DE69632691T2

DE69632691T2 - Flacher abtasttisch für rastersonden-mikroskopie

Info

Publication number: DE69632691T2
Application number: DE69632691T
Authority: DE
Inventors: Klony Lieberman; Aaron Lewis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1996-11-27
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2016-11-28
Also published as: EP0864181B1; EP0864181A1; DE69632691D1; EP0864181A4; WO1997020354A1; US5705878A; JP2000501500A; JP4014054B2

Description

Gebiet der Erfindung
Eine neuartig aufgebaute, piezoelektrische Abtastvorrichtung vereinigt das X-, Y- und Z-Abtasten in einem flachen Abtasttisch bzw. Objektträger mit einer Höhe von unter 7 mm. Mit dieser Vorrichtung können Abtastbereiche von mehr als 30 Mikrometer zusammen mit axialen Positionierungsmöglichkeiten von 30 Mikrometer erreicht werden. Der Abtasttisch ermöglicht außerdem die inertiale Translation einer Probe über viele Millimeter. Die flache Bauweise eignet sich besonders gut für die optische Nahfeld-Rastermikroskopie und für die Arbeit in Verbindung mit anderen optischen Mikroskopieverfahren wie der konfokalen Lichtmikroskopie.
Technischer Hintergrund
Der Abtasttisch ist das Herzstück aller Rastersondenmikroskope (RSM) (D. Sarid, Scanning Force Microscopy, Oxford University Press, New York). Die exakten Bewegungen, die für RSM-Instrumente erforderlich sind, um entweder eine Probe oder eine spezielle Spitze, die als Bildgebungselement dient, zu bewegen, verlangen über viele Mikrometer eine Genauigkeit im Angström-Bereich und erfordern die Verwendung von piezoelektrischen Materialien. Diese Materialien dehnen sich aus oder ziehen sich zusammen, wenn sie mit einem elektrischen Feld beaufschlagt werden, und sie werden kommen allgemein für die Feinpositionierung von kleinen Komponenten zum Einsatz.
Mit bekannten piezoelektrischen Materialien ist eine Vielfalt von Abtasttechniken entwickelt worden, jedoch bei allen nachstehend beschriebenen Verfahren ist es besonders problematisch, das Objektiv eines Hochleistungsmikroskops direkt unter oder über einer Probe in Stellung zu bringen, um sowohl die Probe zu betrachten als auch – im Fall der Untersuchung von optischen Emissionen oder Absorptionen – Licht aus der Spitzen-/Proben-Wechselwirkungsregion aufzufangen.
Stand der Technik
Das erste Rastertunnelmikroskop (RTM) beruhte auf drei separaten, orthogonal piezoelektrischen Positioniereinrichtungen für die X-, Y- und Z-Translation (D. Sarid, Scanning Force Microscopy, Oxford University Press, New York). Ihm folgte rasch der Einzelröhrenabtaster, der von Binning und Smith entwickelt wurde (D. Sarid, Scanning Force Microscopy, Oxford University Press, New York), und der ein X-Y-Abtasten und ein Z-Positionieren mit einem einzigen Element ermöglichte. Dieses Element besteht aus einer einzelnen piezoelektrischen Röhre, in der die äußere Elektrode in vier gleiche Quadranten aufgeteilt ist, wie in 1 dargestellt. Eine positive Spannung, die an einen Quadranten angelegt wird, resultiert in einer Längenzunahme der Röhre auf einer Seite, während eine negative Spannung von gleicher Größe, die am gegenüberliegenden Quadranten angelegt wird, eine Verkürzung des entsprechenden Quadranten bewirkt, wobei das Ergebnis eine Verbiegung der Röhre ist. Diese Verbiegung ist bedeutend größer als die axiale Dehnung der Röhre. Dieser Röhrenabtaster ist in der einen oder anderen Form bis hetzte in allen Rastersondenmikroskopen erhalten geblieben. Kurze Röhren können mehrere Mikrometer abtasten, während größere Röhren Abtastbereiche von bis zu 75–100 Mikrometer bereitstellen können.
Ein weiterer Fortschritt war die Einführung des Dreibein-Scanners von Besocke (K. Besocke, Surface Science 181, 145 (1987) und Vereinigte Staaten Patent Nr. 4,785, 177, ausgegeben am 15. November 1988).
In diesem Aufbau werden drei identische, in Quadranten aufgeteilte Röhrenabtaster gemeinsam verwendet, wobei die Probe auf den Röhren liegt. Dies ermöglicht es, eine Probe auf herkömmliche Weise abzutasten, und weist das zusätzliche Merkmal auf, dass es möglich ist, anhand eines inertialen Translationsverfahrens eine Grobpositionierung der Probe über einen sehr großen Bereich durchzuführen. Diese inertiale Translation wird dadurch erreicht, dass man die drei Röhren sich langsam zu einer Seite biegen und dann in einem einzigen Ruck rasch zurück zu deren Anfangsstellung aufrichten lässt. Auf Grund ihrer Trägheit verharrt die Probe an Ort und Stelle, wenn die Röhren zurückschnellen, wobei das Endergebnis eine seitliche Translation der Probe ist. Die Translation kann in entweder der X- oder der Y-Richtung vorliegen und wird lediglich von den Maßen der Probe selbst begrenzt. Das eigentliche Biegen der Röhre wird einfach durch das Anlegen einer Sägezahnspannung an die Piezos erreicht. Zusätzlich zur Translation kann auch eine axiale Grobpositionierung erreicht werden, wenn man die Probe auf einer geeigneten Halterung anordnet und sich die inertiale Drehung zunutze macht.
Der größte Nachteil dieser Einfach- und Dreifach-Röhrenkonstruktionen ist die große axiale Ausdehnung der Abtasteinrichtung. Die Weitbereich-Abtaströhren, die in den heutigen RTM- und AFM-Systemen verwendet werden, können eine Ausdehnung von mehreren Zentimetern (Zoll) aufweisen (D. Sarid, Scanning Force Microscopy, Oxford University Press, New York). Diese Einschränkung bedeutet, dass die ganze Untersuchungsoptik an einer Seite der Probe angeordnet wird, wobei der Bereich auf der anderen Seite nur für den Abtastmechanismus zur Verfügung steht. Dies war besonders bei der optischen Nahfeld-Rastermikroskopie („Near-Field Scanning Optical Microscopy", United States Patent Nr. 4,917,462, ausgegeben am 17. Apr 1990) problematisch, wo es gewünscht ist, das Objektiv eines Hochleistungsmikroskops direkt unter oder über einer Probe anzuordnen, um sowohl das Probenstück zu betrachten als auch die optischen Nahfeldemissionen aufzufangen. Um dieses Problem zu umgehen, mussten. eine Anzahl von ausgeklügelten Lösungen gefunden werden. Eine Option war, die Spitze abzutasten, und nicht die Probe (A. Lewis und K. Lieberman, Nature 354, 214 (1991)). Dies kann zu Abbildungsartefakten führen und zerstört die axiale Symmetrie des optischen Systems, wobei dies unerwünscht ist. Andere Optionen beinhalten die komplette Anordnung des Objektivs in einer einzigen Röhre mit großem Durchmesser oder im Zentrum eines Dreibeinabtasters. Beide dieser Verfahren machen das Wechseln der Objektive schwierig oder unmöglich. Eine letzte Möglichkeit besteht darin, die Probe über den Rand eines Röhrenabtasters, der neben dem Objektiv angeordnet ist, vorkragen zu lassen, wobei dies jedoch ernsthafte Probleme bezüglich einer mechanischen Instabilität verursachen kann.
Das US-Patent 5,281,884 A offenbart eine Photonenvorrichtung mit einem beweglichen Objektträger, der von Federn unterstützt wird, die durch das Einstellen von Schrauben kontaktiert werden, wobei diese Schrauben durch piezoelektrische Vorrichtungen ersetzt werden können. Dieser Objektträger ist jedoch nur in der X-Y-Ebene einstellbar und die piezoelektrischen Vorrichtungen lassen sich nicht biegen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die hierin beschriebene Vorrichtung liefert eine ideale Lösung für die vorstehend genannten Probleme, und zwar durch Ermöglichen eines Abtastens in drei orthogonalen Richtungen in einer dünnen, flachen Baueinheit, die so klein sein kann, dass sie nur noch einige Millimeter hoch ist. Die vorliegende Vorrichtung ist auch für die konfokale Abtasttisch-Lichtmikroskopie vollkommen geeignet. Die ihr eigenen axialen Positioniermöglichkeiten stellen einen Mechanismus für das optische Slicen einer Probe in der Z-Richtung bereit, während diese durch den konfokalen Spot abgetastet wird.
Somit besteht die vorliegende Erfindung aus einem Verfahren und einer Vorrichtung für ein dreidimensionales Weitbereich-Abtasten in einer flachen Struktur, die so klein sein kann, dass sie nur noch einige Millimeter hoch ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden und zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachstehenden, detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Zusammenhang mit den zugehörigen Figuren deutlich hervor, worin:
1 einen piezoelektrischen Einzelröhrenabtaster offenbart;
2 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen, piezoelektrischen Flachtischabtaster ist;
3 eine vergrößerte Ansicht eines Probenpositioniermittels ist, das im Abtaster der 2 verwendet wird, und
4 eine vergrößerte, schematische Perspektivenansicht eines flexiblen Verbindungsgelenks ist, das im Abtaster der 2 zwischen einer piezoelektrischen Röhre und einem Probenrahmen verwendet wird.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt die Lösung für die oben umrissenen Probleme der herkömmlichen, piezoelektrischen Abtaster darin, sich die Fähigkeiten der in 1 dargestellten Piezoröhrenabtaster 10 in einer flachen Geometrie zunutze zu machen. Der flache Abtaster der Erfindung ist schematisch mit Ziffer 12 in 2 dargestellt. Vier gleiche Quadrantenabtaster 14, 15, 16 und 17 werden verwendet, um eine Probe auf einem zentralen Objektträger oder einer zentralen Halterung 20 zu tragen und das Abtasten zu besorgen. Jede der Röhren 14–17 ist an einem Ende jeweils von einem entsprechenden starren Verbinder 22–25 an einem Chassis 28 stationär befestigt und am anderen Ende jeweils über vier dünne, flache, flexible Verbinder 32–35 an einem Abtastrahmen angebracht. Diese Verbinder sind starr, wenn Kräfte in den beiden Richtungen (X, Y) wirken, welche die Verbinderebene bilden, aber biegen sich ohne weiteres in der (Z)-Richtung, der Normalen zu ihren Oberflächen. Drei kleine Kugeln 38–40 sind in die Oberseite eines Abtastrahmens 30 eingebettet und stellen eine Basis für die Probenhalterung 20 bereit, die auf den kleinen Kugeln angeordnet wird. Eine optionale Ergänzung sind drei kleine Magneten 42, die an dem Abtastrahmen angeordnet werden, um die Probenhalterung an ihrem Platz zu halten.
Eine wichtige Komponente im vorstehend beschriebenen Abtaster sind die flexiblen Verbinder 32–35, welche die piezoelektrischen Röhrenabtaster 14–17 am Abtastrahmen befestigen. Einer dieser Verbinder ist in 4 mit denselben Bezugszeichen vergrößert dargestellt, wie sie in 2 beschrieben wurden.
Das laterale (X-Y) Abtasten des Rahmens 30 wird mittels der paarweisen Verwendung der Piezoröhren durchgeführt, während die axiale Positionierung senkrecht zur X, Y-Ebene (in Z-Richtung) unter gleichzeitiger Verwendung von allen vier Röhren durchgeführt wird. Um den Proberahmen beispielsweise nach links zu bewegen (in die negative X-Richtung – siehe 2), werden die Röhren 15 und 17 durch das Anlegen geeigneter Spannungen an die linken und rechten Außenelektroden der Röhren nach links gebogen (siehe 1). Das Biegen der Röhren hat zur Folge, dass ihre jeweiligen Verbinder 33 und 35 gezogen und geschoben werden, und dass eine Kraft auf den Probenrahmen ausgeübt wird. Die Verbinder 32 und 34 sind senkrecht zur Richtung der angewandten Kraft angeordnet und ohne weiteres verbiegbar, wodurch der Probenrahmen nach links bewegt werden kann. Eine Translation nach rechts (+X) wird durch Umkehren der Spannungen an den Röhren erhalten. Eine Translation in der Y-Richtung kann unabhängig durch das Anwenden von Spannungen an den Röhren 14 und 16 und Biegen der Verbinder 33 und 35 ausgeführt werden.
Eine axiale (Z-Richtungs-) Translation des Probenrahmens 30 wird durch das gleichzeitige Anlegen von Spannungen an die oberen und unteren Elektroden aller vier Röhren erreicht. Der axiale Translationsbereich entspricht dem lateralen Bereich und ist völlig unabhängig von diesem.
Der tatsächliche Abtastbereich der Vorrichtung hängt von den inhärenten Eigenschaften der piezoelektrischen Röhren, den Abmessungen der Röhren und den angelegten Spannungen ab. Es sind acht elektrische Verbindungen zu der Vorrichtung vorhanden, die aus +X, –X, +Y, –Y, +Z, –Z, Piezomasse (Mitte der Piezoröhre) und Chassismasse bestehen. Mit den typischen Abtastspannungen von +/–125 Volt und den im Handel erhältlichen Röhren, mit einem Durchmesser von 3,175 mm (0,125'') sowie einer Länge von 3,175 cm (1,25''), kann ein XYZ-Abtasten mit Bereichen von 0,889 μm (35 μ) erreicht werden.
Die inertiale Translation der Probe wird genauso wie im vorstehend beschriebenen Dreibeinabtaster durchgeführt. Die Probe 20 liegt auf drei Kugeln 38, 39 und 40, die in den mittleren Rahmen eingebettet sind. Kleine Magneten 42 können einbezogen werden, falls gewünscht, um die Bindung zwischen Probe und Rahmen zu verstärken, und um eine umgedrehte Durchführung zu ermöglichen. Um die Probe zu bewegen, lässt man den Abtastrahmen 30 sich in die gewünschte Richtung bewegen und dann in die Neutralstellung schnell genug zurückstoßen, so dass die Trägheit der Probe diese in ihrer Position hält, was zu einer Nettoverschiebung der Probe führt.
Der wichtigste Vorteil des vorliegenden Abtasters gegenüber bisherigen Geometrien besteht darin, dass das dreidimensionale Abtasten in einer flachen dünnen Platte vorgenommen wird, die ohne weiteres in der Nähe des Objektivs eines Hochleistungsmikroskops angeordnet sein kann. Da sich der Abtaster nicht bis unter die Plattenebene erstreckt, kann das Objektiv völlig ungehindert durch einen einfachen Drehmechanismus, wie er in allen optischen Mikroskopen zu finden ist, gewechselt werden. Hinzu kommt, dass im Gegensatz zu den früheren Bauweisen von dreidimensionalen Abtastern, in denen Röhrenpiezos verwendet wurden, wobei die axiale Bewegung auf einen Bruchteil des lateralen Bereichs beschränkt ist, bei der vorliegenden Konstruktion die axiale Bewegung der lateralen Bewegung vollständig gleichgestellt ist. Dadurch sind die Annäherungsmechanismen stark vereinfacht, da die Spitze leicht bei herkömmlichen, optischen Einrichtungen an die Oberfläche nahe genug angeordnet werden kann, so dass der axiale oder Z-Abtastmechanismus ohne Weiteres einen Kontakt der Spitze mit der Oberfläche herstellen kann.
Das vorliegende Abtastverfahren ist natürlich schon an sich von beträchtlichem Nutzen für sämtliche Abtastanwendungen. Insbesondere werden jedoch Rastersondenmikroskopie-Verfahren von der Aufnahme dieses Abtastmechanismus in ihre Instrumente profitieren. Bei all diesen Mikroskopieverfahren war es immer schwierig, die Spitze und die Probe gemeinsam zu beobachten, aber bei der vorliegenden Bauweise wird diese Einschränkung hinfällig. Für solche Mikroskope würde eine zweite Platte 50 (mit Phantomlinie dargestellt), die eine Sonde und eine diesbezügliche mechanische, optische und elektronische Ausstattung beinhaltet, am Objektträger 30 angeordnet, um ein integriertes Rastersondenmikroskop-System zu schaffen, das mit sämtlichen Typen von herkömmlichen Lichtmikroskopverfahren, einschließlich der konfokalen Rasterlichtmikroskopie, vollständig kompatibel ist. Unter den Rastersondenmikroskopie-Verfahren wird von dieser Bauweise die Nahfeld-Lichtmikroskopie am meisten profitieren. Bei solch einem optischen Verfahren ist es sowohl für die Betrachtung als auch das Auffangen des Lichts absolut entscheidend, dass der feine dreidimensionale Abtaster vollständig in ein herkömmliches, optisches Mikroskop integriert wird. Dadurch werden überlappende Sehfelder zwischen dem herkömmlichen Lichtmikroskop und den superauflösenden, optischen Nahfeldverfahren möglich. Der Abtaster wird auch für konfokale Mikroskopieverfahren nützlich sein, in denen derzeit komplexe Linsenrastermechanismen verwendet werden, um die Fokalebene der Linse zu verändern, damit optische Schnitte erhalten werden können.

Claims

Abtasttisch (12) mit einem Chassis (28) und einem Abtastrahmen (30), gekennzeichnet durch vier piezoelektrische Quadrantenzylinderelemente (14–17), die jeweils eine Längsachse aufweisen, die mit dem Rahmen (30) koplanar angeordnet sind, wobei die Elemente (14–17) in Verbindung stehen, um den Abtastrahmen (30) innerhalb des Chassis (28) zu unterstützen, wobei ferner die Elemente (14–17) um den Rahmen (30) herum beabstandet angeordnet sind und jedes Element (14–17) zu jedem benachbarten Element rechtwinklig positioniert ist, wobei jedes Element (14–17) ein erstes Ende (22–25) und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende (22–25) eines jeden Elements (14–17) mit dem Chassis (28) stationär befestigt ist; und gekennzeichnet durch Verbindungsgelenke (32–35), die zwischen dem zweiten Ende eines jeden Elements (14–17) und dem Abtastrahmen (30) befestigt sind, wobei die Knickbiegung der Elemente (14–17) das Abtasten des Abtastrahmens (30) in drei Dimensionen herstellen kann.
Abtasttisch gemäß Anspruch 1, der ferner eine Objektabtasthalterung (20) aufweist, die in dem Abtastrahmen (30) unterstützt wird.
Abtasttisch gemäß Anspruch 1, worin die vier Quadrantenzylinderelemente (14–17) ein erstes Elementpaar aufweisen, das parallel zueinander angeordnet ist, sowie ein zweites Elementpaar, das ebenfalls parallel zueinander angeordnet ist, aber zum ersten Elementpaar vertikal positioniert ist.
Abtasttisch gemäß Anspruch 1, worin das erste Elementpaar in der Ebene des Rahmens (30) abbiegbar ist, um den Abtastrahmen (30) zusammen mit einer X-Achse bewegen zu können, und worin das zweite Elementpaar in der Ebene des Rahmens (30) abbiegbar ist, um den Abtastrahmen (30) zusammen mit einer Y-Achse bewegen zu können.
Abtasttisch gemäß Anspruch 4, worin das erste und das zweite Elementpaar in eine Richtung abbiegbar sind, die zum Rahmen (30) rechtwinkelig verläuft, um den Abtastrahmen (30) zusammen mit einer Z-Achse bewegen zu können, und worin die X-, Y-, und Z-Achse rechtwinkelig zueinander sind.
Abtasttisch gemäß Anspruch 5, worin jedes Verbindungsgelenk (32–35) eine dünne, flachlängliche Verbindungsschiene aufweist, die axial unbiegsam ist, die an einem ersten Ende mit einem korrespondierenden, piezoelektrischen Element (14–17) verbunden ist, und die an einem zweiten Ende mit dem Abtastrahmen (30) verbunden ist.
Abtasttisch gemäß Anspruch 6, worin die Verbindungsschiene. (32–35) zu deren korrespondierendem, piezoelektrischen Element (14–17) rechtwinkelig angeordnet ist, um den Abtastrahmen (30) in die Richtung bewegen zu können, in der sich dessen korrespondierendes, piezoelektrisches Element abbiegt.
Abtasttisch gemäß Anspruch 7, worin die Verbindungsschienen (32–35), die mit dem zweiten Elementpaar verbunden sind, so flexibel sind, um die Bewegung des Abtastrahmens (30) in die X-Richtung zuzulassen, und worin die Verbindungsschienen (32–35), die mit dem ersten Elementpaar verbunden sind, so flexibel sind, um die Bewegung des Abtastrahmens (30) in die Y-Richtung zuzulassen.
Abtasttisch gemäß Anspruch 1, worin die Verbindungsgelenke (32–35) längliche Verbindungsschienen aufweisen, die axial unbiegsam starr und in die Ebene des Rahmens seitlich flexibel sind.
Abtasttisch gemäß Anspruch 9, der ferner Mittel (38–40) für das gleitende Unterstützen einer Abtasthalterung (20) in dem Rahmen (30) umfasst.
Abtasttisch gemäß Anspruch 1, worin die piezoelektrischen Quadrantenzylinderelemente (14–17) für die selektive Abbiegebewegung in die Ebene des Rahmens (30) auf dem Chassis befestigt sind, und für die selektive Abbiegebewegung in die Richtungen, die zur Ebene des Rahmens (30) rechtwinkelig angeordnet sind.
Abtasttisch gemäß Anspruch 1, worin der Abtastrahmen (30) und die piezoelektrischen Elemente (14–17) eine Materialstärke von mehreren Millimetern in eine Richtung aufweisen, die zur Ebene des Abtastrahmens (30) vertikal angeordnet ist.
Abtasttisch gemäß Anspruch 1, worin die Elemente (14–17) abbiegbar sind, um den Rahmen (30) in jede der drei Dimensionen über einen Abtastbereich von 100 Mikrons bewegen zu können.
Abtasttisch gemäß Anspruch 1, der eine Abtasthalterung (20) und eine Montageplatte (50) in dem Abtastrahmen (30) für die Aufnahme eines Rastersondenmikroskops umschließt.
Abtasttisch gemäß Anspruch 1, worin die Elemente (14–17) abbiegbar sind, um den Abtasttisch (12) in einem konfokalen Rasterlichtmikroskop in Mikronschritten bewegen zu können, wobei das Abtasten des Rahmens (30) eine Z-Richtungsbewegung für den Optikschnitt und eine XY-Richtungsbewegung für die Stufenabtastung vorsieht.