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DE19532838A1 - Non contact scanning force microscope - Google Patents

Non contact scanning force microscope

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Publication number
DE19532838A1
DE19532838A1 DE19532838A DE19532838A DE19532838A1 DE 19532838 A1 DE19532838 A1 DE 19532838A1 DE 19532838 A DE19532838 A DE 19532838A DE 19532838 A DE19532838 A DE 19532838A DE 19532838 A1 DE19532838 A1 DE 19532838A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage
tip
probe microscope
microscope according
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19532838A
Other languages
German (de)
Inventor
Heinz Dr Sturm
Wolfgang Dr Stark
Eckhard Dr Schulz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE19532838A priority Critical patent/DE19532838A1/en
Publication of DE19532838A1 publication Critical patent/DE19532838A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04Fine scanning or positioning
    • G01Q10/06Circuits or algorithms therefor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/32AC mode
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01Q60/24AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
    • G01Q60/38Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G01Q60/40Conductive probes

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Abstract

The microscope has an electrically conducting probe (1) that is moved across a specimen surface (4) without any contact and with varying distances between them. The probe is mounted at the end of a cantilevered element (2) that has a piezo element (23) to cause it to vibrate. The specimen is table mounted (5) and this has a piezo element (18) for height adjustment and this connects with a distance measuring unit. Coupled to the probe is voltage sensor (7) and this connects to a voltage supply (15). An ac signal is produced for the displacement and a compensation is applied to avoid contact.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein kontaktfreies rasterndes Kraftwechselwirkungs-Mikroskop, das durch eine zusätzliche elektronische Beschaltung so ausgerüstet wird, daß es trotz elektrischer Aufladung der Probe Messungen der Topographie ermöglicht und das Verfahren zum Betrieb und der Signalerfassung dieser Aufladung an einem solchen Mikroskop.The invention relates to a non-contact, scanning, force-interaction microscope is equipped by an additional electronic circuit so that despite electrical Charging the sample enables measurements of the topography and the method of operation and the Signal detection of this charge on such a microscope.

Bekanntlich versteht man unter einem rasternden Kraftwechselwirkungs-Mikroskop (auch: Rasterkraftmikroskop (RKM), atomic force microscope (AFM), scanning force microscope (SFM), im weiteren Text: RKM) ein Gerät, mit dem mit einer extrem feinen Tastspitze atomare Wechselwirkungs­ kräfte in Abhängigkeit vom Ort gemessen werden können.As is known, a scanning force interaction microscope (also: Atomic force microscope (AFM), scanning force microscope (SFM), im further text: RKM) a device with which an extremely fine probe tip atomic interaction forces can be measured depending on the location.

Es ist seit den grundlegenden Arbeiten von Binnig und Rohrer zum Rastertunnelmikroskop Ende der 70er Jahre bekannt, daß es möglich ist, so feine Spitzen und so genaue Meßtechnik zu realisieren, daß atomare Auflösung erreicht werden kann [Binnig, Rohrer, Gerber, Weibel, Appl. Phys. Lett. 40 (1982) S. 178]. Das Meßprinzip des Rastertunnelmikroskops beruht auf der Annäherung einer unter Spannung stehenden, leitenden atomar feinen Spitze an eine leitende Probe solange, bis ein meßbarer Tunnelstrom einsetzt. Durch eine extrem feine Positionierung im sub-nm-Bereich kann man den Tunnelstrom rasternd erfassen und so auch atomare Ortsauflösungen erreichen.It has ended since Binnig and Rohrer's basic work on the scanning tunneling microscope known in the 1970s that it is possible to achieve such fine tips and such precise measuring technology, that atomic resolution can be achieved [Binnig, Rohrer, Gerber, Weibel, Appl. Phys. Lett. 40 (1982) p. 178]. The measuring principle of the scanning tunneling microscope is based on the approximation of one under Voltage-bearing, conductive atomically fine tip on a conductive sample until a measurable Tunnel current begins. By extremely fine positioning in the sub-nm range, you can Record the tunnel current in a grid pattern and thus also achieve atomic spatial resolutions.

Basierend auf dieser Entwicklung wurde Mitte der 80er Jahre das RKM entwickelt [U. Binnig, C. Quate, C. Gerber; Phys. Rev. Lett: 56 (1986) S. 930]. Das Meßprinzip des Rasterkraftmikroskops beruht darauf, eine an einem Biegebalken aufgehängte Spitze der Probe annähern und die Kraftwechselwirkung über die Durchbiegung des Biegebalkens zu registrieren. Bei der Annäherung der Spitze an die Probe erreicht man zuerst einen Bereich, in dem die Summe aller Kräfte (van der Waals Wechselwirkung, beschreibbar u. a. durch das Lenard-Jones-Potential, Coulomb-Wechselwirkung durch ionische Spezies oder Dipole, Dispersionskräfte, kurzreichweitige Kräfte usw.) die Spitze anziehen (siehe graphische Darstellung).Based on this development, the RKM was developed in the mid-1980s [U. Binnig, C. Quate, C. Gerber; Phys. Rev. Lett: 56 (1986) p. 930]. The measuring principle of the atomic force microscope relies on approaching a tip of the specimen suspended from a bending beam and the To register the force interaction via the bending of the bending beam. When approaching the The tip of the test is to first reach an area in which the sum of all forces (van der Waals Interaction, writable u. a. through the Lenard-Jones potential, Coulomb interaction through Ionic species or dipoles, dispersion forces, short-range forces, etc.) attract the tip (see graphic representation).

Dabei berührt die Spitze die Probenoberfläche noch nicht. Nähert man die Spitze weiter an, stoßen sich Probe und Spitze ab und kommen in Kontakt (z. B. abstoßende Wechselwirkung der Elektro­ nenhüllen der Spitzen- und Probenatome).The tip does not yet touch the sample surface. If you approach the tip further, bump the sample and tip come off and come into contact (e.g. repulsive interaction of the electro of the tip and sample atoms).

Durch eine Regelschaltung mit Rückkopplung werden entweder die anziehenden oder die abstoßenden Kräfte konstant gehalten, ersteres wird als attraktive RKM (ohne Kontakt), letzteres als repulsive RKM (mit Kontakt) bezeichnet (attractive non-contact mode, repulsive contact mode). Bewegt man jetzt die Meßprobe in lateraler (d. h. x, y) Richtung, kann man die atomaren Kräfte abrastern (scannen). Im Ergebnis erhält man eine zweidimensionale Karte (Bild) der Kräfte im abgerasterten Bereich. Näheres findet man z. B. in dem Übersichtsartikel von E. Meyer und H. Heinzelmann in Scanning Tunneling Microscopy II, Springer-Verlag Berlin 1992, S. 99 ff (Springer Series in Surface Sciences 28, ISBN 3-540-54555-7).Through a control circuit with feedback, either the attractive or the repelling forces are kept constant, the former as an attractive RKM (without contact), the latter as repulsive RKM (with contact) called (attractive non-contact mode, repulsive contact mode). Emotional now taking the measurement sample in the lateral (i.e. x, y) direction, the atomic forces can be scanned (to scan). The result is a two-dimensional map (image) of the forces in the raster Area. More information can be found e.g. B. in the review by E. Meyer and H. Heinzelmann in Scanning Tunneling Microscopy II, Springer-Verlag Berlin 1992, p. 99 ff (Springer Series in Surface Sciences 28, ISBN 3-540-54555-7).

Eine weitere, verfeinerte Meßmethode verwendet eine schwingende Spitze, die sich an einem nahe der Resonanzfrequenz angeregten Biegebalken befindet. Wegen einer anziehenden Kraftwechselwirkung zwischen Spitze und Probe ändert sich die Amplitude der Schwingung, die auszuwerten ist. Hält man die Frequenz der erzwungenen Schwingung des Biegebalkens konstant, ergibt sich bei Annäherung im attraktiven Bereich eine Amplitudendepression der Schwingung. Führt man diese Information einem Regelkreis zu, der durch Abstandsvariation zwischen Spitze und Probe die Amplitude der Schwingung konstant halten kann, hat man beim Abrastern der Probe einen zweiten berührungsfreien Modus der Rasterkraftmikroskopie realisiert. Die Abstandskorrekturgröße wird über dem Ort als Topogra­ phieinformation geschrieben. Mit Hilfe der Computertechnik ist es leicht, aus dieser Abstandskorrektur­ größe ortsaufgelöste Bilder der Topographie zu erzeugen.Another, more refined measurement method uses a vibrating tip that is close to one the resonance frequency excited bending beam. Because of an attractive force interaction the amplitude of the oscillation to be evaluated changes between the tip and the sample. You stop the frequency of the forced oscillation of the bending beam is constant when approaching the attractive range an amplitude depression of the vibration. If you carry this information Control loop, which changes the amplitude of the vibration by varying the distance between the tip and the sample constant, you have a second non-contact mode when scanning the sample Atomic force microscopy realized. The distance correction size is above the location as Topogra  Phyinformation written. With the help of computer technology, it is easy to correct this distance generate size-resolved images of the topography.

Neben den van der Waals Kräften hat man sich auch in jüngster Zeit die Wechselwirkung der Spitze mit elektrischen oder magnetischen Kräften zu Nutze gemacht, um zusätzliche Informationen, über magnetische, dielektrische oder ferroelektrische Domänen, Potentiale und lokalisierte Ladungen zu gewinnen. Hier sei beispielgebend auf den zusammenfassenden Artikel R. Lüthi u. a., Progress in Non-contact Dynamic Force Microscopy, J. Vac. Sci. Technol., 1994, Vol. B. 12, S. 1673 ff verwiesen.In addition to the van der Waals forces, the interaction of the Tip used with electrical or magnetic forces for additional information, about magnetic, dielectric or ferroelectric domains, potentials and localized charges to win. Here is an example of the summary article R. Lüthi u. a., Progress in Non-contact Dynamic Force Microscopy, J. Vac. Sci. Technol., 1994, Vol. B. 12, pp. 1673 ff.

Neben der Möglichkeit, zusätzliche Informationen aus der Wirkung magnetischer oder elektrischer Kräfte zu gewinnen, ist damit aber auch gleichzeitig das Problem gegeben, daß beim Vorliegen solcher Kräfte die eigentliche Topographie stark verfälscht werden kann, da sich diese Kräfte der atomaren Kraft überlagern. Die am Biegebalken befestigte Spitze reagiert auf alle Wechselwirkungskräfte (atomare, elektrische, magnetische usw.) zunächst unselektiv.In addition to the possibility of additional information from the effect of magnetic or electrical Gaining strength, however, is at the same time the problem that when such Forces the actual topography can be distorted because these forces are atomic Force overlay. The tip attached to the bending beam reacts to all interaction forces (atomic, electrical, magnetic, etc.) initially unselective.

Die Ladung auf der Probe kann man im RKM über ihre Kraftwechselwirkung auf die Spitze nachweisen: In der Publikation J.E. Stern u. a., Deposition and Imaginging of Localized Charge on Insulator Surfaces Using a Force Microscope, Appl. Phys. Lett., 188, Vol. 53, S. 2717, wird z. B. zunächst mit einem non-contact RKM die Topographie aufgezeichnet. Dann wird bei abgesenkter Spitze für 25 ms eine Spannung von 100 V an die Spitze gelegt und eine Ladung aufgebracht. Anschließend wird erneut die Kraftverteilung abgerastert. Aus dem Vergleich beider Kraftmessungen erhält man die Information über die zusätzliche Ladung. Durch Anlegen einer die vorhandene Aufladung modifizierenden Gleichspannung unterschiedlicher Polarität kann man am Zu- oder Abnehmen der Kraft außerdem die Polarität der Ladung bestimmen.The load on the sample can be pointed to the extreme in the RKM via its force interaction demonstrate: In the publication J.E. Star u. a., Deposition and Imaginging of Localized Charge on Insulator Surfaces Using a Force Microscope, Appl. Phys. Lett., 188, Vol. 53, p. 2717, e.g. B. First, the topography was recorded with a non-contact RKM. Then it is lowered A voltage of 100 V is applied to the tip for 25 ms and a charge is applied. The force distribution is then scanned again. From the comparison of both force measurements you get the information about the additional cargo. By creating an existing one Charging-modifying DC voltage of different polarity can be connected or disconnected Decreasing the force also determine the polarity of the charge.

Zwei weitere wichtige Methoden zur Bestimmung der Ladung auf Oberflächen mittels RKM sollen beschrieben werden: In der Publikation Weaver et al. (J.M.R. Weaver und D.W. Abraham, "High Resolution Atomic Force Microscopy Potentiometry", J. Vac. Sci. Technol. B9 (3) (1991), p. 1959) wird zwischen leitender Spitze und Probe eine sinusförmige Wechselspannung der Frequenz ωel angelegt. Daraus resultiert eine Schwingung des Biegebalkens mit der Frequenz 2ωel und bei Vorhandensein elektrischer Ladung im System zusätzlich der Frequenz ωel. Das Signal bei der Frequenz ωel wird durch Überlagern einer Gleichspannung zu Null geregelt (null-force method). Die Höhe der Gleichspannung und ihrer Polarität entspricht dann der Ladung auf der Oberfläche. Diese Methode basiert auf der Messung der elektrischen Kraftwechselwirkung (über die Schwingungsbewegung der Spitze) und liefert keine Information über die Topographie. Two further important methods for determining the charge on surfaces by means of RKM are to be described: In the publication Weaver et al. (JMR Weaver and DW Abraham, "High Resolution Atomic Force Microscopy Potentiometry", J. Vac. Sci. Technol. B9 (3) (1991), p. 1959), a sinusoidal AC voltage of frequency ω el is applied between the conductive tip and the sample . This results in an oscillation of the bending beam with the frequency 2ω el and, in the presence of electrical charge in the system, additionally with the frequency ω el . The signal at frequency ω el is regulated to zero by superimposing a DC voltage (null-force method). The level of the DC voltage and its polarity then corresponds to the charge on the surface. This method is based on the measurement of the electrical force interaction (via the oscillatory movement of the tip) and does not provide any information about the topography.

In der Publikation Said et al. (R.A. Said, M Mittal, G.E. Bridges und D.J. Thomson, "High Frequency Potential Probe using Electrostatic Force Microscopy", J. Vac. Sci. Technol. A 12 (4) (1994), p. 2591) wird die gleiche Methode wie bei Weaver et al. ergänzt durch eine mechanische Anregung der Spitze bei der Resonanzfrequenz ωmech, wie es in der konventionellen non-contact RKM üblich ist. Diese Methode basiert auf einer Messung der Kraftwechselwirkung (über die Schwingungsbewegung der Spitze) und ist in der Lage, sowohl Topographie als auch Ladungsverteilung zu messen. Die Kraftwechselwirkung wird beschrieben durch:In the publication Said et al. (RA Said, M Mittal, GE Bridges and DJ Thomson, "High Frequency Potential Probe using Electrostatic Force Microscopy", J. Vac. Sci. Technol. A 12 (4) (1994), p. 2591) uses the same method as in Weaver et al. supplemented by mechanical excitation of the tip at the resonance frequency ω mech , as is common in conventional non-contact RKM. This method is based on a measurement of the force interaction (via the oscillatory movement of the tip) and is able to measure both topography and charge distribution. The force interaction is described by:

Es sind:
Fz: Summe aller Kräfte in z-Richtung
z: Ortskoordinate, Abstand Spitze-Probe
VExt: Extern an das System angelegte Spannung
Ael: Extern gewählte Amplitude der Wechselspannung
t: Zeit
ωmech: Frequenz der mechanischen Schwingungsanregung
H: Hamaker-Konstante
C: Kapazität
Φ: Potential durch die Ladung auf der Oberfläche
ωel: Frequenz der angelegten Wechselspannung
Amech: Amplitude der Schwingung des Biegebalkens
Der erste Additionsterm beschreibt die Van-der-Waals-Wechselwirkung, der zweite Term beschreibt alle elektrischen Wechselwirkungskräfte und der Dritte beschreibt die mechanische Anregung.
There are:
F z : sum of all forces in the z direction
z: location coordinate, distance tip-sample
V Ext : External voltage applied to the system
A el : Externally selected amplitude of the AC voltage
t: time
ω mech : frequency of mechanical vibration excitation
H: Hamaker constant
C: capacity
Φ: potential due to the charge on the surface
ω el : frequency of the applied AC voltage
A mech : amplitude of the vibration of the bending beam
The first addition term describes the Van der Waals interaction, the second term describes all electrical interaction forces and the third term describes the mechanical excitation.

Im Resultat aller gleichzeitig auf die Spitze wirkenden Kräfte schwingt diese mit drei verschiedenen, sich überlagernden Frequenzen ωel, 2ωel und ωmech. Das Auftreten der Frequenz ωel enthält die Information über die Ladung und wird durch Überlagern einer Gleichspannung, solange bis die Amplitude der Frequenz ωel Null ist, gemessen. Dann läßt sich das System auf Konstanz der Amplitude der Frequenz ωmech regeln, womit man eine Topographieinformation erhält. Diese Methode liefert zwar die gewünschten Informationen, weist aber entscheidende Nachteile auf:As a result of all forces acting simultaneously on the tip, it vibrates with three different, overlapping frequencies ω el , 2ω el and ω mech . The occurrence of the frequency ω el contains the information about the charge and is measured by superimposing a DC voltage until the amplitude of the frequency ω el is zero. The system can then be controlled to maintain the amplitude of the frequency ω mech , with which topography information is obtained. While this method provides the information you want, it has major disadvantages:

  • - Die Methode ist aufwendig und kompliziert, da die Spitzenbewegung aus der Überlagerung dreier Frequenzen besteht. Aus diesen drei Frequenzen muß bei mit hoher Genauigkeit herausgefiltert werden. In der Publikation Said et al. wird auf dieses Problem direkt hingewiesen und als technische Lesung ein aufwendiges Heterodyn-Meßprinzip beschrieben. Diese Größe muß mit höchster Genauigkeit nahe Null detektiert werden, da die Regelbedingung Amplitude ωel = 0 ist. Ein Fehler wirkt sich sowohl bei Ladungsbestinimung als auch auf das Topographiesignal aus. - The method is complex and complicated because the tip movement consists of the superposition of three frequencies. These three frequencies have to be filtered out with high accuracy. In the publication Said et al. this problem is pointed out directly and a complex heterodyne measuring principle is described as a technical reading. This variable must be detected with the greatest accuracy close to zero, since the control condition is amplitude ω el = 0. An error affects both the charge determination and the topography signal.
  • - Da die Anregung mit ωel außerhalb des Resonanzbereichs des Biegebalkens bei ωmech erfolgt, ist die resultierende Spitzenbewegung klein und damit das System unempfindlich für die Ladungsmessung.- Since the excitation with ω el occurs outside the resonance range of the bending beam at ω mech , the resulting tip movement is small and the system is insensitive to the charge measurement.
  • - Die Anregung des Biegebalkens bei ωRes und zusätzliche Anregung mit einer weiteren Frequenz ωel außerhalb des Resonanzgebietes kann aber zu einem nichtlinearen Verhalten des schwingenden Systems führen, was Einfluß auf den sog. Q-Faktor (Quality factor) hat. Dieser darf sich aber während der Messung nicht ändern. Zusätzlich kann die Schwingungsanregung bei Frequenzen außerhalb des Resonanzgebietes wegen der Dämpfung zur Energiedissipation und damit zur Erwärmung des schwingenden Systems fuhren. Kleinste Änderungen der Geometrie fuhren bei der RKM zu dramatischen Fehlmessungen z. B. der Topographie und der Ladungsverteilung.- The excitation of the bending beam at ω Res and additional excitation with a further frequency ω el outside the resonance area can lead to non-linear behavior of the vibrating system, which has an influence on the so-called Q-factor (quality factor). However, this must not change during the measurement. In addition, the vibration excitation at frequencies outside the resonance area can lead to energy dissipation due to the damping and thus to the heating of the vibrating system. Even the smallest changes in geometry at the RKM lead to dramatic incorrect measurements. B. topography and charge distribution.

Besonders bei der Rasterkraftmikroskopie an isolierenden Proben, wie z. B. Kunststoffen, hat sich bei unseren Messungen herausgestellt, daß diese sehr oft von vornherein eine Aufladung tragen. Diese kann mitunter so hoch sein, daß die Coulomb-Kräfte die eigentlich interessierenden Van-der-Waals-Kräfte (Topographie-Information) vollständig maskiert. Im praktischen Arbeiten zeigt sich das im Extremfall darin, daß eine Annäherung auf den kritischen, zur Topographiemessung notwendigen, Abstand unmöglich wird. Durch die Dominanz der Coulomb-Kräfte setzt die Regelung bereits in einer so großen Entfernung zwischen Spitze und Probe, eventuell nur kurzfristig, ein, daß der Anteil der Van-der-Waals-Kräfte und damit die Topographie-Information nicht mehr gemessen werden kann. Alle Versuche, die Proben vor der Messung gleichmäßig zu entladen und das Problem somit zu umgehen, erbringen in der Regel keine befriedigenden Resultate oder beeinflussen nachhaltig die Struktur der Oberfläche.Especially in atomic force microscopy on insulating samples, such as. B. plastics has in our measurements it was found that they very often carry a charge right from the start. This can sometimes be so high that the Coulomb forces actually interest the Van der Waals forces (Topography information) completely masked. This is shown in practical work in the Extreme case in that an approximation to the critical, necessary for topography measurement, Distance becomes impossible. Due to the dominance of the Coulomb forces, the regulation already sets in one such a large distance between the tip and the sample, possibly only for a short time, that the proportion of the Van der Waals forces and therefore the topography information can no longer be measured. All Try to unload the samples evenly before the measurement to avoid the problem, generally do not produce satisfactory results or have a lasting effect on the structure of the Surface.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, das bei Proben mit elektrischen Aufladungen unverfälschte Topographiemessungen ermöglicht, wobei als Zusatzinformation zur Topographie mit hoher Genauigkeit die Höhe und Polarität der Ladung als Ortsbild gleichzeitig mit ausgewertet werden können. The invention has for its object to a simple device and a method create the unadulterated topography measurements for samples with electrical charges enables the height and polarity as additional information to the topography with high accuracy the charge can be evaluated as a location at the same time.  

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein klassisches non-contact RKM mit schwingender, elektrisch leitfähiger Spitze und einer auf einem elektrisch leitfähigen Träger montierten Probe mit einem Wechselstrom- oder Wechselspannungsmeßgerät, mit dem Amplitude oder Amplitude und Phasenlage oder Real- und Imaginärteil gemessen werden können, derart erweitert wird, daß das zwischen Spitze und Probenträger ein Wechselstrom- oder Wechselspannungssignal abgegriffen und gemessen werden kann (Bild 1).According to the invention, this object is achieved in that a classic non-contact RKM with a vibrating, electrically conductive tip and a sample mounted on an electrically conductive carrier is measured with an alternating current or alternating voltage measuring device with which amplitude or amplitude and phase position or real and imaginary parts are measured can be expanded in such a way that an alternating current or alternating voltage signal can be tapped and measured between the tip and the sample carrier ( Figure 1).

Im Folgenden soll die erfindungsgemäße Ausgestaltung detailliert beschrieben werden:The configuration according to the invention is to be described in detail below:

Das RKM wird mit einer elektrisch leitenden oder elektrisch leitend überzogenen Meßspitze (Bild 1, Zif. 1) versehen. Diese befindet sich an einem elektrisch leitenden oder einem elektrisch leitend überzogenem Biegebalken (Bild 1, Zif. 2). An diesem Biegebalken wird der Kontakt zur Spitze bis an die Basis des Biegebalkens geführt, so daß hier die Spitze ankontaktiert werden kann (Bild 1, Zif. 3). Die Probe (Bild 1, Zif. 4) befindet sich auf einem elektrisch leitenden Probenträger (Bild 1, Zif. 5), der ebenfalls ankontaktiert werden kann (Bild 1, Zif. 6). Diese dem Stand der Technik entsprechende Anordnung wird durch die erfindungsgemäße Beschaltung mit einem Wechselstrom- oder Wechselspannungsmeßgerät (Bild 1, Zif. 7) so erweitert, daß dieses Meßgerät mit dem einen Pol (Bild 1, Zif. 3) Kontakt zur leitenden Spitze und mit dem anderen Pol (Bild 1, Zif. 6) Kontakt zum leitenden Probenträger hat.The RKM is provided with an electrically conductive or electrically conductive measuring tip ( Fig . 1, point 1 ). This is located on an electrically conductive or an electrically conductively coated bending beam ( Fig. 1, No. 2 ). On this bending beam, the contact to the tip is led to the base of the bending beam, so that the tip can be contacted here ( Fig. 1, point 3 ). The sample ( Figure 1, Item 4 ) is located on an electrically conductive sample carrier ( Figure 1, Item 5 ), which can also be contacted ( Figure 1, Item 6 ). This prior art arrangement is extended so the inventive circuit with an AC or Wechselspannungsmeßgerät (Figure 1, Zif. 7), in that this measuring device to the one pole (Figure 1, Zif. 3) contact to the conductive tip, and with the other pole ( Fig. 1, No. 6 ) is in contact with the conductive sample holder.

Man erreicht durch das Verbinden von Spitze und Probenträger über ein Wechselstrom- oder Wechselspannungsmeßgerät, daß beim Vorhandensein elektrischer Ladungen in oder auf der Probe, über denen sich ein Leiter bewegt, d. h. in diesem Fall die vibrierende Spitze über der aufgeladenen Probe, daß die im Leiter (Spitze) influenzierten Bildladungen in Form der freiwerdenden Kompensa­ tionsladungen gemessen werden können. Die freien Kompensationsladungen führen bei hochohmigem Meßabgriff zum Auftreten einer Spannung, bei niederohmigem Abgriff zum Auftreten eines Stromes in dem äußeren Kreis. Tritt demnach beim Annähern der Spitze an die Probe an dem erfindungs­ gemäßen Meßabgriff ein Wechselspannungs- oder ein Wechselstromsignal auf, so muß sich die Spitze über einem aufgeladenen Bereich befinden, weswegen die Topographiemessung auf jeden Fall verfälscht wird. Die Höhe des Signals im äußeren Meßkreis ist von der Höhe der Aufladung, vom mittleren Abstand der Spitze und von der Schwingamplitude der Spitze abhängig. Sind Abstand und Schwingamplitude bekannt, kann unmittelbar auf die Höhe der Aufladung geschlossen werden. Da insbesondere der Abstand von Probe zu Spitze aber nicht bekannt sein wird, hat man keinen direkten Zugang zur Ladungsmenge, so daß man auch nicht auf den Anteil der elektrischen Kraft an der Gesamtkraft zurückrechnen kann. It is achieved by connecting the tip and sample holder via an AC or AC voltage measuring device that in the presence of electrical charges in or on the sample, over which a ladder moves, d. H. in this case the vibrating tip over the charged one Sample that the image charges influenced in the conductor (tip) in the form of the released compensa tion charges can be measured. The free compensation charges lead to high impedance Measuring tap for the occurrence of a voltage, with low-resistance tap for the occurrence of a current in the outer circle. Accordingly occurs when the tip approaches the sample on the invention according to measuring tap an AC voltage or an AC signal, the tip must located above a charged area, which is why the topography measurement is definitely is falsified. The level of the signal in the outer measuring circuit is dependent on the level of the charge average distance between the tip and the oscillation amplitude of the tip. Are distance and Known vibration amplitude, the level of the charge can be deduced directly. There in particular the distance from sample to tip, however, is not known, there is no direct one Access to the amount of charge, so that one does not rely on the share of electrical power in the Can calculate back total force.  

Das Vorhandensein einer Ladung läßt sich in jedem System auf gleiche Art und Weise messen, in dem sich ein Abstand zwischen Leiter und Probe ändert. Beispielsweise gilt dies für das optische Rasternahfeldmikroskop (SNOM), bei dem eine Lichtleitfaser mit feiner Spitze (Bild 2, Zif. 8), die einen leitenden Überzug trägt (Bild 2, Zif. 9) bogenförmig in geringem Abstand über der Probenober­ fläche schwingt. Denkbar ist ebenfalls eine Variante, bei der die Abstandsänderung durch einen zweiten, unabhängigen Höhenversteller (Bild 3, Zif. 10) realisiert wird.The presence of a charge can be measured in the same way in any system by changing the distance between the conductor and the sample. For example, this applies to the optical scanning near-field microscope (SNOM), in which an optical fiber with a fine tip ( Figure 2, Item 8 ), which carries a conductive coating ( Figure 2, Item 9 ), swings in an arc at a short distance above the sample surface. A variant is also conceivable in which the distance change is implemented by a second, independent height adjuster ( Figure 3, Item 10 ).

Da das Auftreten des Meßsignals im äußeren Kreis allein das Vorhandensein einer elektrischen Aufladung anzeigt, wird in der Ausgestaltung der Erfindung das Problem der durch die Aufladung unverfälschten Topographiemessung gelöst:Since the occurrence of the measurement signal in the outer circle alone the presence of an electrical Charging indicates, in the embodiment of the invention, the problem of charging Undistorted topography measurement solved:

Erfindungsgemäß wird ein phasenempfindlicher Spannungs- oder Strommesser (Bild 4, Zif. 7) eingesetzt, dessen Phasenlage mit der Vibration der Spitze über den Schwingungsgeber (Bild 4, Zif. 11) für den Vibrationsgeber (in der Regel ein Piezoelement, Bild 4, Zif. 23) oder der Meßeinrichtung für die Schwingungsamplitude korreliert wird (z. B. über Trigger- oder lock-in-Prinzip, Bild 4, Zif. 12). Hier kann man auf handelsübliche Strom- oder Spannungsmesser (Bild 4, Zif. 7), wie z. B. Impedanz­ analyzer, Gain-Phase-Analyzer oder Leck-In-Verstärker, zurückgreifen. Aus dem Vorzeichen der Spannung oder der Richtung des Stroms beim Annähern oder Entfernen der Spitze infolge der Vibration kann die Polarität der Aufladung abgeleitet werden. Damit hat man die Möglichkeit, in einem Verfahrensschritt durch Überlagerung einer in den äußeren Meßkreis (Anschluß für die Spitze: Bild 4, Zif. 13, Anschluß für die Probe: Bild 4, Zif. 14) eingespeisten Spannung (Spannungsgeber: Bild 4, Zif. 15) zwischen Spitze und Probe die Ladungsdifferenz zwischen Spitze und Probe und damit die elektrische Kraft zu verringern. Die Abnahme der Influenzwirkung kann man an der Reduzierung des Strom- oder Spannungssignals (Abgriffe: Amplitude (Bild 4, Zif. 16) und Phasenlage (Bild 4, Zif. 17) oder Realteilamplitude (Bild 4, Zif. 16) und Imaginärteilamplitude (Bild 4, Zif. 17) verfolgen. Dabei ist bei der Auswahl der Gerätekomponenten für den Strom- oder Spannungsmesser (Bild 4, Zif. 7) und den Spannungsgeber (Bild 4, Zif. 15) oder durch dem Stand der Technik gemäße schaltungstechnische Maßnahmen darauf zu achten, daß Strom- oder Spannungsmesser nicht über den Spannungsgeber kurzgeschlossen werden, damit die Meßgröße Wechselstrom oder Wechselspannung unverfälscht gemessen werden kann. Im einfachsten Fall genügt ein hochohmiger Reihenwiderstand.According to the invention, a phase-sensitive voltage or current meter ( Figure 4, Item 7 ) is used, the phase position of which with the vibration of the tip via the vibration transmitter ( Figure 4, Item 11 ) for the vibration transmitter (usually a piezo element, Figure 4, Item 7 ) . 23 ) or the measuring device for the oscillation amplitude is correlated (e.g. via trigger or lock-in principle, Figure 4, Item 12 ). Here you can use commercially available ammeters or voltmeters ( Fig. 4, No. 7 ), such as. B. Impedance analyzer, gain phase analyzer or leak-in amplifier. The polarity of the charge can be derived from the sign of the voltage or the direction of the current as the tip approaches or is removed due to the vibration. Thus, one has the possibility, in one process step by superimposing a in the external measuring circuit (connection for the tip: Figure 4, Zif 13, connection for the sample. Figure 4, Zif. 14) fed voltage (voltage generator: Figure 4, Zif 15 ) to reduce the charge difference between tip and sample and thus the electrical force. The decrease in induction effect can be to reduce the current or voltage signal (taps: amplitude (Figure 4, Zif 16) and phase (Figure 4, Zif 17) or real part of amplitude (Figure 4, Zif 16) and Imaginärteilamplitude (fig... 4, item 17 ) when selecting the device components for the current or voltage meter ( Figure 4, Item 7 ) and the voltage transmitter ( Figure 4, Item 15 ) or by means of circuitry measures based on the state of the art Make sure that the current or voltage meter is not short-circuited via the voltage sensor so that the measured variable alternating current or alternating voltage can be measured in an unadulterated manner. In the simplest case, a high-resistance series resistor is sufficient.

Wegen der nunmehr verringerten elektrischen Kraft kann man beginnen, unter Verwendung des Höhenverstellers, z. B. eines Piezoelementes (Bild 4, Zif. 18), angesteuert von einem Abstandsregler (Bild 4, Zif. 19), das bei einem Abrastern der Probe die Abstandskonstanz ermöglicht (Topographiesi­ gnal, auslesbar an einem Abgriff Bild 4, Zif. 22), die Spitze weiter annähern. In einem nächsten Schritt wird die angelegte Spannung weiter erhöht, die elektrische Kraft verringert sich weiter, die Spitze kann weiter angenähert werden, wodurch das elektrische Signal wieder größer wird und daher genauer gemessen werden kann. Dabei kann es sinnvoll sein, Ausmaß und Geschwindigkeit der Annäherung der Spitze durch den Abstandsregler (Bild 4, Zif. 19) von der Höhe des Spannungs- oder Stromsignals (Regelsignal: Bild 4, Zif. 24) abhängig zu machen, um der Gefahr des Aufsetzens zu entgehen. Schließlich erreicht man den Zustand, daß das Strom- oder Spannungssignal (Bild 4, Zif. 16 u. 17) Null wird, weil die von der an den Anschlüssen für Spitze und Proben (Bild 4, Zif. 13 u. 14) angelegten Spannung hervorgerufene Ladung an der Spitze der Ladung auf der Probe entspricht, d. h. der feldfreie Zustand erreicht ist und keine Influenzwirkung mehr auftritt. Die Spitze wird jetzt nur noch durch die Kräfte, die keine Ladung als Ursache haben, wie beim klassischen RKM beeinflußt, so daß trotz elektrischer Aufladung die Topographie sicher und fehlerfrei gemessen werden kann. Vorzeichen und Höhe der angelegten Spannung (Bild 4, Zif. 21) enthalten zudem die Information über Vorzeichen und Höhe der auf der Probe befindlichen Aufladung. Da die Aufladung nicht homogen sein muß, bietet es sich an, Vorzeichen und Wert der angelegten Spannung (Bild 4, Zif. 21) und den Abstandswert (Bild 4, Zif. 22) an jedem Ort zu registrieren und zusätzlich zur Bildgebung zu verwenden.Because of the now reduced electrical force, one can start using the height adjuster, e.g. For example, a piezoelectric element (Figure 4, Zif. 18), driven by a distance controller (Figure 4, Zif. 19) with a scanning of the sample, the distance constant allows (Topographiesi gnal, read out at a tap Image 4, Zif. 22) to bring the tip closer. In a next step, the applied voltage is further increased, the electrical force continues to decrease, the tip can be approximated further, as a result of which the electrical signal becomes larger again and can therefore be measured more precisely. It may make sense to make the extent and speed of the approach of the tip by the distance controller ( Figure 4, Item 19 ) dependent on the level of the voltage or current signal (control signal: Figure 4, Item 24 ) to avoid the risk of Escaping touchdown. Finally, the condition is reached that the current or voltage signal ( Fig. 4, Nos. 16 and 17 ) becomes zero because of the voltage applied to the connections for tips and samples ( Fig. 4, Nos. 13 and 14 ) The charge generated at the tip corresponds to the charge on the sample, ie the field-free state has been reached and there is no longer any influential effect. The tip is now only influenced by the forces that have no charge as a cause, as in the classic RKM, so that the topography can be measured safely and without errors despite electrical charging. The sign and amount of the applied voltage ( Figure 4, Item 21 ) also contain information about the sign and amount of the charge on the sample. Since the charge does not have to be homogeneous, it is advisable to register the sign and value of the applied voltage ( Figure 4, Item 21 ) and the distance value ( Figure 4, Item 22 ) at any location and also use it for imaging.

Diese Verfahrensschritte werden für jeden einzelnen Ort durchgeführt. Es bietet sich natürlich an, durch geeignete elektronische Schaltungen das Vorzeichen und die Höhe der eingespeisten Spannung so zu regeln, daß der Nullpunkt des influenzierten Spannungs- oder Stromsignals (Bild 4, Zif. 21) automatisch erreicht wird. In einem zweiten Regelkreis kann in Abhängigkeit vom verbleibenden Signal (Regelsignal: Bild 4, Zif. 20) eine weitere Absenkung der Meßspitze erfolgen, bis schließlich bei Ausregelung des Spannungs- oder Stromsignals auf Null die Einregelung auf eine für die Topographie­ messungen voreingestellte atomare Wechselwirkungskraft erfolgen kann. Die Nachführgröße der Verstellung in z-Richtung (Bild 4, Zif. 22) für die Probe sowie Vorzeichen und Wert der angelegten Spannung werden für jeden Ort gespeichert und wie beim RKM üblich zur Generierung eines Ortsbildes verwendet. Neben dem Topographiebild entsteht somit auch ein Bild der Aufladungen.These process steps are carried out for each individual location. Of course, it is advisable to regulate the sign and the level of the voltage fed in by suitable electronic circuits so that the zero point of the influenced voltage or current signal ( Figure 4, Item 21 ) is automatically reached. In a second control loop, depending on the remaining signal (control signal: Figure 4, item 20 ), the measuring tip can be further lowered until finally, when the voltage or current signal is adjusted to zero, the adjustment to an atomic interaction force preset for topography measurements takes place can. The tracking variable of the adjustment in the z direction ( Figure 4, Item 22 ) for the sample as well as the sign and value of the applied voltage are saved for each location and, as is usual with the RKM, used to generate a location image. In addition to the topography image, an image of the charges is also created.

Für orientierende Messungen, die bei höheren Rastergeschwindigkeiten durchgeführt werden können, bietet es sich an, auf die Nullregelung des Spannungs- oder Stromsignals zu verzichten, sondern bei konstant geregelter Schwingamplitude direkt die Amplitude oder besser noch Amplitude und Phasenlage über dem Ort zu registrieren (Bild 4, Zif. 16 u. 17). Man erhält darin ein Übersichtsbild der Höhe und des Vorzeichens der Aufladung. Besonders bei Aufladungen, deren elektrische Kraft die atomare Kraft wesentlich übersteigt, kann man so auf vereinfachtem Wege ein weitgehend authentisches Bild der Aufladung gewinnen.For orientative measurements that can be carried out at higher grid speeds, it is advisable to do without zeroing the voltage or current signal, but instead to register the amplitude or, better still, the amplitude and phase position above the location with a constantly controlled vibration amplitude ( Figure 4 , Items 16 and 17 ). It gives an overview of the amount and the sign of the charge. Particularly in the case of charges whose electrical force significantly exceeds the atomic force, a largely authentic picture of the charge can be obtained in a simplified manner.

Claims (13)

1. Nicht kontaktierendes, die Oberfläche abrasterndes Sondenmikroskop mit variierendem Abstand zwischen elektrisch leitender Sonde und Probenoberfläche, wobei sich die Probe auf einem leitenden Probenträger befindet, sowie herausgeführten elektrischen Kontakten zu Spitze und Probenträger gekennzeichnet dadurch, daß an die herausgeführten Kontakte von Spitze und Probenträger ein Spannungs-oder Strom-Meßgerät, vorzugsweise einWechselspannungs- oderWechselstrom-Meßgerät, angeschlossen ist.1. Non-contacting, surface-scanning probe microscope with a varying distance between the electrically conductive probe and the sample surface, the sample being on a conductive sample carrier, and electrical contacts leading out to the tip and sample carrier, characterized in that the contacts of the tip and the sample carrier lead out Voltage or current measuring device, preferably an AC voltage or AC measuring device, is connected. 2. Sondenmikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstandsvariation wie beim Rasterkraftmikroskop durch eine an einem schwingenden Biegebalken befindliche Spitze realisiert wird.2. Probe microscope according to claim 1, characterized in that the distance variation as in Atomic force microscope is realized by a tip located on a vibrating bending beam. 3. Sondenmikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstandsvariation wie beim optischen Rasternahfeldmikroskop durch eine bogenförmig schwingende, metallisierte Lichtleitfaser mit feiner Spitze realisiert wird.3. probe microscope according to claim 1, characterized in that the distance variation as in optical scanning near-field microscope with an arc-shaped, metallized optical fiber fine tip is realized. 4. Sondenmikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Abstandsvariation von einem schwingenden Probenträger realisiert wird.4. Probe microscope according to claim 1, characterized in that the distance variation of one vibrating sample carrier is realized. 5. Sondenmikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Wechselspannungs- oder Wechselstrom-Meßgerät neben Amplitude auch die Phasenlage von Spannung oder Strom in Bezug auf die Schwingungsbewegung der Spitze registrieren kann, so daß auf die Polarität einer vorhandenen Aufladung auf der Probe geschlossen werden kann.5. Probe microscope according to claim 1, characterized in that the alternating voltage or In addition to amplitude, AC measuring device also relates to the phase relationship of voltage or current the vibration movement of the tip can register so that the polarity of an existing one Charging on the sample can be closed. 6. Sondenmikroskop nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß ausgehend von der ermittelten Polarität der Aufladung das System aus Probe und Spitze durch Zuführen einer regelbaren Gleichspannung so aufgeladen wird, daß sich die Wechselspannungs- oder Wechselstromamplitude verkleinert und schließlich zu Null wird und diese Gleichspannung registriert wird.6. probe microscope according to claim 5, characterized in that starting from the determined Polarity of charging the sample and tip system by feeding an adjustable DC voltage is charged so that the AC voltage or AC amplitude reduced and finally becomes zero and this DC voltage is registered. 7. Sondenmikroskop nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Auswahl der Gerätekom­ ponenten für die Strom- oder Spannungs-Meßgeräte und den Spannungsgeber oder durch dem Stand der Technik gemäße schaltungstechnische Maßnahmen gegeben ist, daß Strom- oder Spannungs-Meß­ geräte nicht über den Spannungsgeber kurzgeschlossen werden resp. die Strom- oder Spannungs-Meß­ geräte die angelegte Gleichspannung nicht verfälschen. 7. probe microscope according to claim 6, characterized in that when selecting the device com components for the current or voltage measuring devices and the voltage transmitter or by the stand Technically appropriate circuit measures are given that current or voltage measurement devices are not short-circuited via the voltage transmitter or the current or voltage measurement devices do not falsify the applied DC voltage.   8. Sondenmikroskop nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Vorgang des Regelns der Spannung bis die Wechselspannungs- oder Wechselstromamplitude Null sind, durch eine geeignete elektronische Schaltung automatisch erfolgt.8. Probe microscope according to claim 6, characterized in that the process of regulating the Voltage until the AC voltage or AC amplitude is zero by a suitable one electronic switching takes place automatically. 9. Sondenmikroskop nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß im Laufe der Reduzierung der Wechselspannungs- oder Wechselstromamplitude und damit der elektrischen Kraftwirkung der Abstand der Spitze verringert wird und im Falle der Erfüllung der Bedingung "Wechselsprungs- oder Wechselstromamplitude sind Null" der Abstand der Spitze gespeichert und als unverfälschte Topographieinformation zur Bildgenerierung herangezogen wird.9. probe microscope according to claim 6, characterized in that in the course of the reduction of AC voltage or alternating current amplitude and thus the electrical force effect of the distance the peak is reduced and in case of meeting the condition "alternate or AC amplitudes are zero "the distance of the tip and stored as pristine Topography information is used for image generation. 10. Sondenmikroskop nach Anspruch 1, 6 und 9, gekennzeichnet dadurch, daß bei einem Rastervor­ gang gleichzeitig Topographie sowie Menge und Polarität einer Aufladung registriert, gespeichert und zu Generierung getrennter oder miteinander kombinierter Bilder herangezogen werden.10. Probe microscope according to claim 1, 6 and 9, characterized in that at a raster topography as well as quantity and polarity of a charge are registered, stored and can be used to generate separate or combined images. 11. Sondenmikroskop nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Spitze soweit angenähert wird, bis eine voreinstellbare atomare Kraft erreicht wird und dieser Abstand als Information ausgegeben und abgespeichert wird.11. Probe microscope according to claim 9, characterized in that the tip approximates as far until a presettable atomic force is reached and this distance as information is output and saved. 12. Sondenmikroskop nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, daß das Nachführen des Spitzen­ abstands in Abhängigkeit von der Höhe vermittels einer geeigneten elektronischen Schaltung automatisch erfolgt.12. Probe microscope according to claim 9, characterized in that the tracking of the tips distance depending on the height by means of a suitable electronic circuit done automatically. 13. Sondenmikroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß auch bei nur grob konstant gehaltener Schwingamplitude der Spitze beim Abrastern die Wechselspannungs- oder Wechselstromam­ plitude oder zusätzlich auch die Phasenlage in Bezug auf die Spitzenbewegung ausgewertet, gespeichert und zur Bildgenerierung herangezogen werden.13. Probe microscope according to claim 1, characterized in that even at only roughly constant held swing amplitude of the tip when scanning the AC voltage or AC current plitude or additionally also evaluated the phase position in relation to the tip movement, stored and be used for image generation.
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