
beispielsweise auf Si/SiN3-Probenträgern basiert
sein, die es für
atomar flache Referenzflächen
ermöglichen
würden, über die
der Abstandssensor lateral bei konstanter Normalkraft ohne Änderung
des Abstands zwischen Wechselwirkungssensor und lokal dekorierter
Probenoberfläche
abtasten könnte.
- 5) Ein erfindungsgemäßes Mehrfachsensorgerät ermöglicht eine
Stabilisierung bei minimalen Wechselwirkungskräften für Messungen im anziehenden
Modus bei der Rasterkraftmikroskopie (Atomkraftmikroskopie).
- 6) Ein erfindungsgemäßes Mehrfachsensorgerät kann leicht
an Strömungskammerexperimente angepasst
werden, da thermische oder mechanische Störungen durch das Mehrfachsensorsystem
kompensiert werden können.
Da zusätzliche optische
Interferenzsensoren nicht notwendig sind, wird der Austausch von
Fluiden in Flüssigkeitszellen
leichter.
- 7) Instrumente, die mit einem erfindungsgemäßen Mehrfachsensorgerat ausgestattet
sind, sind gut geeignet zur Produktsteuerung/-regelung oder für allgemeine
Messungen unter mechanisch instabilen Bedingungen. Die einzige Einschränkung resultiert
aus der Geschwindigkeit der Rückkopplung,
die diese Störungen
durch die Kraft-Abstand-Rückkopplung
des Abstandssensors kompensiert.
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Im
Folgenden werden einige Ausführungsformen
des Lokalsondenmessgeräts
lediglich als Beispiel und mit Bezug auf die Figuren erklärt. Weiter werden
einige Beispiele von Anwendungen des erfindungsgemäßen Lokalsondenmessgeräts angegeben.
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Lokalsondenmessgeräts, das
zwei Lokalsonden ohne Stabilisierung einer lateralen Positionierung aufweist,
wie sie von der Erfindung vorgesehen ist.
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2 zeigt
eine Mehrzahl von als Lokalsonden verwendete Auslegersonden, die
integraler Teil eines Auslegersubstrats sind, wobei zwei dieser
Auslegersonden durch Laserstrahlung beleuchtet werden, um eine Versetzung
der jeweiligen Auslegersonden zu erfassen.
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3 zeigt
schematisch eine Sonde zur optischen Nahfeldmikroskopie vom Auslegertyp,
die zum Durchführen
von Messungen mit optischer Nahfeldmikroskopie (SNOM) verwendet
werden kann.
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4 zeigt
drei schematische Diagramme, die Beispiele von Messungen darstellen,
die mit einem Lokalsondenmessgerät
vom Typ der Rasterkraftmikroskopie (SFM) oder Atomkraftmikroskopie (AFM)
durchgeführt
werden können.
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5 zeigt
mit einem Auslegersondenmessgerät
erhaltene Messergebnisse, die sich auf thermische Positionsfluktuationen
einer Auslegersonde für zwei
winzige Abstände
der jeweiligen Auslegersonden in Bezug auf eine Oberfläche beziehen.
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6 zeigt
weitere mit dem Auslegersondenmessgerät erhaltene Messergebnisse,
die sich auf thermische Positionsfluktuationen der jeweiligen Auslegersonden
für sogenannten „sanften
Kontakt" und sogenannten „harten
Kontakt" der Auslegersonden
mit der Oberfläche
beziehen.
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7 zeigt
schematisch ein Mehrfachlokalsondengerät mit zwei Sensoren in einer
vergrößerten Vorderansicht
(7a) und einer Seitenansicht (7b).
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8 ist
ein schematisches Diagramm des Lokalsondenmessgeräts entsprechend
einer Ausführungsform
der Erfindung, die zwei Lokalsonden aufweist.
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9 zeigt
schematisch ein Mehrfachlokalsondengerät mit drei Sensoren, die gleichzeitig
verwendet werden. Zwei der Sensoren dienen zum Stabilisieren und
Steuern/Regeln der Messbedingungen des dritten Sensors.
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10 zeigt
schematisch ein Mehrfachlokalsondengerät mit zwei Sensoren, die gleichzeitig
verwendet werden. Einer der Sensoren dient zum Bereitstellen der
gleichen Steuerung/Regelung und Stabilisierung wie die beiden Sensoren
der Anordnung gemäß 9.
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11 zeigt
schematisch ein Mehrfachlokalsondengerät mit drei Sensoren, die gleichzeitig
verwendet werden. Zwei der Sensoren dienen zum Stabilisieren und
Steuern/Regeln der Messbedingungen des dritten Sensors.
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12 zeigt
schematisch ein Mehrfachlokalsondengerät mit vier Sensoren. Drei der
Sensoren oder alle vier Sensoren werden gleichzeitig verwendet.
Zwei oder drei der Sensoren dienen zum Stabilisieren und Steuern/Regeln
der Messbedingungen eines anderen der Sensoren.
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13 zeigt
schematisch zwei Auslegersensoren in einer Vorderansicht (13a) und in einer Ansicht von oben (13b). Auf Basis einer optischen Erfassung
eines Biegens und einer Torsinn der Auslegersensoren mittels Laserstrahlen,
die davon reflektiert werden, dienen die Sensoren zum Stabilisieren
und Steuern/Regeln der Messbedingungen von wenigstens einem nicht
gezeigten anderen Sensor.
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14 zeigt
die zwei Auslegersensoren der 13 in
einer Vorderansicht (14a) und in einer Ansicht
von oben (14b) für eine unterschiedliche Erfassungssituation.
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1 zeigt
ein Mehrfachlokalsondenmessgerät
ohne Stabilisierung einer lateralen Positionierung durch Rückkopplungsregelung,
wie von der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Das Lokalsondenmessgerät 10 weist
eine erste Lokalsonde 12 und eine zweite Lokalsonde 14 auf,
die miteinander mittels eines Verbindungsteils 16 fest
verbunden sind, möglicherweise
einem mit den Lokalsonden 12 und 14 integralen
Substrat. Die Lokalsonden könnten vom
Auslegertyp sein. In diesem Fall könnten die jeweiligen Lokalsonden
einen Stabausleger (vgl. Ausleger 18 in 2)
oder einen Dreiecksausleger (vgl. Ausleger 20 in 2)
umfassen, die an einem freien Ende eine Spitze aufweisen, die zum
Sondieren einer Probe 22 dient. Im Falle der Auslegersonden
könnte das
Lokalsondenmessgerät
auch als Auslegersondenmessgerät
bezeichnet werden.
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1 zeigt
schematisch die allgemeine Struktur eines Mehrfachsondenmessgeräts gemäß einem
Beispiel unabhängig
von jeder speziellen Lokalsondenmesstechnik. Beispielsweise könnte das Lokalsondenmessgerät zum Durchführen von
Atomkraftmikroskopie-(AFM)- oder Rasterkraftmikroskopie-(SFM)-Messungen
verwendet werden. Andere Beispiele sind Lateralkraftmikroskopie-(LFM)-Messungen,
Rastertunnelmikroskopie-(STM)-Messungen
und optische Rasternahfeldmikroskopie-(SNOM)-Messungen, um nur wenige
Lokalsondentechniken zu nennen. Jedoch könnte das in 1 gezeigte
Lokalsondenmessgerät 10 genauso dafür geeignet
sein, alle anderen Lokalsondenmikroskopiemessungen durchzuführen, wie
etwa Elektrisches-Feld/Elektrische-Kraft-Mikroskopie-(EFM)-Messungen,
Magnetfeld/Magnetkraftmikroskopie-(MFM)-Messungen, akustische Rasternahfeldmikroskopie-(SNAM)-Messungen, Magneto-Tunnelmikroskopie-Messungen
und dergleichen, die eine Lokalsonde benötigen, die mechanisch in der Nähe einer
Probe gehalten wird.
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Wieder
unter Bezugnahme auf 1 umfasst das Gerät 10 eine
Klammer 24, die den Verbindungsteil 16 zusammen
mit den Lokalsonden 12 und 14 über der Probe 22 hält, die
auf einem Probentisch 26 angeordnet ist. Der Probentisch 26 und
entsprechend die Probe könnten
in Bezug auf die beiden Lokalsonden 12 und 14 mittels
eines Piezo-Wandlers 28 fein positioniert werden, der zum Bewegen
des Probentischs 26 mit der Probe 22 in X-, Y-
und Z-Richtung geeignet ist.
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Eine
Grobannäherung
und -positionierung der Probe 22 in Bezug auf die Lokalsonden 12 und 14 könnte mittels
einer Grobpositionierungsanordnung 30 durchgeführt werden,
die möglicherweise
eine Stützplatte
umfasst, die an einem Dreibein angebracht ist, der mittels Langsambewegung-Feineinstellschrauben
oder/und einem elektrischen Motor (beispielsweise einem Gleichstrommotor)
einstellbar ist, der mittels eines Getriebes (möglicherweise einer Langsambewegung-Feineinstellschraube
oder dergleichen) mit dem Dreibein gekoppelt ist.
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Wenn
man eine der zwei Lokalsonden 12 und 14 betrachtet,
sind die jeweilige Lokalsonde einerseits und die Probe 22 andererseits
an gegenüberliegenden
Enden einer mechanischen Verbindungsschleife angeordnet, die den
Verbindungsteil 16, die Klammer 24, die Grobpositionierungsanordnung 30,
den Piezo-Wandler 28, den Probentisch 26 und jede
weitere mechanische Verbindungskomponente zwischen den genannten
Teilen, wie etwa Zwischenelemente 34, 36 zwischen
der Grobpositionierungsanordnung 30, dem Piezo-Wandler 28 und
dem Probentisch 26, umfasst. Wenn ein Abstand zwischen
einer der Lokalsonden und der Probe mittels des Piezo-Wandlers 28 und
der Grobpositionierungsanordnung 30 eingestellt wird, wird
jede mechanische Instabilität
der genannten mechanischen Schleife und jede Piezo-Drift des Piezo-Wandlers Schwankungen
des eingestellten Abstands zwischen den jeweiligen Lokalsonden und
der Probe verursachen.
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Entsprechend
einem Ansatz aus dem Stand der Technik könnte man Erfassungsergebnisse
verwenden, die für
die jeweilige Sonde mittels eines Detektors (Detektor 40 für Sonde 12,
und Detektor 42 für
Sonde 14) erhalten wurden, um den Abstand für die jeweilige
(die gleiche) Sonde zu stabilisieren. Beispielsweise könnte man
den Abstand zwischen Sonde 12 und Probe 22 mittels
der Grobpositionierungsanordnung 30 und des Piezo-Wandlers 28 einstellen und
die Erfassungsergebnisse verwenden, die durch den Detektor 40 für diese
Sonde erhalten wurden, um den Abstand dieser Sonde (Sonde 12)
in Bezug auf die Probe 22 mittels einer Rückkopplungsregelungsschleife 44 zu
regeln, die den Piezo-Wandler 28, die Sonde 12,
den Sondendetektor 40 und einen Rückkopplungsumwandler 46 umfasst.
Der Rückkopplungsumwandler 46 könnte eine
Hochspannungsverstärkeranordnung
umfassen, die zum Übersetzen
einer Steuer-/Regelvariable in eine entsprechende Antriebsspannung
geeignet ist, die an den Piezo-Wandler 28 gesendet wird.
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Dieser
Ansatz funktioniert ganz gut, wenn das Erfassungssignal, das für die jeweilige
Lokalsonde (im Beispiel, Sonde 12) empfangen wurde, stark genug
gegenüber
einem Rauschen ist. Sogar wenn das Signal stark genug ist, um die
gewünschte
Rückkopplungsregelung
des Abstands zwischen der Lokalsonde und der Probe zu erhalten,
hat dieser Ansatz den Vorteil, dass verschiedene Wechselwirkungen
zwischen der Probe und der Lokalsonde auftreten könnten, die
zum Erfassungssignal beitragen könnten.
Im Falle einer Atomkraftmikroskopiesonde (möglicherweise vom Auslegertyp)
könnte
die Kraft zwischen der Sondenspitze und der Oberfläche der Probe
beispielsweise aus einer Mehrzahl von Wechselwirkungen resultieren,
so dass der zentrale Kontrastmechanismus, auf dem die hohe Auflösung des Atomkraftmikroskops
basiert, oft verzerrt werden wird.
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Der
eben erklärte
Ansatz aus dem Stand der Technik zum Steuern/Regeln des Abstands
einer Messsonde wird komplett versagen, wenn das Erfassungssignal,
das für
die Lokalsonde empfangen wurde, gegenüber einem Rauschen zu klein
ist, so dass kein Signal vorhanden ist, auf dem die Rückkopplungsregelung
basiert werden könnte.
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Im
Gegensatz zu diesem Ansatz weist ein Mehrfachlokalsondenmessgerät 10 eine
Mehrzahl von Lokalsonden auf, nämlich
die beiden Lokalsonden 12 und 14, wobei die Erfassungsergebnisse,
die für
eine der Lokalsonden erhalten wurden, zur Rückkopplungsregelung der Abstände der
beiden Lokalsonden im Bezug auf die Probe verwendet werden, und
die gewünschten
Messinformationen mittels der anderen Lokalsonde erhalten werden.
Die gewünschten
Messinformationen könnten
beispielsweise Informationen in Bezug auf die Sondenwechselwirkung
verglichen mit einem Abstand zwischen der jeweiligen Sonde und der Probenoberfläche umfassen.
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In
dem Diagramm der 1 wird die Sonde 12 für die Rückkopplungsregelung
der Abstände
der beiden Proben 12 und 14 in Bezug auf die Probenoberfläche verwendet
und die Erfassungsergebnisse von Sonde 14 werden ausgewertet,
um die gewünschten
Messinformationen zu erhalten. Wie es in 1 gezeigt
ist, könnten
die Sonden 12 und 14 unterschiedliche Abstände in Bezug
auf die Probe aufweisen. In der in 1 gezeigten
Situation weist die Sonde 14 einen größeren Abstand in Bezug auf
die Probe als Sonde 12 auf. Entsprechend erzeugt jede Wechselwirkung
zwischen den Sonden und der Probe, die mit den Abständen abnimmt,
ein stärkeres
Erfassungssignal für
Sonde 12 als für
Sonde 14. Beispielsweise wird eine Wechselwirkung zwischen
Probe 22 und Sonde 14 oder eine andere Einwirkung
auf Sonde 14, die ein Erfassungssignal erzeugt, das nicht
stark genug für
eine Rückkopplungsregelung des
Abstands ist, ein viel höheres
Erfassungssignal für
die andere Sonde (Sonde 12) erzeugen und könnte entsprechend
eine Rückkopplungsregelung
der Abstände
ermöglichen.
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Unter
der Annahme, dass die Lokalsonden 12 und 14 Auslegersonden
sind, die zur Atomkraftmikroskopie geeignet sind, zeigt 1 eine
Situation, in der Sonde 12 die Probenoberfläche mit
relativ hoher Reaktionskraft (beispielsweise 100 pN) kontaktiert, was
zu einer entsprechenden Auslenkung der Auslegersonden und einem
Erfassungssignal führt,
das genügend
stark ist, um Rückkopplungsregelung
zu ermöglichen,
wobei sich die andere Lokalsonde gut über der Probenoberfläche befindet
und mit der Probe nur schwach wechselwirkt, so dass nur eine schwache
Auslenkung oder schwache Auslenkungen des Auslegers der Sonde 14,
die mit Wechselwirkungskräften
von einigen wenigen pN korrespondieren, stattfinden, was nur zu
schwachen Erfassungssignalen führt,
die möglicherweise
nicht genügend stark
zum Ermöglichen
einer Rückkopplungsregelung
des Abstands sind. Die Wechselwirkungskräfte könnten im Bereich der thermisch
induzierten Fluktuationskräfte
auf dem Ausleger sein.
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Entsprechend
werden Messungen von solchen schwachen Wechselwirkungen an einer
Lokalsonde unter stabilisierten Messbedingungen sogar für eine lange
Zeit ermöglicht,
da die Rückkopplungsregelung
auf den Erfassungssignalen basiert ist, die für die andere Lokalsonde erhalten
werden, die mit der Probe stark wechselwirkt. Jede Piezo-Drift oder mechanische
oder thermische Instabilität
der mechanischen Verbindungsschleife zwischen den Sonden 12 und 14 einerseits
und der Probe 22 andererseits könnte durch die Rückkopplungsregelungsstabilisierung
von beiden Lokalsonden in Bezug auf die Probe, die auf Basis der
Erfassungssignale, die von einer Lokalsonde erhalten wurden, kompensiert
werden. Entsprechend weist die andere Lokalsonde (Sonde 14)
stabilisierte Messbedingungen auf (d. h. ein stabilisierender Abstand
in Bezug auf die Probe), um Langzeitmessungen bei hoher Stabilität zu ermöglichen.
Entsprechend könnten
sogar thermische Fluktuationen der Position (möglicherweise Auslenkung) der
Lokalsonde 14 analysiert werden.
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Wieder
unter Bezugnahme auf den Verbindungsteil 16, der mit den
beiden Lokalsonden 12 und 14 fest verbunden ist,
sollte das Folgende erwähnt werden.
Für hohe
Anforderungen in Bezug auf die Stabilisierung sollte der Verbindungsteil
durch einen Kopplungspfad zwischen den beiden Lokalsonden charakterisiert
werden, der eine Pfadlänge
der Größenordnung
der Ausdehnung der Lokalsonden selbst aufweist. Weiter sollte die
Steifigkeit der mechanischen Kopplung, die durch den Verbindungsteil
bewirkt wird, derart sein, dass sie eine zugeordnete Resonanzfrequenz
gut über
einer Grenzfrequenz aufweist, die den Detektoren 40 und 42 zugeordnet
ist, so dass jegliche Vibrationen der beiden Lokalsonden in Bezug
aufeinander, die durch Vibrationen des Verbindungsteils induziert
werden, nicht erfasst werden. Weiter, wenn eine Resonanzfrequenz
mit den Lokalsonden selbst zugeordnet werden kann, wird es vorgezogen,
dass die Resonanzfrequenz, die dem Verbindungsteil zugeordnet ist,
gut über
den Resonanzfrequenzen der Lokalsonden liegt.
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Offensichtlich
könnten
immer noch verschiedene Wechselwirkungen zwischen den Lokalsonden auftreten,
die zur Abstandsstabilisierung (Sonde 12 in 1)
und Probe 22 auftreten. Oft liegt jedoch eine Wechselwirkungsregime
vor, bei dem eine dieser Wechselwirkungen die anderen Wechselwirkungen
dominiert, so dass in der Praxis keine signifikanten Verformung
des Kontrastmechanismus auftritt, die für die Auflösung der Lokalsondenmikroskopie
relevant ist. In jedem Fall könnte
man die Probe derart in Bezug auf die Lokalsonden anordnen, dass nur
die Lokalsonde, die zum Erhalten der Messinformationen verwendet
wird, mit der Probe wechselwirkt, und die andere Lokalsonde, die
für die
Rückkopplungsregelung
der Abstände
verwendet wird, mit einer Referenzoberfläche wechselwirkt. In diesem
Fall liegt eine wohl definierte Wechselwirkung zwischen der Lokalsonde,
die für
die Rückkopplungsregelung
verwendet wird (im Folgenden auch als „Abstandssensor" referenziert) und
der Referenzoberfläche
vor. Entsprechend könnten
die Messbedingungen für
die andere Lokalsonde (im Folgenden auch als „Wechselwirkungssensor" referenziert) mit
Bezug auf die Erfassungsergebnisse definiert sein, die für den Abstandssensor
erhalten wurden, was stabilisierte Messungen bei wohl definierten
Abständen
von der Probe erlaubt, beispielsweise um Kraft-Abstand-Profile ohne jede
Verformung der „Abstandsachse", wegen mehrfacher
Wechselwirkungen zwischen dem Abstandssensor und der Probe zu erhalten.
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Der
Abstand zwischen den beiden Lokalsonden 12 und 14 in
einer Höhenrichtung,
die der Probe zugeordnet ist (in 1 die z-Richtung)
könnte
einstellbar sein. Im Falle von Auslegersonden, die bei der Atomkraftmikroskopie
verwendet werden, könnte ein
Abstand (Höhe)
von ungefähr
10 bis 20 μm
angemessen sein. Jedoch könnten
auch andere Höhendifferenzen
(beispielsweise ungefähr
1 bis 100 μm) angemessen
sein, und zwar abhängig
von der Probe und der Messsituation. Die Höhendifferenz könnte beispielsweise
durch Kippen einer kurzen Stirnfläche eines mit den Auslegersonden
integralen Substrats gegenüber
der Probenoberfläche
einstellbar sein.
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Wieder
unter Bezugnahme auf 1 umfasst das Lokalsondenmessgerät 10 eine
Steuerung/Regelung 48, die zum Steuern/Regeln des Piezo-Wandlers
mittels des Rückkopplungsumformers 46 geeignet
ist. Beispielsweise stellt die Steuerung/Regelung 48 einen
Soll-Wert (einen gewünschten
Wert) ein, der einen Soll-Wert-Abstand der Lokalsonde 12 in
Bezug auf die Probe darstellt. Die Rückkopplungsregelungsschleife
reguliert die Z-Position des Probentisches mittels des Piezo-Wandlers 28,
so dass eine Abweichung zwischen einem aktuellen Wert und dem Soll-Wert
sich Null annähert.
Die Regelcharakteristiken der Rückkopplungsregelungsschleife
könnten
wie gewünscht
ausgewählt
werden und könnten
wenigstens eine Integral- und/oder Differenzial- und/oder Proportional-Regelungscharakteristik
umfassen.
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Der
Rückkopplungsumwandler 46 könnte, wenigstens
teilweise, durch die Steuerung/Regelung 48 selbst realisiert
sein. Dies gilt speziell, wenn die Steuerung/Regelung auf Basis
eines digitalen Prozessors implementiert ist. Jedoch könnten der
Rückkopplungsumformer 46 und
die Rückkopplungsregelungsschleife 44 genauso
auf Basis von analogen elektronischen Bauteilen implementiert sein.
In Bezug auf das Einstellen des Soll-Werts könnte die Steuerung/Regelung
sogar mittels eines einfachen Potenziometers oder dergleichen implementiert
sein. Natürlich
wird eine digitale Implementierung der Steuerung/Regelung und der
Rückkopplungsregelungsschleife
entsprechend dem Stand der Technik bevorzugt.
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Das
bis jetzt beschriebene Steuerungs-/Regelungsschema könnte mit
einer zweiten Rückkopplungsregelungsschleife
auf Basis von Messdaten erweitert werden, die sich auf lokale Messungen
beziehen, die durch die Lokalsonde bewirkt werden, die als „Wechselwirkungssensor" dient, d. h. die „andere
Lokalsonde". Diese
zweite Rückkopplungsregelungsschleife
sollte durch eine Zeitkonstante charakterisiert sein, die kürzer ist
als eine Zeitkonstante, die die erste Regelungsschleife auf Basis
von Messdaten charakterisiert, die sich auf lokale Messungen beziehen,
die durch die Lokalsonde bewirkt werden, die als „Abstandssensor" dient. Man könnte die
beiden Rückkopplungsregelungsschleifen
als Rückkopplungsregelungsunterschleifen
einer übergreifenden Rückkopplungsregelungsschleife
auffassen. Entsprechend dieser Erweiterung des Steuerungs-/Regelungsschemas
könnte
die Rückkopplungsregelung auf
Basis der Messdaten, die sich auf den „Abstandssensor" beziehen, eine Kompensation
der thermischen Drift oder anderer Drifts vorsehen, die durch eine
relativ lange Zeitkonstante charakterisiert sind, wobei die zusätzliche
Rückkopplungsregelungsschleife
auf Basis von Messdaten, die sich auf den „Wechselwirkungssensor" beziehen, eine Erfassung der
Feinstrukturen der Probe, d. h. togologische Details der Probenoberfläche, ermöglichen
könnte.
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Die
Steuerung/Regelung 48 empfängt Messdaten, die sich auf
lokale Messungen von den Detektoren 40 und 42 beziehen,
die durch die zwei Lokalsonden 12 und 14 bewirkt
werden. Die empfangenen Messdaten können in Bezug auf die Steuerung/Regelung
des Piezo-Wandlers ausgewertet werden, beispielsweise um den geeigneten
Soll-Wert zu bestimmen. Weiter können
die empfangenen Messdaten durch die Steuerung/Regelung verarbeitet
werden, um die gewünschte
Messinformation zu erhalten. Diese Informationen sind, wie erklärt, primär in den
Messdaten enthalten, die sich auf die Lokalsonde 14 beziehen,
die als ein Wechselwirkungssensor dient. Jedoch könnten auch
die Messdaten, die sich auf die Lokalsonde 12 beziehen,
die als ein Abstandssensor dient, ausgewertet werden, um die gewünschten
Messinformationen zu erhalten. Diese Messinformationen oder/und
die Rohdaten, die von den Detektoren 40 und 42 erhalten
werden, könnten in
jedem Speichergerät
gespeichert werden und könnten
auf einem Monitor angezeigt werden oder mittels eines graphischen
Druckers oder dergleichen ausgedruckt werden.
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Bis
jetzt wurde nur eine Steuerung/Regelung des Abstandes der Lokalsonden 12 und 14 in
Bezug auf die Probe 22 in Betracht gezogen. Mit dieser Steuerung/Regelung
kann eine Relativbewegung der Lokalsonden 12 und 14 in
Bezug auf die Probe 22 in der Z-Richtung bewirkt werden,
beispielsweise um Kraft-Abstand-Profile zu erhalten. Weiter ist
die Steuerung/Regelung 48 geeignet, um den Piezo-Wandler 28 zu
steuern/regeln, um eine laterale Abtastung oder ein laterales Aufnehmen
der Probe 22 in den X- und Y-Richtungen zu bewirken. Mit
diesem lateralen Abtasten könnte
eine topographische Bildgebung der Probe durch die Sonden 12 und 14 bewirkt
werden. Falls die Probe eine ebene Oberfläche aufweist oder alle Änderungen
der Probenhöhe über laterale
Abstände
größer als
der laterale Abstand zwischen den zwei Lokalsonden 12 und 14 auftreten,
erlaubt die Bereitstellung eines zusätzlichen Abstandssensors ein
leichtes Aufnehmen der Probe durch den Wechselwirkungssensor in
einem „Abstandsmodus" oder „Hebemodus", bei dem der jeweilige
Abstand zwischen dem Wechselwirkungssensor und der Probenoberfläche mit
hoher Stabilität
aufrecht erhalten werden kann. Dieser „Abstandsmodus" könnte sogar im
Falle einer Probe verwendet werden, die Höhenschwankungen mit lateralen
Ausdehnungen in der Größenordnung
des lateralen Abstands zwischen den zwei Sonden aufweist. In solch
einem Fall kann man in einem ersten Schritt die Topographie der
Probe mittels des Abstandssensors messen. Nach diesem ersten Durchgang über die
Probenoberfläche kann
der Abstand des Wechselwirkungssensors 14 mit hoher Stabilität auf Basis
der Messdaten gesteuert/geregelt werden, die während des ersten Durchgangs
erhalten wurden, so dass in einem zweiten Durchgang über die
Probenoberfläche
die Wechselwirkung zwischen der Probenoberfläche und dem Wechselwirkungssensor
für einen
definierten Abstand zwischen dem Wechselwirkungssensor und der Probenoberfläche gemessen
werden kann. Allgemein kann die Stabilisation der Abstandsbeziehungen
oder allgemein von Messbedingungen auf Basis von Messdaten, die
für eine
zusätzliche
Lokalsonde erhalten wurden, vorteilhaft für jedes Messschema der jeweiligen
Lokalsondenmikroskopietechnik verwendet werden.
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Eine
zentrale Anforderung an das obenstehend beschriebene Messschema
ist eine unabhängige
Erfassung von Messdaten für
den Abstandssensor und den Wechselwirkungssensor. Wenn eine Mehrzahl
von Abstandssensoren vorliegt, beispielsweise drei oder mehr Sensoren,
die um einen Wechselwirkungssensor angeordnet sind, ist eine unabhängige Erfassung
für alle
Sensoren gewünscht.
Jedoch können
Fälle vorliegen,
wo eine unabhängige Erfassung
für die
Abstandssensoren oder eine Mehrzahl von Abstandssensoren einerseits
und den Wechselwirkungssensor oder eine Mehrzahl von Wechselwirkungssensoren
andererseits für
bestimmte Messsituationen genügt.
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Eine
unabhängige
Erfassung von Messdaten für
eine Mehrzahl von Lokalsonden kann für alle Erfassungsprinzipien
erhalten werden, die im Kontext der Lokalsondenmikroskopie verwendet
werden. Im Falle von beispielsweise Auslenkungsauslegersonden könnte man
Piezo-elektrische Ausleger verwenden, von denen jeder sein eigenes
elektrisches Auslenkungssignal erzeugt, das für die Rückkopplungsregelung bzw. Messungen
von Wechselwirkungen mit der Probe verwendet wird.
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Weiter
ist eine unabhängige
optische Erfassung von Auslegerablenkungen möglich. 2 zeigt ein
Auslegersubstrat, das eine Mehrzahl von Auslegern aufweist. Es gibt
zwei Laserstrahlen 50 und 52, von denen einer
gegen die Rückseite
des Dreieckauslegers 20 und der andere gegen die Rückseite des
benachbarten Dreieckauslegers 54 gerichtet ist. Beispielsweise
könnte
der Ausleger 20 als ein Abstandssensor und Ausleger 54 als
ein Wechselwirkungssensor dienen.
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Die
Laserstrahlen werden durch die Auslegerrückseiten auf einen jeweiligen
positionsempfindlichen Sensor reflektiert, beispielsweise einer
segmentierten Photodiode, was zu Auslenkungssignalen führt, die
die Auslenkung des jeweiligen Auslegers repräsentieren. Da beiden Ausleger
ihr eigener Laserstrahl und ihr eigener positionsempfindlicher Detektor
zugeordnet ist, könnten
die Auslenkungen von beiden Auslegern unabhängig voneinander erfasst werden.
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Neben
den bis jetzt erwähnten
möglichen Konfigurationen
sind viele andere Konfigurationen möglich. Beispielsweise ist es
nicht notwendig, dass der Abstandssensor und der Wechselwirkungssensor
vom selben Lokalsondenmikroskopie-Typ sind. Für viele Messsituationen wird
es angemessen sein, Lokalsondenmikroskopiesonden desselben Sondentyps
für den
Abstandssensor und den Wechselwirkungssensor zu verwenden, beispielsweise
zwei Atomkraftmikroskopiesonden oder zwei Rastertunnelmikroskopiesonden
und dergleichen. In anderen Situationen könnte es angemessen sein, unterschiedliche
Lokalsondenmikroskopiesonden für
den Abstandssensor und den Wechselwirkungssensor zu verwenden, beispielsweise
eine Lokalsonde vom Rastertunnelmikroskopie-Typ für den Abstandssensor
und eine Lokalsonde vom Atomkraftmikroskopie-Typ oder Rasterkraftmikroskopie-Typ
für den Wechselwirkungssensor.
Entsprechendes gilt für
die Fälle,
wo eine Mehrzahl von Wechselwirkungssensoren oder/und eine Mehrzahl
von Abstandssensoren verwendet wird.
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Weiter
könnte
das Erfassungsprinzip, entsprechend den Daten, die die lokale Messung
repräsentieren,
die durch die jeweilige Lokalsonde erfasst werden, unterschiedlich
oder gleich sein. Im Allgemeinen kann jedes Erfassungsprinzip, das
in Bezug auf den Typ der jeweiligen Lokalsonde geeignet erscheint,
ausgewählt
werden, um Messdaten zu erhalten, die die lokalen Messungen repräsentieren,
die durch die jeweilige Lokalsonde bewirkt werden. Im Falle der Auslegersonden,
die in 2 gezeigt sind, werden zwei Ausleger gleichzeitig
durch Laserstrahlen sondiert, um die Auslenkung des jeweiligen Auslegers
zu messen. Andere Erfassungsprinzipien, um Auslegerauslenkungen
zu messen, sind bekannt und müssen
hier nicht aufgezählt
werden. Im Falle von Lokalsonden vom Rastertunnelmikroskopie-Typ
würde man
einen Tunnelstrom messen, der aus einer quantenmechanischen Wechselwirkung
zwischen einer Sondenspitze und der Probe resultiert.
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Im
Falle von Lokalsonden vom Typ der optischen Rasternahfeldmikroskopie
muss ein optisches Fernfeld, das aus einer Nahfeldbeleuchtung einer Probe
durch eine unter der Wellenlänge
bemessene Öffnung
resultiert, erfasst werden, um eine Auflösung zu erhalten, die unterhalb
der Abbé-Brechungsgrenze
liegt. Eine derartige Messsituation ist in 3 dargestellt.
Ein Ausleger 100, der als eine Lokalsonde dient, weist
eine Öffnung 102 auf,
die mittels einer optischen Faser 104 durch optische Strahlung
beleuchtet wird, die eine Wellenlänge aufweist, die länger als
die Größe der Öffnung ist.
Ein optisches Nahfeld auf der anderen Seite des Endabschnitts des Auslegers
wechselwirkt mit der Probe 106 und führt zu einem Fernfeld, das
durch einen Detektor 108 erfasst werden kann. Die Höhe des Öffnungsendabschnitts
des Auslegers 100 über
der Probe 106 kann entsprechend den obenstehend erklärten Prinzipien
auf Basis von Wechselwirkungen einer anderen Lokalsonde gesteuert/geregelt
werden, und zwar vorzugsweise eine andere Auslegersonde, die als
ein Abstandssensor dient. Der Ausleger 100 oder sogar nur
die Öffnung 102 könnten als
ein Wechselwirkungssensor im Sinne der oberstehenden Prinzipien angesehen
werden, unabhängig
von der Tatsache, dass im Falle einer Messsituation, wie sie in 3 gezeigt
ist, keine Erfassung von Daten stattfindet, die sich auf den Wechselwirkungssensor
per se beziehen, aber eine Erfassung von Daten stattfindet, die sich
auf eine Wechselwirkung zwischen dem Wechselwirkungssensor (der Öffnung 102),
einem optischen Feld (im Allgemeinen ein Wechselwirkungsfeld) und
einer Probe beziehen, und zwar mit keiner direkten Wechselwirkung
zwischen dem Detektor und dem Wechselwirkungssensor.
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Andere
Wechselwirkungsfelder, die eine Wechselwirkung zwischen einer Lokalsonde
und einer Probe beeinflussen oder hervorbringen, umfassen elektrostatische
Felder, magnetische Felder und elektromagnetische Felder. Weiter
könnte
eine Wechselwirkung zwischen einer Lokalsonde und einer Probe durch
Wechselwirkungsmedien (beispielsweise Fluide, Gase, Gasgemische
oder Flüssigkeiten)
beeinflusst oder sogar hervorgebracht werden, die mit der Probe
oder/und mit den jeweiligen Lokalsonden Wechselwirken. Um ein derartiges
Wechselwirkungsmedium zu halten, weist das Gerät, das in 1 gezeigt
wird, einen Mediumbehälter
auf, der durch eine unterbrochene Linie 110 symbolisiert
wird. Abhängig
von der Probe könnte
das Wechselwirkungsmedium einfach Wasser oder Luft sein.
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Der
Bereich von möglichen
Messungen, die durch Verwenden eines Lokalsondenmessgeräts bewirkt
werden können,
das eine Mehrzahl von Lokalsonden aufweist, kann signifikant erweitert
werden, wenn Sonden verwendet werden, die in Bezug auf die Probe
funktionalisiert sind. Beispielsweise ist es möglich, Sensormoleküle an eine
AFM-Spitze oder an kolloidale Felder zu binden, die an einem AFM-Ausleger
angebracht sind. Die an den AFM-Sensor gebundenen Moleküle können dann
als chemische Sensoren verwendet werden, um Kräfte zwischen Molekülen an der
Spitze und Zielmolekülen an
einer Oberfläche
zu erfassen. Dies erlaubt ein extrem hochempfindliches chemisches
Abtasten. Wie mit chemisch modifizierten Sonden, könnte man AFM-Proben
maßschneidern,
um spezifische biologische Reaktionen abzutasten. Man könnte beispielsweise
die Bindungskräfte
von individuellen Ligand-Rezeptor-Paaren abtasten. Dazu könnte eine AFM-Sondenspitze
mit Rezeptormolekülen
beschichtet werden. Ein anderes Beispiel ist die Messung von Wechselwirkungskräften zwischen
komplementären
DNA-Strängen.
Dazu könnte
man DNA einerseits an eine Probenoberfläche binden und an eine sphärische Sonde
andererseits, die an einem AFM-Ausleger angebracht ist. Es gibt
viele andere Beispiele von möglichen
Anwendungen. Es wird Bezug genommen auf die zahlreiche Literatur über Rastersondenmikroskopie
und die verschiedenen Sondentechnologien, die bis jetzt entwickelt
wurden. Für alle
Messsituationen, bei denen die Ergebnisse von dem Abstand der jeweiligen
Lokalsonden zu einer Probe abhängen,
können
die Prinzipien, die unabhängige
Messung des Abstands erlauben, vorteilhaft verwendet werden. Allgemeiner:
Bei jeder Lokalsondentechnik, bei der wohl definierte lokale Messbedingungen wünschenswert
sind, können
die Prinzipien, die Stabilisierung dieser lokalen Messbedingungen auf
Basis von Messdaten ermöglichen,
die sich auf lokale Messungen beziehen, die durch wenigstens eine
andere Lokalsonde bewirkt werden, vorteilhaft verwendet werden.
Wenn sich diese lokalen Messbedingungen nicht nur auf den Abstand
oder andere Parameter beziehen, kann die zusätzliche Lokalsonde als Messbedingungssensor
anstatt als Abstandssensor bezeichnet werden.
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Im
Folgenden werden einige spezifische Beispiele von bevorzugten Anwendungen
eines Lokalsondenmessgeräts
vom Atomkraftmikroskopie-Typ entsprechend diesen Prinzipien unter
Bezugnahme auf die 4–6 gegeben.
Es wird angenommen, dass Auslegersonden als Lokalsonden verwendet
werden.
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4a) und b) zeigen schematisch Beispiele
von Kraftspektroskopiemessungen. Im oberen Teil des Diagramms zeigt 4a) ein Kraft-Abstand-Profil, das erhalten
werden kann, wenn ein Auslegersubstrat 200 in Richtung
einer Probenoberfläche 202 bei einer
definierten Geschwindigkeit bewegt wird, bis die Sondenspitze 204 die
Oberfläche 202 kontaktiert und
danach zurückgezogen
wird. Während
dieses Positionierungszyklus wird die Kraft, die durch den Ausleger
erfasst wird, als eine Funktion des Abstands zwischen dem Substrat 202 und
der Oberfläche
aufgezeichnet. Der Abstand kann mittels eines zusätzlichen
Auslegers, der als Abstandssensor dient, kalibriert oder gemessen
werden, da der Höhenabstand
zwischen den Sensoren mit hoher Genauigkeit beispielsweise vor den
spektroskopischen Messungen gemessen werden kann. Entsprechend kann
der Ausleger 206, der die Spitze 204 aufweist, die
in 4 gezeigt ist, als ein Wechselwirkungsausleger
bezeichnet werden.
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Die
Form des im Diagramm gezeigten Kraft-Abstand-Profils kann wie folgt
erklärt
werden. Nahe der Probenoberfläche
gibt es ein Potenzial, das aus der Wechselwirkung zwischen der Probe
und der Auslegerspitze resultiert. Die durch den Ausleger abgetastete
Kraft ist durch den Gradienten dieses Potenzials als eine Funktion
des Abstands zwischen der Probenoberfläche und der Spitze gegeben.
Nahe der Probe springt die Spitze mit der Probe in Kontakt, wenn
das Potenzial einen Gradienten größer als die elastische Kraftkonstante
des Auslegers aufweist. Sobald ein harter Kontakt zwischen der Spitze
und der Probenoberfläche
vorliegt, wird die Kraft auf den Ausleger primär durch die Federkonstante
des Auslegers beherrscht.
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Während des
Rückziehens
des Substrats mit dem Ausleger wirken im Allgemeinen größere Kräfte auf
die Spitze, die zu der im Kraft-Abstand-Profil gezeigten Hysterese
führen.
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Im
unteren Teil der 4a) wird die Lücke zwischen
der Spitze und der Oberfläche
als eine Funktion des Abstands zwischen dem Substrat und der Oberfläche gezeigt.
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4b) zeigt ein schematisches Beispiel eines
Intramolekularkraftspektroskopie-Messergebnisses.
Während
der Intramolekularkraftspektroskopie-Messungen werden Moleküle, wie
etwa DNA-Stränge,
Proteine usw., zwischen einer Oberfläche und einer Atomkraftspitze
gedehnt. Die Spannungskräfte,
die auf den Ausleger wirken, werden als eine Funktion des Abstands
aufgezeichnet. Der Abstand kann mit hoher Präzision auf Basis von Auslenkungsmessungen
gemessen oder kalibriert werden, die sich auf einen zusätzlichen
Ausleger, den Abstandsausleger, beziehen. Ein anderes Beispiel sind Intermolekularkraftspektroskopie-Messungen,
die beispielsweise für
die Messung von Adhäsionskräften zwischen
Zellen, Bindungskräften
zwischen spezifischen Molekülen,
beispielsweise Ligand-Rezeptor-Kombinationen, verwendet werden können.
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4c) zeigt schematisch das Verhalten eines
oszillierenden Auslegers als eine Funktion des Hebelabstands in
Bezug auf eine Oberfläche.
Der Ausleger wird zum Oszillieren bei einer bestimmten Frequenz
extern angetrieben. Die Wechselwirkungen zwischen dem oszillierenden
Ausleger und der Probe, im Speziellen der Probenoberfläche, führen zu
einer Abhängigkeit
der Oszillationsamplitude mit dem Abstand. Diese Abhängigkeit
kann ausgewertet werden, um Informationen über die Wechselwirkungen zu
erhalten. Der Abstand kann auf Basis eines zusätzlichen Auslegers, des Abstandssensors,
gemessen oder kalibriert werden.
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Anstatt
einer Oszillation des Auslegers durch externen Antrieb kann man
auch thermisches Rauschen, d. h. thermische Positionsfluktuationen
des Auslegers, verwenden, um Informationen über die Wechselwirkung zwischen
dem Ausleger und der Probenoberfläche zu erhalten.
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5 zeigt
in Diagramm a) ein Frequenzspektrum, das thermisch induzierte Vibrationen
eines Auslegers bei einem Abstand von 1000 nm von einer Oberfläche repräsentiert.
Diagramm b) zeigt eine entsprechende die Position betreffende Autokorrelationsfunktion.
Diagramm c) zeigt eine korrespondierende die Position betreffende
Autokorrelationsfunktion für
einen Abstand von nur 100 nm. Aus den Messdaten könnten eine
Anzahl von Parameter berechnet werden, die die thermisch induzierten
Vibrationen des Auslegers charakterisieren, beispielsweise eine
Resonanzfrequenz und ein Dämpfungskoeffizient.
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Da
Messungen von thermischem Rauschen relativ lange Messperioden benötigen, ist
es sehr wichtig, jede thermische Drift zu kompensieren, um stabile
Messbedingungen, im Speziellen in Bezug auf den Abstand, aufrecht
zu erhalten. Dies kann mittels eines zweiten Auslegers, dem Abstandssensor, bewirkt
werden. Weiter, da Änderung
der thermisch induzierten Auslegeroszillationen auf einer winzigen Abstandsskala
vorliegen, ist es sehr wichtig, bei wohl definierten Abständen zu
messen. Dies kann mittels des zusätzlichen Auslegers, dem Abstandssensor, bewirkt
werden.
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Die
hohe Empfindlichkeit von Rauschmessungen für Wechselwirkungen zwischen
dem Ausleger und der Oberfläche,
und, möglicherweise,
einem umgebenden Medium, kann im Speziellen in der 6 gesehen
werden. Diagramme a) und b) zeigen ein Rauschspektrum und eine entsprechende
die Position betreffende Autokorrelationsfunktion für einen sogenannten „sanften
Kontakt" der Auslegerspitze auf
der Oberfläche,
d. h. in diesem Fall Kräfte
zwischen der Oberfläche
und dem Ausleger, die kleiner als 20 pN sind, wobei Diagramme c)
und d) das Spektrum und die entsprechende die Position betreffende
Autokorrelationsfunktion für
einen sogenannten „harten
Kontakt" zwischen
der Auslegerspitze und der Oberfläche zeigen, d. h. Kräfte über 500
pN zwischen dem Ausleger und der Oberfläche. Wenn ein Auslegersondenmessgerät entsprechend
den obenstehend erklärten
Prinzipien verwendet wird, können
stabile Messbedingungen (beispielsweise definierte Bedingungen mit „sanftem
Kontakt") sogar über eine
lange Messperiode aufrecht erhalten werden, da wenigstens ein zusätzlicher
Ausleger, der Abstandssensor, ein definiertes Einstellen des Abstands
mittels Rückkopplungsregelung
ermöglicht.
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Eine
andere Ausführungsform
eines Mehrfachlokalsondenmessgeräts
ist in 7 gezeigt.
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Entsprechend
den obenstehend erklärten Prinzipien
ist es möglich,
Drift aus der Ebene, d. h. Drift und Rauschen in der vertikalen
Richtung in Bezug auf die Probe, zu eliminieren.
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Dazu
wird ein Lokalsondengerät
verwendet, das eine Mehrzahl von Sensoren aufweist. Zum Bewirken
von Messungen und dergleichen werden die verschiedenen Sensoren
gleichzeitig verwendet.
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Beispielsweise
nachdem der Abstandssensor 12 in 7 (im Folgenden
und in 7 auch als D-Sensor bezeichnet) in Kontakt mit
der Oberfläche S
(die Oberfläche
der Probe oder eine Referenzoberfläche) getreten ist, ist es möglich, den
Abstand d zwischen diesem und allen anderen Sensoren des gleichen
Substratträgers
und der Oberfläche
S mit einem typischen Atomkraftmikroskopie(AFM)-Erfassungsaufbau
zu steuern/regeln.
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Die
Vergrößerung (7a) zeigt die Details der Lokalsondenanordnung,
wie sie obenstehend beschrieben wurde. Der Abstand zwischen dem
Mess- oder Wechselwirkungssensor 14 (im Folgenden und in 7 auch
als M-Sensor bezeichnet) und der Probenoberfläche kann mit Lokalsondenauflösung aktiv gesteuert/geregelt
werden, sobald der D-Sensor mit der Oberfläche in Kontakt getreten ist.
An diesem Punkt kann der M-Sensor (muss aber nicht) sich einige
Mikrometer über
der Probenoberfläche
befinden, wenn die Geometrie geeignet gewählt wurde. Die zwei Aufgaben
der Messung und Abstandssteuerung/regelung sind zwischen den beiden
Sensoren aufgeteilt. Hier wird angenommen, dass die Sensoren in
der Form von Hebeln oder Auslegern bereitgestellt sind.
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Die
hohe Stabilität,
die für
Kontaktmodus-AFM typisch ist, wird nicht nur beibehalten, sondern
auf alle anderen nicht-kontaktierenden Sensoren in der Anordnung übertragen.
Der Abstandshebel (D-Hebel) wird das gesamte Rauschen erfassen,
das den Abstand zwischen der Sensoranordnung und der Probe ändern würde und
wird ihn entsprechend den Spezifikationen der Rückkopplung steuern/regeln und
stabilisieren. Alle Driftkomponenten aus der Probenebene heraus
können
deswegen komplett kompensiert werden.
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Das
M-Hebelsignal könnte
zum Durchführen von
Messungen bei jedem Abstand von der Oberfläche für beliebige Zeiträume als
auch in Kontakt mit der Oberfläche
verwendet werden, und zwar bei Normalkräften, die nur durch die Empfindlichkeit
des Erfassungssystems und der Amplitude des thermischen Rauschens
des verwendeten Auslegers bestimmt werden. Es ist nicht abhängig von
den Wechselwirkungscharakteristiken des M-Hebels mit der Probe und
genausowenig wird es dadurch abgeändert, durch die Art wie eine
Rückkopplung
auf die M-Hebelsignale
reagieren würde.
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Entsprechend
der Erfindung, zusätzlich
zu der Steuerung/Regelung oder Stabilisierung des Abstands d, wird
es für
eine Steuerung/Regelung oder Stabilisierung der lateralen Position
des M-Sensors, möglicherweise
des M-Hebels, vorgesehen.
Entsprechend eines speziellen Aspekts der Erfindung wird die Steuerung/Regelung
oder Stabilisierung der lateralen Position von wenigstens einem
M-Sensor auf Basis der Erfassungsergebnisse bewirkt, die für mindestens
einen zusätzlichen
Sensor erhalten wurden, der gegenüber relativen lateralen Bewegungen
zwischen dem zusätzlichen
Sensor und der Probe oder der Referenzoberfläche empfindlich ist. Dieser
zusätzliche
Sensor könnte
als Lateraldriftsensor oder Lateralpositionssensor oder als 1-Sensor
bezeichnet werden. Möglicherweise
ist der 1-Sensor gleichzeitig auch gegenüber dem Abstand d empfindlich
und durch Verwendung einer geeigneten Erfassungsanordnung kann die
Information, die für
die Abstandssteuerung/regelung oder -stabilisierung benötigt wird,
und die Information, die für
die Lateralpositionssteuerung/-regelung oder -stabilisierung benötigt wird,
unabhängig voneinander
erhalten werden. In diesem Fall wird der jeweilige Sensor in geeigneter Weise
als D/L-Sensor bezeichnet und ein zusätzlicher D-Sensor für die Steuerung/Regelung
und Stabilisierung des Abstandes ist nicht notwendig.
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Eine
derartige Situation ist beispielhaft in 8 dargestellt,
die auf 1 basiert ist. Die Sonde 12,
d. h. der D/L-Sensor, wird für
die Rückkopplungsregelung
oder Stabilisierung der Abstände
beider Sonden 12 und 14 in Bezug auf die Probenoberfläche und
für die
Rückkopplungsregelung
oder Stabilisierung der lateralen Position beider Sonden 12 und 14 in
Bezug auf die Probenoberfläche
verwendet. Genauso wie in 1 werden
Erfassungsergebnisse, die sich auf Sonde 14 (den M-Sensor)
beziehen, ausgewertet, um die gewünschten Messinformationen zu
erhalten. Die Rückkopplungsregelung
oder Stabilisierung der lateralen Positionen umfasst eine Rückkopplungsregelung
oder Stabilisierung der jeweiligen lateralen Position von beiden
Lokalsonden in Bezug auf eine laterale Koordinate (möglicherweise
die x- oder die
y-Koordinate in 7) oder eine Rückkopplungsregelung
oder Stabilisierung der jeweiligen lateralen Position in Bezug auf
beide lateralen Koordinaten (möglicherweise
die x- und die y-Koordinate in 7), die
die laterale Position der jeweiligen Lokalsonde in Bezug auf die
Probe (oder eine Referenzoberfläche)
komplett definieren.
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Möglicherweise
sind zwei Sensoren vorgesehen, die empfindlich gegenüber der
laterale Position sind, und zwar einer zum Erhalten der Informationen,
die für
die laterale die Position betreffende Regelung oder Stabilisierung
in Bezug auf eine laterale Koordinate (möglicherweise die x-Koordinate)
benötigt
werden, und einer zum Erhalten der Informationen, die für die laterale
die Position betreffende Regelung oder Stabilisierung in Bezug auf
die andere laterale Koordinate (möglicherweise die x-Koordinate) benötigt werden.
Wenn die Achsen eines Referenzkoordinatensystems geeignet gewählt werden,
könnten
diese Sensoren in geeigneter Weise als X-Sensor und Y-Sensor oder – wenn auch
die Abstandsinformationen erhalten werden können – als D/X-Sensor und D/Y-Sensor bezeichnet
werden.
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Dementsprechend,
zusätzlich
zum Eliminieren der Drift aus der Probenebene und des Rauschens
wie obenstehend beschrieben, macht es die Erfindung weiter möglich, auch
die gesamte Drift in der Ebene zwischen den absoluten Positionen
des M-Sensors und dem Punkt, dem sie entlang der vertikalen Achse
auf der Probenoberfläche
gegenüber steht,
zu eliminieren, und zwar durch Verwenden von einem oder mehreren
zusätzlichen
Sensor(en) (möglicherweise
(einem) AFM-Auslegersensor(en))
als L-Sensoren) oder D/L-Sensor(en).
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Eine
Ausführungsform
eines Mehrfachsensorlateralstabilisierungssystems (MSLSS) in Übereinstimmung
mit der Erfindung wird in 9 gezeigt.
Das System weist einen M-Sensor in der Form eines Dreieckauslegers
(M-Hebels) und einen D-Sensor in der Form eines Dreieckauslegers (D-Hebels)
und einen 1-Sensor
in der Form eines stabförmigen
Auslegers (L-Hebels) auf. Der D-Hebel dient zum Steuern/Regeln der
Höhe oder
des Abstandes und der L-Hebel dient zum Erfassen von lateralen Drifts
entlang der V-Achse und könnte
entsprechend als V-Sensor bezeichnet werden.
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Die
Ausführungsform
der 9 verwendet die hohe Empfindlichkeit eines nichtdreieckigen,
d. h. stabförmigen
AFM-Hebels, bei Torsionskräften.
Diese Torsionskräfte
wirken auf den Hebel, wenn der Hebel die Oberfläche der Probe oder die Referenzoberfläche kontaktiert
und der Hebel und die Oberfläche sich
relativ zueinander bewegen, wobei die Bewegung eine Bewegungskomponente
orthogonal zur longitudinalen Richtung des Hebels aufweist. Damit kann
man die in der Ebene stattfindenden, d. h. die lateralen Drifts,
durch Verwenden einer geeigneten Rückkopplungsregelung erfassen
und damit regeln.
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Der
einzelne 1-Sensor (der stabförmige
Hebel) wird zum Regeln der lateralen Drift der Probe entlang einer
in der Ebene gelegenen Achse (hier die y-Achse) verwendet. Der D-Hebel
regelt die Höhe und
während
dies durchgeführt
wird, kann der L-Hebel, der viel weicher als der D-Hebel in Bezug
auf die Torsionskräfte
ist, jede laterale Drift entlang der Y-Achse erfassen. Ein derartiger
stabförmiger
Ausleger für
die Verwendung als 1-Sensor ist auf kommerziellen Substraten fertiggestellt
erhältlich.
Entsprechend der Geometrie von kommerziellen Substraten kann der
jeweilige Ausleger zum Korrigieren der Driftkomponenten verwendet
werden, die die laterale Position der Probe nur entlang der Basis
der Anordnung ändern.
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Für die Erfassung
der Torsinn des L-Hebels und der Auslenkung des D-Hebels ist eine
jeweilige optische Auslenkungsanordnung vorgesehen, die auf Erfassung
einer Auslenkung eines Laserstrahls basiert ist, der von dem jeweiligen
Hebel reflektiert wird, und zwar wegen eines Biegens oder einer
Torsinn dieses Hebels. Die optische Erfassungsanordnung, die dem
L-Hebel zugeordnet ist, umfasst eine positionsempfindliche Photodiode 200 zum
Erfassen der Auslenkung des Laserstrahls 202. Die optische Erfassungsanordnung,
die dem D-Hebel zugeordnet ist, umfasst eine positionsempfindliche
Photodiode 204 zum Erfassen der Auslenkung des Laserstrahls 206.
Entsprechend der 9 strahlen die Laserstrahlen
entlang der longitudinalen Achse auf die Hebel, bevor die Strahlen
auf die Detektoren 200 und 204 reflektiert werden.
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Eine
andere Ausführungsform
eines Mehrfachsensorlateralstabilisierungssystems (MSLSS) entsprechend
der Erfindung wird in 10 gezeigt. Das System weist
einen M-Sensor in der Form eines Dreieckauslegers (M-Hebel) und
einen D/L-Sensor
in der Form eines stabförmigen
Auslegers (D/L-Hebel) auf. Der D/L-Hebel dient zum Regeln der Höhe oder
des Abstands und zum Erfassen von lateralen Drifts entlang der x-Achse
und könnte auch
entsprechend als D/X-Hebel bezeichnet werden.
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Entsprechend
der 10 wird ein positionsempfindlicher Detektor 210 für den Laserstrahl 212 verwendet,
der von dem D/L-Hebel reflektiert wird, der gleichzeitig das Biegen
(das den Abstand repräsentiert)
und die Torsinn (die die laterale Drift entlang der x-Achse repräsentiert)
des D/L-Hebels erfassen kann. Durch Ersetzen des Höhen- oder
Abstandssignals, das von diesem 1-Hebel kommt, mit dem eines separaten
(hier nicht gezeigten) D-Hebels, hat man die Möglichkeit, eine Achse von lateraler
Drift und die vertikalen Drifts mit nur einem Hebel zu regeln. Entsprechend
wird ein separater D-Hebel nicht benötigt. Als Detektor 200 kann
eine in Quadranten aufgeteilte Photodiode verwendet werden, wie
es in 10 gezeigt ist.
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Diese
Verwendung nur eines D/L-Hebel hat jedoch den Nachteil, dass eine laterale
Drift entlang der langen Hebelachse ein Biegen des Hebels induziert,
die nicht von Höhenänderungen
ohne ein zusätzliches
Signal unterschieden werden kann.
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Um
die Drift in beiden lateralen Richtungen zu erfassen, gibt es beispielsweise
die folgenden Möglichkeiten:
- i) Als 1-Sensor könnte ein L-Hebel verwendet werden,
der viel weicher als der D-Hebel in Bezug auf Torsinn und Biegung
ist (11).
- ii) Zwei geeignet orientierte stabförmige Auslegersensoren werden
verwendet, von denen einer zum Erfassen einer Drift in der ersten
lateralen Richtung dient und der andere zum Erfassen einer lateralen
Drift in der zweiten lateralen Richtung dient (12).
Wenn die lateralen Richtungen den x- und y-Richtungen entsprechen
(wie in 12), werden die zwei Hebel in
angemessener Weise als X-Hebel (oder Lx-Hebel) und Y-Hebel (oder
LY-Hebel) bezeichnet.
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Es
sollte betont werden, dass die Beispiele der 11 und 12 zum
beispielhaften Erläutern der
Prinzipien von lateraler Steuerung/Regelung und Stabilisierung dienen.
Die Konzepte der Erfindung können
mit verschiedenen anderen Geometrien als auch mit anderen Typen
von Lokalsondensensoren realisiert werden.
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Entsprechend
dem Aufbau der 11 werden ein D-Hebel und ein
separater 1-Hebel
verwendet. Der 1-Hebel ist ein nicht-dreieckiger Hebel, der im Speziellen
gegenüber
Torsionskräften
empfindlich ist, d. h. einer Drift in der y-Richtung. Man kann einen vollständigen Satz
von lateralen Driftsignalen, d. h. (x, y), erhalten, da der L-Hebel
nicht nur in Bezug auf Torsinn, sondern auch in Bezug auf Biegen
viel weicher ist als der D-Hebel. In diesem Fall bewirkt eine laterale
Drift entlang x ein Biegen des L-Hebels und kann entsprechend mit
dem L-Hebel erfassbar sein. Entsprechend kann die laterale Drift
entlang x kompensiert werden, bevor sie das Höhensignal des D-Hebels ändert.
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Entsprechend
dem Aufbau der 12 wird eine andere Konfiguration
zum Erfassen beider Driftkomponenten in der Ebene verwendet. Anstatt
einen stabförmigen
und einen dreieckigen Hebel zu verwenden, werden zwei nicht-dreieckige L-Ausleger verwendet.
Wie bereits erwähnt,
sind die zwei stabförmigen
(nicht-dreieckigen) Ausleger sehr empfindlich gegenüber Torsionskräften. Um
eine laterale Drift entlang der x- und der y-Achse zu erfassen,
sind die zwei 1-Ausleger
in Bezug auf das Substrat mit 45° und
in Bezug zueinander mit 90° orientiert.
Eine entsprechende Sensoranordnung kann auf Basis der gleichen Technologie
hergestellt werden, die für
kommerziell erhältliche
Substrate konventionell verwendet wird.
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12 zeigt
eine mögliche
vollständige
Konfiguration von Hebeln auf einem einzelnen Chip. Die (x, y, d)-Position
des M(ess)-Hebels wird durch den D-Hebel, den X-Hebel oder Lx-Hebel und den Y-Hebel oder LY-Hebel
geregelt. Wie im Folgenden erklärt, kann
die d-Position auch artefaktfrei durch Verwenden des d-Signals von den beiden
L-Hebeln (die entsprechend als D/X- und D/Y-Hebel bezeichnet werden
können)
geregelt werden.
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Durch
Strahlen des Laserstrahls auf die L-Hebel entlang ihrer langen Achse
kann man Höhen-
und Torsinns- (lateral x- und y-)Signale erfassen. Da die beiden
1-Sensoren in Bezug
aufeinander mit 90° orientiert
sind, liefern sie zwei unabhängige Torsionssignale,
mit denen das Erfassen von Drifts entlang der beiden Richtungen
in der Probenebene möglich
ist. Da jeder L-Hebel ein isoliertes Torsionssignal entlang der
Normalkraftachse des anderen L-Hebels liefert, erlaubt es dieser
Aufbau, Artefakte in der Normalkrafterfassung und deswegen in der
Höhenregelung
zu eliminieren, die von Drifts entlang der langen Hebelachse auftreten,
wie sie immer noch in der Situation der 10 auftreten
können.
Der Detektor 200 (z. B. eine in Quadranten aufgeteilte
Photodiode) liefert ein Torsionssignal, das die Drift entlang der
y-Achse repräsentiert,
und ein Biegesignal, das den Abstand d repräsentiert. Der Detektor 210 (z. B.
eine in Quadranten aufgeteilte Photodiode) liefert ein Torsionssignal,
das die Drift entlang der y-Achse repräsentiert, und ein Biegesignal,
das den Abstand d repräsentiert.
Entsprechend einer detaillierteren Analyse gibt es einen Lateraldriftterm
und einen Abstandsterm [d] im Biegesignal des jeweiligen Detektors.
Der Lateraldriftterm [d(x)] des Biegesignals des Detektors 200 bezieht
sich auf eine laterale Drift entlang der x-Achse. Der Lateraldriftterm
[d(y)] des Biegesignals des Detektors 210 bezieht sich
auf eine laterale Drift entlang der y-Achse. Die Regelung, die auf
Basis des Torsionssignals des Detektors 200 bewirkt wird,
erlaubt eine Eliminierung des Lateraldriftterms des Biegesignals
des Detektors 210, so dass das Biegesignal im Wesentlichen
nur den Abstandsterm [d] aufweist. Die Regelung, die auf Basis des Torsionssignals
des Detektors 210 bewirkt wird, erlaubt das Eliminieren
des Lateraldriftterms des Biegesignals des Detektors 200,
so dass das Biegesignal im Wesentlichen nur den Abstandsterm [d]
aufweist. Entsprechend gibt es keinen Bedarf für einen separaten D-Hebel.
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Der
Aufbau der 12 ist speziell für größere vertikale
Abtastungen nützlich,
da das Höhenerfassungssignal
für vergleichbar
große Änderungen im
Abstand d linear bleibt.
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Anstatt
die Laser auf die L-Hebel entlang der langen Achse der Hebel zu
strahlen, kann man alternativ auch eine derartige Anordnung wählen, bei
der die Laser auf die 1-Hebel mit einem 90°-Winkel strahlen. Dies macht
das Erfassungssystem gegenüber lateraler
Drifts empfindlicher. Jedoch wird in diesem Fall das Höhensignal
nur einen kurzen linearen Bereich aufweisen, so dass diese Anordnung
nur für kurze
vertikale Abtastungen verwendet werden sollte.
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Die
Anordnung mit Fortpflanzung des Laserstrahls entlang der longitudinalen
Achse des jeweiligen L-Hebels, wie in 12 gezeigt,
wird in 13a in einer Vorderansicht
und in einer Ansicht von oben in 13b gezeigt.
Weiter wird die Anordnung mit Fortpflanzung der Laserstrahlen im
Wesentlichen orthogonal zu dem jeweiligen L-Hebel in einer Vorderansicht
in 14a und in einer Ansicht von oben
in 14b gezeigt. Die jeweiligen Laserstrahlen 202, 210 sind
mit unterbrochenen Linien gezeichnet. Nur die D/X- und D/Y-Hebel
sind gezeigt. Die Auslenkungen der reflektierten Laserstrahlen durch
Torsinn und Biegung der Hebel sind durch Pfeile angezeigt und es
ist gezeigt, welche Informationen von diesen Auslenkungen erhalten
werden können.
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Wie
durch Vergleich der 13 und 14 gesehen
werden kann, unterscheiden sich die beiden Erfassungssituationen
nur durch einen Austausch der Positionen der zwei Laser im Bezug
auf die beiden L-Hebel. Man könnte
damit relativ schnell zwischen einem Erfassungsaufbau, der für große vertikale
Abtastungen optimiert ist, oder einem Aufbau wechseln, der eine
optimierten Erfassung von lateralen Drifts aufweist.
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Mathematisch
könnte
man die Erfassungssituation entsprechend den 13 und 14 folgendermaßen analysieren:
Entsprechend
einem linearen Ansatz, könnten
die Torsionssignale geschrieben werden als Sx = a1Δx SY = a2Δy.
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Weiter,
entsprechend dem linearen Ansatz, könnten die Biegesignale geschrieben
werden als Sx = b1d +
C1Δy SY = b2d
+ C2Δx.
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b,
d und b2 d sind die oben erwähnten
Abstandsterme [d]. c1 Δy und c2 Δx sind die oben erwähnten Lateraledriftterme
[d(y)] und [d(x)].
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Im
Falle der Anordnung der 13 führt ein Biegen
des jeweiligen Hebels zu einer Auslenkung des reflektierten Laserstrahls
innerhalb einer vertikalen Ebene, die durch den Laserstrahl definiert
wird, der auf den jeweiligen Hebel fällt. Eine Torsinn des jeweiligen
Hebels führt
zu einer Auslenkung des reflektierten Laserstrahls im Wesentlichen
orthogonal zu dieser vertikalen Einfallsebene.
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Im
Falle der Anordnung der 14 führt eine Torsinn
des jeweiligen Hebels zu einer Auslenkung des reflektierten Laserstrahls
innerhalb einer vertikalen Ebene, die durch den Laserstrahl definiert
wird, der auf die jeweiligen Hebel fällt. Ein Biegen des jeweiligen
Hebels führt
zu einer Auslenkung des reflektierten Laserstrahls im Wesentlichen
orthogonal zu dieser vertikalen Einfallsebene.
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Es
scheint, dass der obenstehende lineare Ansatz die Situation recht
gut beschreibt. Entsprechend ist es prinzipiell möglich, eine
vertikalen Abtastung (ein Ändern
des Abstands des Messsensors in Bezug auf die Probe) unter gesteuerten/geregelten oder
stabilisierten Bedingungen in Bezug auf die laterale Position zu
machen. Es können
Einflüsse
auf das Torsionssignal vorhanden sein, die im obenstehenden Ansatz
nicht in Betracht gezogen wurden. Wenn z. B. der Abstand geändert wird, ändert sich die
Normalkraft auf die Spitzen der 1-Hebel. Dies könnte Änderungen in der Torsinn bewirken.
Wenn jedoch eine Referenzoberfläche
verwendet wird, die weicher als die Auslegerspitze ist, die die
Referenzoberfläche
kontaktiert, wird die Torsinn des Auslegers sogar unter Vertikalabtastbedingungen
aufrecht erhalten werden.
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In
jedem Fall ist die laterale Stabilisierung und Steuerung/Regelung,
die im vorstehenden beschrieben wurde, sehr effektiv für lokale
Messungen unter Bedingungen mit konstantem Abstand.
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Das
Konzept des MSLSS kann sogar noch leistungsfähiger gemacht werden, wenn
man spezielle Proben herstellt, die die Probeneigenschaften unter
dem M-Hebel einerseits
definieren und eine unterschiedliche Oberfläche für den D/L-Hebel (die D/L-Hebel) andererseits bereitstellen.
Auf diese Weise kann man sicherstellen, dass die Oberfläche unter den
D/L-Hebeln geeignet und optimal für die Driftkorrektursignale
ist. Eine derartige Oberfläche
könnte beispielsweise
sehr hart und speziell adhäsiv
für die D/L-Hebel
sein, um die Lateralkraftsignale zu erhöhen, oder – wie oben bereits angedeutet
wurde – sie könnte derart
beschaffen sein, dass die Spitzen einfache eine Schicht von einigen
hundert nm durchdringen könnten,
die auf der harten Oberfläche
darunter bereitgestellt ist, in der sie dann „stecken" würden und
lateral fixiert wären.