DE69414896T2

DE69414896T2 - Rasterabtastmikroskop und dessen Verwendung zum Vermessen von Oberflächen

Info

Publication number: DE69414896T2
Application number: DE69414896T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Osaka Kado; Takao Ikoma-Shi Nara-Ken Tohda; Shinichi Tsuchiura-Shi Ibaraki-Ken Yamamoto
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1994-03-18
Publication date: 1999-04-22
Anticipated expiration: 2014-03-19
Also published as: EP0616192A1; DE69414896D1; EP0616192B1; JPH06273155A; US5468959A; JP2743761B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rastersondenmikroskop, und im besonderen ein mit einem aktiven Cantilever ausgerüstetes Rastersondenmikroskop mit fortschrittlichen Funktionen; welche das Kraftmikroskop (atomic force microscope, nachstehend als AFM abgekürzt) und das Rastertunnelmikroskop (scanning tunneling microscope, nachstehend als STM abgekürzt) kombiniert, und ein Verfahren zum Vermessen von Oberflächen unter Verwendung dieses neuartigen Mikroskops.
In den frühen achtziger Jahren wurden STM als eine Vorrichtung entwickelt, welche die Beobachtung von Oberflächen von Festkörpern mit einer Auflösung im atomaren Maßstab gestattet. Die STM verwenden die Erscheinung, daß ein Tunnelstrom, der zwischen einer elektrisch leitenden Sonde mit einer feinen Spitze und der Oberfläche einer Probe fließt, stark von der Entfernung zwischen der Sonde und der Oberfläche der Probe abhängt. Gemäß dem STM-Meßverfahren tastet die Sonde die Oberfläche der Probe über ihre Oberfläche hinweg ab, um die atomare Anordnung zu beobachten, während der Tunnelstrom auf einem konstanten Wert gehalten wird. Außerdem kann die Messung der Elektronenzustandsdichte auch ausgeführt werden, indem Spannung-Strom-Kennlinien des Tunnelstromes beschafft werden.
In letzter Zeit sind einige neuartigen Mikroskope auf der Grundlage des Prinzip einer derartigen STM-Messung entwickelt worden.
Unter diesen sind AFM durch die Detektion einer anziehenden Kraft oder einer abstoßenden Kraft gekennzeichnet, die zwischen der Probe und der mit einer feinen Spitze ausgerüsteten Sonde wirkt, wodurch eine Messung der Rauhigkeit auf der Probenoberfläche ermöglicht wird. Mit anderen Worten gestatten die AFM eine detaillierte Beobachtung, die durch die herkömmlichen STM nicht erreicht wurden, von den Oberflächenstrukturen eines weiten Bereiches und einer Vielfalt von Materialien, wie Halbleiter, Metalle, Organismen und Isolatoren.
Jedoch stießen diese herkömmlichen STM und AFM, die beide ein Rastersondenmikroskop sind, auf die Schwierigkeit bei der Identifizierung von Atomarten trotz der Tatsache, daß sie die Beobachtung der atomaren Anordnung auf der Oberfläche von Metallen, Halbleitern, Isolatoren und dergleichen sicherstellen können. Wenn die Sonde an einem Ausleger mit einer kleinen Federkonstante, um die Empfindlichkeit in der vertikalen Richtung in bezug auf die Probe zu erhöhen, gehalten ist, wird das AFM auf ein anderes Problem stoßen, daß, wenn die Sonde in die Nähe der Probe gelangt, der Cantilever plötzlich in Richtung der Probe angezogen wird, sobald eine Anziehungskraft zwischen der Probe und der Sonde wirkt. Dies bedeutet, daß das herkömmliche AFM die Entfernung zwischen der Sonde und der Probe nicht beibehalten kann, um eine gewünschte Anziehungskraft dazwischen zu bewirken.
Ein Rastersondenmikroskop gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1-3 ist in der EP-A-0 449 221 offenbart.
Die Veröffentlichung "REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, Bd. 63, Nr. 12, Dezember 1992, New York U. S. Seiten 5626-5633" offenbart einen Auslenkungssteuermechanismus für einen Cantilever, der eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung umfaßt, wobei der Cantilever teilweise magnetisches Material umfaßt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend ist es in Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme, auf die im Stand der Technik getroffen wird, ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein mit einem aktiven Cantilever ausgerüstetes Rastersondenmikroskop mit fortschrittlichen Funktionen zu schaffen, welches das AFM und das STM kombiniert, um die AFM- und STM-Messungen in den Bereichen der gewünschten Anziehungskraft durch die Verwendung dieses neuartigen Mikroskops zu verwirklichen, und auch ein sehr fortschrittliches Oberflächenbewertungsverfahren zu schaffen, das beispielsweise bei der Identifizierung von Atomarten verwendet werden kann.
Das obige Ziel wird durch die Merkmale der Ansprüche 1-3 und der Verfahrensansprüche erreicht.
Dementsprechend schafft die vorliegende Erfindung ein mit einem aktiven Cantilever ausgerüstetes, neuartiges Rastersondenmikroskop mit fortschrittlichen Funktionen, welches das AFM und das STM kombiniert, wobei die Auslenkungsgröße des Cantilevers auf einen gewünschten Wert gesteuert wird, ohne die Sonde direkt mechanisch auf eine Probe zu drücken. Dadurch ermöglicht es verschiedene Messungen, wie die Abhängigkeit der Wechselwirkungskraft des Sondenmaterials, die von anziehenden Kräften zu abstoßenden Kräften reicht, in bezug auf die Sonden-Proben- Entfernung, und die Spannung-Tunnelstrom-Kennlinien in bezug auf die Sonden-Proben-Entfernung. Unter Verwendung dieser zahlreichen Informationen wird es möglich, ein sehr fortschrittliches Verfahren zum Bewerten von Oberflächeneigenschaften zu verwirklichen, das eine Identifizierung von Atomarten umfaßt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung besser ersichtlich werden, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen ist, in denen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, die ein Rastersondenmikroskop gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 2 eine Ansicht ist, die ein Beispiel einer atomaren Anordnung zeigt, die auf der Grundlage von Steuergrößen in der Z-Richtung des dreidimensionalen Probenantriebs erhalten wird,
Fig. 3 eine Ansicht ist, die ein anderes Beispiel einer atomaren Anordnung zeigt, die auf der Grundlage von Steuergrößen der Magnetfelderzeugungsvorrichtung erhalten wird,
Fig. 4 eine schematische Ansicht ist, die ein Rastersondenmikroskop gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und
Fig. 5 eine schematische Ansicht ist, die einen Cantilever zeigt, der in einem Auslenkungssteuermechanismus oder einem Meßmechanismus für kleine Verschiebungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 ist ein Schaubild, das die Zusammensetzung eines Rastersondenmikroskops gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine elektrisch leitende Sonde 1, die aus einer Platin-Indium-Legierung hergestellt ist, ist fest mit einem distalen Ende eines Dünnfilm-Cantilevers 3 verbunden, der aus Siliziumnitrid hergestellt ist und eine rechteckige Form mit 0,5 um Dicke, 200 um Länge und 40 um Breite aufweist. Die Sonde 1 ist elektrisch mit einem Metalldünnfilm 2 zur Detektion eines durch die Sonde 1 fließenden Stromes verbunden. Ein kleiner magnetischer Dünnfilm 5, der aus Nickel hergestellt ist, mit 0,1 um Dicke und 40 um Seite ist durch ein Sputter-Verfahren an dem Cantilever 3 in abgewandter Beziehung zur Sonde 1 gebildet, so daß ein von einer Laserquelle 10 emittierter Laserstrahl 18 durch diesen Magnetdünnfilm 5 zur Auslenkungssteuerung des Cantilevers 3 reflektiert wird, die von einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 ausgeführt wird, die einen Elektromagneten umfaßt. Ein Basisende des Dünnfilm-Cantilevers 3, das entgegengesetzt zu dem mit der Sonde 1 versehenen distalen Ende liegt, ist durch ein Befestigungselement 4 sicher gehalten. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 und ein später beschriebener Magnet-Controller 13 bilden einen Auslenkungssteuermechanismus.
Jedoch ist der Auslenkungssteuermechanismus nicht auf die in der Zeichnung offenbarte Struktur begrenzt. Beispielsweise wird der magnetisches Dünnfilm 5 weggelassen sein, wenn die Sonde 1 aus einem Material hergestellt ist, das eine magnetische Substanz, wie Eisen, Nickel-Cobalt oder Seltenerdmetall enthält. Es ist bevorzugt, das magnetische Material in einer Richtung vertikal zur Probenoberfläche zu magnetisieren.
Eine Probe 6 ist an einem elektrisch leitenden Versuchstisch 7 angebracht, so daß die Probe 6 elektrisch mit dem Versuchstisch 7 verbunden ist. Eine Spannungserzeugungsvorrichtung 15 legt eine Spannung zwischen der Sonde 1 und der Probe 6 an, um einen dazwischen fließenden Tunnelstrom zu erzeugen. Dieser Tunnelstrom wird von einer Strommeßvorrichtung 16 detektiert.
Der elektrisch leitende Versuchstisch 7 ist an einem isolierenden Versuchstisch 8 befestigt. Dieser isolierende Versuchstisch 8 ist an einem dreidimensionalen Probenantrieb 9 befestigt, der aus einem piezoelektrischen Element vom Rohrtyp gebildet ist.
Ein Meßmechanismus für kleine Verschiebungen, der aus der Laserquelle 10 und eine Fotodiode mit zwei Segmenten 11 gebildet ist, detektiert die Auslenkung des Cantilevers 3, indem das optische Hebelsystem verwendet wird, bei dem ein schmaler Strahl aus der Laserquelle 10 auf den kleinen magnetischen Dünnfilm 5 geleitet wird, der an dem Cantilever 3 angebracht ist, und der reflektierte Strahl auf die Fotodiode mit zwei Segmenten 11 geleitet wird, wodurch ein Fleck erzeugt wird; dessen Position gemessen wird.
Ein Ausgang der Fotodiode 11, der eine Auslenkungsgröße des Cantilevers 3 darstellt, wird zum Magnetfeld-Controller 13 übertragen. Der Magnetfeld-Controller 13 regelt die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12, die einen hohlen Kern umfaßt, über Rückkopplung derart, daß die Auslenkungsgröße des Cantilevers 3 auf Null oder einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.
Der Ausgang der Fotodiode 11 (d. h. die Auslenkungsgröße) wird auch durch einen Umschalter 19 zu einem Positions-Controller 17 übertragen. Auf der Grundlage des Ausgangs der Fotodiode 11 steuert der Positions- Controller 17 den dreidimensionalen Antrieb 9 auf eine Art und Weise, daß die Position der Probe in der vertikalen Richtung (Z-Richtung) der Probenoberfläche über Rückkopplung geregelt wird.
Der Positions-Controller 17 empfängt Informationen von der Strommeßvorrichtung 16 und betätigt den dreidimensionalen Probenantrieb 9 derart, daß die Probenposition in der Z-Richtung über Rückkopplung geregelt wird. Der Positions-Controller 17 empfängt auch Informationen von einem Computer 14 und betätigt den dreidimensionalen Probenantrieb 9, um die Rasterabtastung über die Probenoberfläche entlang einer Ebene auszuführen, die normal zur Z-Richtung steht (d. h. X- und Y-Richtungen). Dieser Positions-Controller 17 und dieser dreidimensionale Probenantrieb 9 bilden einen Positionssteuermechanismus.
Der Computer 14 nimmt verschiedene Steuergrößen auf, beispielsweise für die Auslenkung des Cantilevers 3 und für die Position in der Z-Richtung der Probe 6 in bezug auf zahlreiche Punkte auf der Probenoberfläche. Der Computer 14 zeigt diese Eingangsdaten in der Form einer Licht- und Schattenabbildung oder einer grafischen Darstellung an.
Dieses Mikroskop kann in der Atmosphäre betrieben werden, jedoch wird es bevorzugt sein, dieses Mikroskop ins ultrahohe Vakuum zu setzen, wenn eine Messung erforderlich ist, die detaillierte Informationen von der sauberen Probenoberfläche beschafft.

Erstes Betriebsverfahren

Nachstehend wird ein Betriebsverfahren des Mikroskops unter Bezugnahme auf ein Beispiel erläutert, bei dem die (110)-Bruchflächenebene des InSb-Kristalls im ultrahohen Vakuum beobachtet wird. Tellur-dotierter, n- leitender InSb-Kristall wird an dem elektrisch leitenden Versuchstisch 7 angebracht und im ultrahohen Vakuum gespalten, um die saubere (110)- Oberfläche freizulegen. Somit wird ein resultierender InSb-Kristall als die Probe 6 verwendet.
Der Ausgang der Fotodiode 11 (d. h. die Auslenkungsgröße) wird durch den Umschalter 19 in den Magnetfeld-Controller 13 eingegeben. Der Ma gnetfeld-Controller 13 betätigt die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12, um die Auslenkung des Cantilevers 3 derart über Rückkopplung zu regeln, daß die Sonde 1 von der Probe 6 mehr als 10 um beabstandet ist (die Sonde 1 ist nämlich weit weg von der Probe 6 angeordnet, um keine Auslenkung an dem Cantilever 3 zu bewirken).
In diesem Zustand legt die Spannungserzeugungsvorrichtung 15 + 1,0 V Spannung an die Probe 6 an. Dann wird der dreidimensionale Probenantrieb 9 betätigt, um den Abstand zwischen der Probe 6 und der Sonde 1 zu verringern, bis ein signifikanter Tunnelstrom zu fließen beginnt.
Wenn die Strommeßvorrichtung 16 einen Tunnelstrom detektiert, betätigt der Positions-Controller 17 den dreidimensionalen Probenantrieb 9 und regelt die Probenposition in der Z-Richtung über Rückkopplung derart, daß immer ein 0,1 nA Tunnelstrom fließt. Es wird immer eine Anziehungskraft zwischen der Sonde 1 und der Probe 6 bewirkt, wenn die Sonde 1 so nahe an die Probe 6 gelangt, daß dazwischen ein Tunnelstrom zu fließen beginnt. Wenn die Auslenkung des Cantilevers 3 nicht von der Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 oder dergleichen gesteuert wird, wird entweder die Sonde von der Probe in einem Abstand entfernt sein, der keinen Tunnelstrom bewirkt, oder die Sonde wird mit der Probe in Kontakt stehen. Dies bedeutet, daß der Tunnelstrom nicht stabil auf einem konstanten Wert gehalten werden kann.
Wie es oben beschrieben ist, wird, unter der Bedingung, bei welcher der Tunnelstrom auf einem konstanten Wert gehalten wird, die Probe 6 auf der Grundlage von Signalen von dem Computer 14 entlang der X-Y-Ebene rasterartig abgetastet. Somit nimmt der Computer 14 die Steuergrößen für die Z-Richtung für den dreidimensionalen Probenantrieb 9 (d. h. den Positionssteuermechanismus) und die Steuergrößen für die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 (d. h. den Auslenkungssteuermechanismus) in bezug auf 256 · 256 Punkte auf der Probenoberfläche auf.
Es wird nämlich gemäß diesem ersten Betriebsverfahren:
die Auslenkung des Cantilevers auf einem konstanten Wert gehalten, indem der Meßmechanismus für kleine Verschiebungen und der Auslenkungssteuermechanismus verwendet werden;
eine konstante Spannung zwischen der elektrisch leitenden Sonde und der Probe angelegt;
die Probe entlang der Oberfläche der Probe mit der Sonde abgetastet, während ein Tunnelstrom auf einem konstanten Wert gehalten wird, indem der Positionssteuermechanismus verwendet wird; und
eine Steuergröße des Positionssteuermechanismus in einer Richtung vertikal zur Probe gemessen und auch eine Steuergröße des Auslenkungssteuermechanismus gemessen.
Die Fig. 2 und 3 sind Ansichten, die schematisch Licht- und Schattenabbildungen zeigen, die auf der Grundlage der Steuergrößen für die Z-Richtung für den dreidimensionalen Probenantrieb 9 und der Steuergrößen für die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 erhalten werden, die abwechselnd an jeweiligen Meßpunkten detektiert werden.
In Fig. 2 stellen Flächen, die durch eine runde Markierung angedeutet sind, den Bereich dar, bei dem die Sonde 1 weit von der Probe 6 entfernt ist - nämlich die Flächen, bei denen die Tunnelströme leicht fließen - was einer In-Atomanordnung entspricht.
In Fig. 3 stellen Flächen, die durch eine große runde Markierung angedeutet sind, den Bereich dar, bei dem die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 ein größeres Magnetfeld in der Richtung erzeugt, in der die Sonde 1 weit weg von der Probe 6 beabstandet ist, um die Auslenkung des Cantilevers 3 zu steuern - nämlich die Flächen, bei denen eine große Anziehungskraft zwischen der Sonde 1 und der Probe 6 erzeugt wird. Und Flächen, die durch eine kleine runde Markierung angedeutet sind, stellen den Bereich dar, bei dem eine geringfügig größere Anziehungskraft erzeugt wird.
Wenn die Ansichten der Fig. 2 und 3 übereinandergelegt werden, ist festzustellen, daß die runden Markierungen in Fig. 2 exakt mit den kleinen runde Markierungen in Fig. 3 zusammenfallen. Das heißt, diese Markierungen stellen In-Atome dar.
Dementsprechend entsprechen die großen runden Markierungen von Fig. 3 Ga-Atomen.
Die atomare Anordnung in diesen Zeichnungen weist eine Periode von 6,5 Å in der Querrichtung und 4,6 Å in der Längsrichtung auf. Dies stellt sicher, daß die atomare Anordnung erfolgreich beobachtet wird.
Wenn die an die Probe 6 angelegte Spannung auf 1 V verringert wird, wird nur eine Sb-Atomanordnung aus der Abbildung beobachtet, die auf der Grundlage der Steuergrößen für die Z-Richtung des dreidimensionalen Probenantriebs 9 erhalten wird. Indessen werden sowohl eine In-Atomanordnung als auch eine Sn-Atomanordnung aus der Abbildung, die auf der Grundlage der Steuergrößen der Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 erhalten wird, deutlicher als in dem Fall beobachtet, in dem eine positive Spannung an die Probe 6 angelegt wird.
Wie es aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist das Mikroskop der vorliegenden Erfindung dem herkömmlichen STM überlegen, das nur entweder In-Atome oder Sb-Atome abhängig von der Polarität der angelegten Spannung anzeigt. Das heißt, das Mikroskop der vorliegenden Erfindung zeigt sowohl In- als auch Sb-Atome an, was bedeutet, daß die Atomarten durch Vergleich mit den Daten des STM identifiziert werden können.

Zweites Betriebsverfahren

Außerdem wird nachstehend ein anderes Betriebsverfahren des Mikroskops der vorliegenden Erfindung erläutert.
Der Ausgang der Fotodiode 11 (Auslenkungsgröße) wird durch den Umschalter 19 in den Magnetfeld-Controller 13 eingegeben. Der Magnetfeld- Controller 13 betätigt die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12, um die Auslenkung des Cantilevers 3 über Rückkopplung derart zu regeln, daß die Sonde 1 von der Probe 6 mehr als 10 um beabstandet ist. (die Sonde 1 ist nämlich weit weg von der Probe 6 angeordnet, um keine Auslenkung an dem Cantilever 3 hervorzurufen)
In diesem Zustand legt die Spannungserzeugungsvorrichtung 15 + 1,0 V Spannung an die Probe 6 an. Dann wird der dreidimensionale Antrieb 9 betätigt, um den Abstand zwischen der Probe 6 und der Sonde 1 zu verringern, bis ein signifikanter Tunnelstrom zu fließen beginnt.
Wenn die Strommeßvorrichtung 16 einen Tunnelstrom detektiert, betätigt der Positions-Controller 17 den dreidimensionalen Probenantrieb 9 und regelt die Probenposition in der Z-Richtung über Rückkopplung, um den Tunnelstrom auf 0,1 nA zu halten.
Unter der Bedingung, daß die Rückkopplungsregelung entlang der Z-Richtung unterbrochen ist, tastet danach der Positions-Controller 17 auf der Grundlage von Signalen von dem Computer 14 die Probe 6 entlang der X- Y-Ebene rasterartig ab. Somit nimmt der Computer 14 die Tunnelstromwerte auf, die von der Strommeßvorrichtung 16 detektiert werden, und die Steuergrößen für die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 (d. h. den Auslenkungssteuermechanismus) in bezug auf 256 · 256 Punkte auf der Probenoberfläche.
Gemäß diesem zweiten Betriebsverfahren wird nämlich:
die Auslenkung des Cantilevers auf einem konstanten Wert gehalten, indem der Meßmechanismus für kleine Verschiebungen und der Auslenkungssteuermechanismus verwendet werden;
eine konstante Spannung zwischen der elektrisch leitenden Sonde und der Probe angelegt, um einen Tunnelstrom hervorzurufen;
die Probe entlang der Oberfläche der Probe mit der Sonde abgetastet, wobei der Positionssteuermechanismus verwendet wird; und
eine Größe des Tunnelstroms und eine Steuergröße des Auslenkungssteuermechanismus gemessen.
Bei einem derartigen Betrieb wird die Tunnelstromabbildung erhalten, die Fig. 2 ähnlich ist, und die Abbildung der Kraft, die von dem Cantilever 3 empfangen wird, war im wesentlichen gleich wie Fig. 3.

Drittes Betriebsverfahren

Es wird ein weiteres Betriebsverfahren des Mikroskops der vorliegenden Erfindung erläutert.
Der Ausgang der Fotodiode 11 (Auslenkungsgröße) wird durch den Umschalter 19 in den Positions-Controller 17 und nicht in den Magnetfeld- Controller 13 eingegeben. Anschließend steuert die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 die Auslenkung des Cantilevers 3 derart, daß der Laserstrahl 18 von der Laserquelle 10 zur Mitte der Fotodiode mit zwei Segmenten 11 gelenkt wird. Der Ausgang des Meßmechanismus für kleine Verschiebungen ist nämlich optimiert.
Unter einer derartigen optimierten Bedingung betätigt der Positions-Controller 17 den dreidimensionalen Probenantrieb 9 und regelt die Position in der Z-Richtung der Probe 6 über Rückkopplung derart, daß ein erhaltener Ausgang der Fotodiode immer konstant ist. Die Auslenkungsgröße des Cantilevers wird nämlich von dem Meßmechanismus für kleine Verschiebungen und dem Positionssteuermechanismus auf einem konstanten Wert gehalten. Die Spannungserzeugungsvorrichtung 15 legt eine Spannung an die Probe 6 an, und die Strommeßvorrichtung 16 detektiert einen resultierenden Strom.
Danach tastet der Positions-Controller 17 die Probe 6 auf der Grundlage von Signalen von dem Computer 14 entlang der X-Y-Ebene rasterartig ab. Somit nimmt der Computer 14 die Stromwerte auf, die von der Strommeßvorrichtung 16 detektiert werden, und die Steuergrößen für den dreidimensionalen Probenantrieb 9 (d. h. den Positionssteuermechanismus) in bezug auf 256 · 256 Punkte auf der Probenoberfläche.
Gemäß diesem dritten Betriebsverfahren wird nämlich:
die Auslenkung des Cantilevers auf einem konstanten Wert gehalten, indem der Meßmechanismus für kleine Verschiebungen und der Positionssteuermechanismus verwendet werden, nachdem die Auslenkung des Cantilevers durch den Auslenkungssteuermechanismus gesteuert worden ist, um einen Ausgang des Meßmechanismus für kleine Verschiebungen zu optimieren;
eine konstante Spannung zwischen der elektrisch leitenden Sonde und der Probe angelegt, um einen Strom hervorzurufen;
die Probe entlang der Oberfläche der Probe mit der Sonde abgetastet, wobei der Positionssteuermechanismus verwendet wird; und
eine Größe des Stromes und eine Steuergröße des Positionssteuermechanismus gemessen.
Unter Verwendung von Bildverarbeitungstechniken werden die Abbildungen der Oberflächenrauhigkeit (AFM-Abbildungen) und die Abbildungen der Oberflächenleitfähigkeitsverteilung mit einer bemerkenswert hohen Auflösung erhalten.

Viertes Betriebssverfahren

Obwohl bei dem oben beschriebenen dritten Betriebsverfahren die Probenposition entlang der Z-Richtung über Rückkopplung derart geregelt wird, daß von der Probe 6 eine konstante Kraft auf die Sonde 1 aufgebracht wird, werden auch die AFM-Abbildungen mit hoher Auflösung erhalten, selbst wenn der Ausgang der Fotodiode 11 (d. h. die Auslenkungsgröße) direkt in den Computer 14 eingegeben wird, ohne die Rückkopplungsregelung des Positionssteuermechanismus auszuführen.
Gemäß diesem vierten Betriebsverfahren wird nämlich:
eine Auslenkungsgröße des Cantilevers gemessen, indem der Meßmechanismus für kleine Verschiebungen verwendet wird, nachdem die Auslenkung des Cantilevers von dem Auslenkungssteuermechanismus gesteuert worden ist, um einen Ausgang des Meßmechanismus für kleine Verschiebungen zu optimieren;
eine konstante Spannung zwischen der elektrisch leitenden Sonde und der Probe angelegt, um einen Strom hervorzurufen;
die Probe entlang der Oberfläche der Probe mit der Sonde abgetastet, wobei der Positionssteuermechanismus verwendet wird; und
eine Größe des Stromes und eine Auslenkungsgröße gemessen.

Fünftes Betriebsverfahren

Es wird außerdem ein weiteres Betriebsverfahren des Mikroskops der vorliegenden Erfindung erläutert.
Dieses Betriebsverfahren verwendet das in Fig. 4 gezeigte Rastersondenmikroskop, das sich von demjenigen von Fig. 1 darin unterscheidet, daß einer von gegabelten Ausgangsanschlüssen des Umschalters 19 mit dem Computer 14 und nicht mit dem Positions-Controller 17 verbunden ist. Der Ausgang der Fotodiode 11 (die Auslenkungsgröße) wird durch den Umschalter 19 in den Computer 14 eingegeben. Die Spannungserzeugungsvorrichtung 15 legt mehrere Volt zwischen der Probe 6 und der Sonde 1 an. Der Abstand zwischen der Probe 6 und der Sonde 1 wird verringert, bis ein Tunnelstrom zu fließen beginnt. Wenn der Tunnelstrom detektiert wird, betätigt der Magnetfeld-Controller 13 die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 und regelt die Auslenkung des Cantilevers 3 über Rückkopplung auf eine Art und Weise, daß immer 0,1 nA Tunnelstrom fließen.
Unter dieser Bedingung tastet der Positions-Controller 17 die Probe 6 auf der Grundlage von Signalen von dem Computer 14 entlang der X-Y-Ebene rasterartig ab. Daher nimmt der Computer 14 die Ausgänge der Fotodiode 11 (d. h. die Auslenkungsgröße) und die Steuergrößen für die Magneterzeugungsvorrichtung 12 (d. h. den Auslenkungssteuermechanismus) in bezug auf 256 · 256 Punkte auf der Probenoberfläche auf.
Gemäß diesem fünften Betriebsverfahren werden nämlich:
die Sonde und die Probe unter einer Bedingung in eine nähere Beziehung gebracht, daß eine Spannung zwischen der Sonde und der Probe angelegt ist;
ein Tunnelstrom, der zwischen der Sonde und der Probe fließt, durch den Auslenkungssteuermechanismus auf einem konstanten Wert gehalten;
die Probe entlang der Oberfläche der Probe mit der Sonde abgetastet, wobei der Positionssteuermechanismus verwendet wird; und
eine Steuergröße des Auslenkungssteuermechanismus und eine Auslenkungsgröße des Cantilevers gemessen, die von dem Meßmechanismus für kleine Verschiebungen detektiert wird.
Eine derartige Messung ermöglicht es, den Ausgang der Fotodiode 11 mit der Steuergröße für die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 zu vergleichen. Deshalb kann bei der Messung einer Probe, die einen elektrisch nicht leitenden Bereich enthält, bei dem kein Tunnelstrom fließt, der elektrisch nicht leitende Bereich von dem elektrisch leitenden Bereich unterschieden werden, indem die Differenz von dem Ausgang der Fotodiode 11 und der Steuergröße für die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 12 verglichen werden, ohne daß die Sonde 1 in Kontakt mit der Probe 6 gebracht wird. Außerdem wird es möglich, die STM-Abbildung in dem elektrisch leitenden Bereich zu messen. Selbst wenn die Sonde 1 in Kontakt mit der Probe 6 gebracht wird, kann es verhindert werden, daß die feine Spitze der Sonde 1 beschädigt wird, wenn der Cantilever 3 eine kleine Federkonstante von näherungsweise 0,01 N/m aufweist.

Verschiedene Modifikationen

Die obigen Ausführungsformen zeigen das optische Hebelsystem, das den Halbleiter-Laser und die Fotodiode umfaßt, die als der Meßmechanismus für kleine Verschiebungen dienen. Jedoch kann die Auslenkung des Cantilevers mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden, indem ein piezoelektrischer Dünnfilm mit Elektroden auf seinen beiden Oberflächen auf dem Dünnfilm-Cantilever gebildet wird, um eine Ausgangsspannung des piezoelektrischen Dünnfilms zu detektieren.
Die Filme, wie Zinkoxid oder Dünnfilme mit einer Perowskit-Struktur, werden vorzugsweise als die piezoelektrischen Dünnfilme verwendet.
Diese Sorte des piezoelektrischen Dünnfilms ist auch wirksam, wenn sie als der Auslenkungssteuermechanismus verwendet wird. Ein Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Dünnfilm kann nämlich eine Auslenkung an dem Cantilever hervorrufen.
Außerdem ist es möglich, auf dem Dünnfilm-Cantilever die laminierten Dünnfilmschichten aus Elektrode/piezoelektrischer Dünnfilm/Elektrode/piezoelektrischer Dünnfilm/Elektrode zu bilden. Unter Verwendung der zentralen Elektrode als eine gemeinsame Elektrode können diese laminierten Dünnfilmschichten als ein Auslenkungssteuermechanismus funktionieren, indem eine Spannung an eine der oberen und unteren Elektroden angelegt wird, und sie können auch als Meßmechanismus für kleine Verschiebungen funktionieren, indem die Ausgangsspannung der anderen Elektrode gemessen wird.
Zudem ist es außerdem möglich, den Cantilever selbst aus einem piezoelektrischen Dünnfilm zu bilden, wobei auf diesem Elektroden geeignet vorgesehen sind, so daß sie als ein Meßmechanismus für kleine Verschiebungen und/oder als ein Auslenkungssteuermechanismus funktionieren.
Um einen Kondensator zu bilden, ist ferner eine Elektrode 21 teilweise auf dem Cantilever gebildet, und eine zugewandte Elektrode 22 ist derart angeordnet, daß sie der Elektrode 21 gegenübersteht, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Eine elektrische Energieversorgung 23 legt zwischen diesen beiden Elektroden eine Spannung an, um eine elektrostatische Kraft zu erzeugen, wodurch eine Auslenkung des Cantilevers 3 hervorgerufen wird und somit der Auslenkungssteuermechanismus gebildet wird. Außerdem kann dieser Steuermechanismus als ein Meßmechanismus für kleine Verschiebungen dienen, indem eine elektrostatische Kapazität zwischen diesen beiden Elektroden gemessen wird.
Obwohl die obigen Ausführungsformen auf der Grundlage der aus InSb hergestellten Probe erläutert worden sind, ist es möglich, die vorliegende Erfindung anzuwenden, um andere Proben, wie andere Halbleiter aus Verbindungen der Gruppe III-V, Wasserstoff- oder Sauerstoffatome, die auf Si- oder Ge-Substrat absorbiert sind, zu identifizieren.
Außerdem wird es eine aus magnetischem Material hergestellte Sonde möglich machen, Magnetismus aufweisende Atome zu identifizieren.
Wie es in der vorhergehenden Beschreibung beschrieben ist, schafft die vorliegende Erfindung ein Rastersondenmikroskop, das mit einem aktiven Cantilever ausgerüstet ist, dessen Auslenkungsgröße flexibel gesteuert wird, wobei hochwertige Funktionen das Atomkraftmikroskop und das Rastertunnelmikroskop kombiniert. Indem dieses neuartige Mikroskop verwendet wird, werden detaillierte elektrische und mechanische Informationen, die jeweiligen Atomen entsprechen, mit hoher Empfindlichkeit erhalten, wodurch die Beurteilung der Atomarten ermöglicht wird, und es verhindert wird, daß die feine Spitze der Sonde durch einen Zusammenstoß mit der Probe beschädigt wird, was für ein herkömmliches STM ein großes Problem war, wodurch sich große praktische Vorzüge ergeben.

Claims

1. Rastersondenmikroskop, umfassend:

einen Cantilever (3), dessen distales Ende mit einer elektrisch leitenden Sonde (1) ausgerüstet ist, wobei die elektrisch leitende Sonde (1) einen Stromfluß gestattet und eine feine Spitze aufweist, deren Spannung steuerbar ist;

einen Positionssteuermechanismus (9, 17), um die Position einer Probe (6) in bezug auf ein Basisende des Cantilevers (3) zu steuern;

ein Meßmechanismus für kleine Verschiebungen (5, 10, 11), um eine Auslenkungsgröße des Cantilevers (3) zu messen;

einen Auslenkungssteuermechanismus (12, 13), um eine Auslenkung des Cantilevers (3) zu steuern und somit eine Entfernung zwischen der feinen Spitze der Sonde (1) und der Probe (6) auf einen gewünschten Wert einzustellen; und

eine Spannungserzeugungsvorrichtung (15), die eine Spannung zwischen der Sonde (1) und der Probe (6) anlegt, um einen dazwischen fließenden Tunnelstrom zu erzeugen, der von einer Strommeßvorrichtung (16) detektiert wird, wobei der Ausgang der Strommeßvorrichtung (16) dem Positionssteuermechanismus (9, 17) zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Auslenkungssteuermechanismus (12, 13) eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung (12) und einen Magnetfeld-Controller (13) umfaßt, und daß entweder der Cantilever (3) oder die Sonde (1) teilweise magnetisches Material umfassen.

2. Rastersondenmikroskop, umfassend:

einen Auslenkungssteuermechanismus, um eine Auslenkung des Cantilevers (3) zu steuern und somit eine Entfernung zwischen der feinen Spitze der Sonde (1) und der Probe (6) auf einen gewünschten Wert einzustellen, und

dadurch gekennzeichnet, daß

der Cantilever (3) mit einem piezoelektrischen Element versehen ist, das in mindestens einem von dem Meßmechanismus für kleine Verschiebungen und dem Auslenkungssteuermechanismus enthalten ist.

3. Rastersondenmikroskop, umfassend:

dadurch gekennzeichnet, daß

der Cantilever (3) aus einem piezoelektrischen Dünnfilm gebildet ist, und daß der Cantilever in mindestens einem von dem Meßmechanismus für kleine Verschiebungen und dem Auslenkungssteuermechanismus enthalten ist.

4. Rastersondenmikroskop nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei der Meßmechanismus für kleine Verschiebungen aus einem optischen Hebelsystem gebildet ist, das eine Lichtquelle (10) und einen optischen Detektor (11) umfaßt.

5. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 1, wobei mindestens einer von dem Meßmechanismus für kleine Verschiebungen und dem Auslenkungssteuermechanismus einen magnetischen Dünnfilm (5) umfaßt, der auf dem Cantilever (3) vorgesehen ist.

6. Rastersondenmikroskop nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, das ferner einen Schalter (19) umfaßt, um einen Ausgang des Meßmechanismus für kleine Verschiebungen (5, 10, 11) dem Positionssteuermechanismus (9, 17) oder dem Auslenkungssteuermechanismus (12, 13) selektiv zuzuführen.

7. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 6, wobei der Positionssteuermechanismus einen dreidimensionalen Antrieb (9), um die Probe (6) zu bewegen, und einen Positions-Controller (17) umfaßt, um den Ausgang des Meßmechanismus für kleine Verschiebungen zu empfangen und den dreidimensionalen Antrieb (9) zu betätigen.

8. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 6, wobei der Magnetfeld- Controller (13) derart ausgebildet ist, daß er den Ausgang des Meßmechanismus für kleine Verschiebungen empfängt und die Magnetfelderzeugungsvorrichtung (12) betätigt.

9. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 6, das ferner einen Computer (14) umfaßt, der sowohl mit dem Positionssteuermechanismus als auch mit dem Auslenkungssteuermechanismus verbunden ist.

10. Verfahren zum Vermessen von Oberflächen unter Verwendung des Rastermikroskops der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:

eine Auslenkung des Cantilevers (3) auf einem konstanten Wert gehalten wird, indem der Meßmechanismus für kleine Verschiebungen (5, 10, 11) und der Auslenkungssteuermechanismus (12, 13) verwendet werden;

eine konstante Spannung zwischen der elektrisch leitenden Sonde (1) und der Probe (6) angelegt wird;

die Probe (6) entlang der Oberfläche der Probe mit der Sonde (1) abgetastet wird, während ein Tunnelstrom auf einem konstanten Wert gehalten wird, indem der Positionssteuermechanismus (9, 17) verwendet wird; und

eine Steuergröße des Positionssteuermechanismus (9, 17) in einer Richtung vertikal zur Probe (6) und eine Steuergröße des Auslenkungssteuermechanismus (12, 13) gemessen werden.

11. Verfahren zum Vermessen von Oberflächen unter Verwendung des Rastermikroskops der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:

eine konstante Spannung zwischen der elektrisch leitenden Sonde (1) und der Probe (6) angelegt wird, um einen Tunnelstrom hervorzurufen;

die Probe (6) entlang der Oberfläche der Probe mit der Sonde (1) abgetastet wird, wobei der Positionssteuermechanismus (9, 17) verwendet wird; und

eine Größe des Tunnelstromes und eine Steuergröße des Auslenkungssteuermechanismus (12, 13) gemessen werden.

12. Verfahren zum Vermessen von Oberflächen unter Verwendung des Rastermikroskops der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:

eine Auslenkung des Cantilevers (3) auf einem konstanten Wert gehalten wird, indem der Meßmechanismus für kleine Verschiebungen (5, 10, 11) und der Positionssteuermechanismus (9, 17) verwendet · werden, nachdem die Auslenkung des Cantilevers (3) von dem Auslenkungssteuermechanismus (12, 13) gesteuert wurde, um einen Ausgang des Meßmechanismus für kleine Verschiebungen (5, 10, 11) zu optimieren;

eine konstante Spannung zwischen der elektrisch leitenden Sonde (1) und der Probe (6) angelegt wird, um einen Strom hervorzurufen;

eine Größe des Stromes und eine Steuergröße des Positionssteuermechanismus (9, 17) gemessen werden.

13. Verfahren zum Vermessen von Oberflächen unter Verwendung des Rastermikroskops der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:

eine Auslenkungsgröße des Cantilevers (3) gemessen wird, indem der Meßmechanismus für kleine Verschiebungen (5, 10, 11) verwendet wird, nachdem die Auslenkung des Cantilevers (3) von dem Auslenkungssteuermechanismus gesteuert wurde, um einen Ausgang des Meßmechanismus für kleine Verschiebungen (5, 10, 11) zu optimieren;

eine Größe des Stromes und eine Auslenkungsgröße gemessen werden.

14. Verfahren zum Vermessen von Oberflächen unter Verwendung des Rastermikroskops der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß:

die Sonde (1) und die Probe (6) unter einer Bedingung in engere Beziehung gebracht werden, bei der eine Spannung zwischen der Sonde (1) und der Probe (6) angelegt wird;

ein Tunnelstrom, der zwischen der Sonde (1) und der Probe (6) fließt, durch den Auslenkungssteuermechanismus (12, 13) auf einem konstanten Wert gehalten wird;

eine Steuergröße des Auslenkungssteuermechanismus (12, 13) und eine Auslenkungsgröße des Cantilevers (3), die von dem Meßmecha nismus für kleine Verschiebungen (5, 10, 11) detektiert wird, gemessen werden.

15. Verfahren zum Vermessen von Oberflächen nach einem der Ansprüche 10, 11 und 14, wobei die Probe (6) mit der Sonde (1) unter einer Bedingung abgetastet wird, bei der eine Anziehungskraft zwischen der Sonde (1) und der Probe (6) hervorgerufen wird.