DE69826406T2 - Rastersondenmikroskop mit Feinstellungsvorrichtung - Google Patents

Rastersondenmikroskop mit Feinstellungsvorrichtung Download PDF

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Takafumi Kashiwa-shi Morimoto
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    • 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
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S977/86Scanning probe structure
    • Y10S977/868Scanning probe structure with optical means
    • Y10S977/87Optical lever arm for reflecting light

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rastersondenmikroskop mit einer Feinbewegungsmechanismuseinheit, die sich dafür eignet, durch Bewegen eines Abschnitts, der einen Ausleger bzw. Cantilever enthält, an einer großen Probe Messungen durchzuführen, wenn die Probe beobachtet wird, wobei in dem Rastersondenmikroskop ein zu vermessender Ort durch ein Lichtmikroskop oder ein Elektronenmikroskop oder dergleichen vorher beobachtet werden kann und der Ort durch Erfassen der Biegeverformung (Biegung) des Auslegers mittels eines optischen Erfassungssystems vermessen wird.
  • BESCHREIBUNG DER ZU GRUNDE LIEGENDEN TECHNIK
  • Als Literatur über das herkömmliche Rastersondenmikroskop (SPM: scanning probe microscope (engl.)) kann beispielsweise "Evaluation on electronic and magnetic materials by using STM/AFM/MFM and its applications", Journal Bd. 16, Nr. 3, 1992 (S. 511), der Application Magnetism Society of Japan sowie "Force microscope of optical lever system with AFM and MFM functions", Aufsatz (S. 277) in: Autumn Academic Lecture Meeting of Precision Technology Society, 1992, angeführt werden. Wie in den Arbeiten beschrieben ist, bezeichnet "SPM" als allgemeiner Ausdruck ein Raster-Tunnelmikroskop (STM), ein Raster-Kraftmikroskop (AFM), ein Raster-Magnetkraftmikroskop (MFM) und dergleichen. Das SPM wird betrieben, um Informationen über eine Oberflächenstruktur oder eine Streumagnetfeldverteilung einer Probe zu erhalten, indem von einem Tunnelstrom, einer atomaren Kraft und einer Druckkraft (im Folgenden werden diese mit dem allgemeinen Ausdruck "Wechselwirkungskraft" bezeichnet), die erzeugt werden, wenn sich die Festkörper-Sondenspitze der Probe sehr weit nähert oder diese berührt, Gebrauch gemacht wird. Die Auflösung des SPM ist um eine oder zwei Größenordnungen besser als jene der Mikroskope mit einem optischen Linsensystem.
  • Bei dem oben erwähnten SPM ist die Sondenspitze so angeordnet, dass sie auf die Probe gerichtet ist, wenn eine Messung durchgeführt wird. Die Formen der Probenspitze sind mannigfaltig, wobei in Erwiderung auf mit dem SPM zu vermessende Objekte eine einem Stab oder einem Pfahl, einem Kegel, einem Prisma oder einem Schnabel ähnliche Form verwendet wird.
  • Ferner gibt es, als ein konkretes Beispiel für das SPM, ein Raster-Kraftmikroskop vom Sondenspitzenbewegungstyp, das so beschaffen ist, dass der Teil, der einen Ausleger mit der Sondenspitze aufweist, bewegt werden kann, wenn die Probe mittels der Sondenspitze vermessen wird. Als Literatur über das Raster-Kraftmikroskop vom Sondenspitzenbewegungstyp kann beispielsweise JP-A-682 249 sowie JP-A-8 278 317 angeführt werden.
  • Das in JP-A-682 249 beschriebene Raster-Kraftmikroskop hat einen solchen Aufbau, dass der Teil, der ein Federelement (dem Ausleger bzw. Cantilever äquivalent) mit einer detektierenden Spitze (der Sondenspitze äquivalent) an seinem spitz zulaufenden Ende und ein auf das Federelement bezogenes optisches Erfassungssystem enthält, mittels eines Feinbewegungsmechanismus beweglich ist, während der Teil, der die Probe aufnimmt, stillsteht. Diese Konfiguration ermöglicht, mit dem Raster-Kraftmikroskop eine große Probe oder eine schwere Probe zu vermessen.
  • Das in JP-A-8-278 317 beschriebene Raster-Kraftmikroskop ist mit zwei Stäben aus geschichteten piezoelektrischen Elementen ausgestattet, wobei die beiden Stäbe in einer X-Achsenrichtung bzw. einer Y-Achsenrichtung so angeordnet sind, dass ihre spitzen Enden in Verbindung kommen, und mit einem Ausleger mit einer Sondenspitze, der mittels eines in Richtung der Z-Achse wirkenden Aktuatorelements an dem verbundenen Teil der beiden spitzen Enden angebracht ist. Ferner besitzt dieses Raster-Kraftmikroskop ein optisches Erfassungssystem, in dem unter Verwendung von Lichtweganpassungselementen Lichtwege so ausgebildet sind, dass die Biegeverformung (Biegung) des Auslegers selbst dann optisch sicher erfasst werden kann, wenn sich die Position der Sondenspitze in X-Achsenrichtung und Y-Achsenrichtung auf Grund der Ausdehnung und Kontraktion der entsprechenden Stäbe aus piezoelektrischen Elementen für die Richtung der X-Achse und der Y-Achse ändert. Außerdem ist über dem Ausleger ein Freiraum ausgebildet, damit das optische Erfassungssystem an einer wahlfreien Position in dem oberen Bereich über dem Ausleger platziert werden kann. Gemäß dem Aufbau trifft ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle, selbst wenn die Sondenspitze in Bezug auf die Probe relativ bewegt wird, immer am selben Ort an der Rückseite des Auslegers auf und trifft des Weiteren, nach der Reflexion an der Rückseite des Auslegers, dieselbe Stelle auf einer Licht empfangenden Oberfläche eines Licht empfangenden Elements.
  • Das erste oben erwähnte, herkömmliche Raster-Kraftmikroskop ist in der Lage, an einer großen Probe Messungen auszuführen, indem der Teil, der die Sondenspitze enthält, mittels des Feinbewegungsmechanismus bewegt wird. Jedoch weist der Aufbau des ersten herkömmlichen Mikroskops das Problem auf, dass ein Lichtmikroskop, das zur Beobachtung der Stelle, an der zu messen ist, gebraucht wird, nicht hinzugefügt werden kann, da die Elemente, die das optische Erfassungssystem bilden, über dem Ausleger angeordnet sind. Andererseits weist das zweite herkömmliche Raster-Kraftmikroskop das obige Problem nicht auf. Da das piezoelektrische Aktuatorelement, das für die X-Richtung benutzt wird (einem X-Feinbewegungsmechanismus entsprechend), und das piezoelektrische Aktuatorelement, das für die Y-Richtung benutzt wird (einem Y-Feinbewegungsmechanismus entsprechend), an dem Aufbau des Mikroskops über ein Blockelement und ein Drehgelenkelement befestigt sind, tritt jedoch, wenn ein Abtasten in einem rechtwinkligen XY-Koordinatensystem erfolgt, ein Störeffekt zwischen X- und Y-Bewegung auf, weshalb ein anderes Problem besteht, dass nämlich keine unabhängigen, präzisen Bewegungen in jeder Richtung, der X-Richtung und der Y-Richtung, erzeugt werden können.
  • EP-A-0 499 149 offenbart eine Feinbewegungsmechanismuseinheit mit:
    einem Unterstützungselement;
    einem X-Feinbewegungsmechanismus mit einem ortsfesten Abschnitt, der an dem Unterstützungselement befestigt ist, wenigstens zwei Paaren von Parallelplatten-Biegungsabschnitten, die zwischen dem ortsfesten Abschnitt angeordnet sind, einem X-Bewegungsabschnitt, der in X-Richtung beweglich ist und über jedes der zwei Paare Parallelplatten-Biegungsabschnitte mit dem festen Abschnitt verbunden ist, und zwei piezoelektrischen X-Richtungsaktuatoren, die den X-Bewegungsabschnitt dazu veranlassen, sich relativ zu dem festen Abschnitt zu bewegen, wobei jeder der piezoelektrischen X-Richtungsaktuatoren zwischen zwei parallelen Platten in jedem der zwei Paare von Parallelplatten-Biegungsabschnitten angeordnet ist;
    einem Y-Feinbewegungsmechanismus, der an dem X-Bewegungsabschnitt angeordnet ist, mit wenigstens zwei weiteren Paaren von Parallelplatten-Biegungsabschnitten, wovon zwei parallele Platten in jedem Paar in der zu der X-Richtung senkrechten Y-Richtung angeordnet sind, einem Y-Bewegungsabschnitt, der in Y-Richtung beweglich ist und über die zwei weiteren Paare Parallelplatten-Biegungsabschnitte mit dem X-Bewegungsabschnitt verbunden ist, und zwei piezoelektrischen Y-Richtungsaktuatoren, die den Y-Bewegungsabschnitt dazu veranlassen, sich relativ zu dem X-Bewegungsabschnitt zu bewegen, wobei jeder der piezoelektrischen Y-Richtungsaktuatoren zwischen zwei parallelen Platten in jedem der zwei anderen Paare von Parallelplatten-Biegungsabschnitten angeordnet ist; und
    einem Z-Feinbewegungsmechanismus, der an dem ortsfesten Abschnitt angeordnet ist, mit einem Z-Bewegungsabschnitt, der in einer Z-Richtung, die sowohl zu der X-Richtung als auch zu der Y-Richtung senkrecht ist, beweglich ist, und einem piezoelektrischen Z-Richtungsaktuator, der den Z-Bewegungsabschnitt zu einer Bewegung veranlasst.
  • Die Feinbewegungsmechanismuseinheit, die in dem Rastersondenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist wie folgt aufgebaut:
    Die Feinbewegungsmechanismuseinheit ist aufgebaut aus einem Unterstützungselement; einem X-Feinbewegungsmechanismus mit zwei festen Abschnitten, die an dem Unterstützungselement befestigt sind, wenigstens zwei Paaren von Parallelplatten-Biegungsabschnitten, die zwischen den zwei festen Abschnitten angeordnet sind, einem X-Bewegungsabschnitt, der in der X-Richtung beweglich ist und mit jedem der zwei festen Abschnitte über jedes der zwei Paare von Parallelplatten-Biegungsabschnitten verbunden ist, und zwei piezoelektrischen X-Richtungsaktuatoren, die den X-Bewegungsabschnitt dazu veranlassen, sich relativ zu den festen Abschnitten zu bewegen, wobei jeder der zwei piezoelektrischen X-Richtungsaktuatoren zwischen zwei parallelen Platten in jedem der zwei Paare von Parallelplatten-Biegungsabschnitten angeordnet ist; einem Y-Feinbewegungsmechanismus, der an dem X-Bewegungsabschnitt angeordnet ist, mit wenigstens zwei anderen Paaren von Parallelplatten-Biegungsabschnitten, wovon zwei parallele Platten in jedem Paar in der zu der X-Richtung senkrechten Y-Richtung angeordnet sind, einem Y-Bewegungsabschnitt, der in der Y-Richtung beweglich ist und mit dem X-Bewegungsabschnitt über die zwei anderen Paare von Parallelplatten-Biegungsabschnitten verbunden ist, und zwei piezoelektrischen Y-Richtungsaktuatoren, die den Y-Bewegungsabschnitt dazu veranlassen, sich relativ zu dem X-Bewegungsabschnitt zu bewegen, wobei jeder der zwei piezoelektrischen Y-Richtungsaktuatoren zwischen den zwei parallelen Platten in jedem der zwei anderen Paare von Parallelplatten-Biegungsabschnitten angeordnet ist; und einem Z-Feinbewegungsmechanismus, der an dem Y-Bewegungsabschnitt angeordnet ist, mit einem Z-Bewegungsabschnitt, der in der Z-Richtung beweglich ist, die sowohl zu der X- als auch zu der Y-Richtung senkrecht ist, und einem piezoelektrischen Z-Richtungsaktuator, der den Z-Bewegungsabschnitt dazu veranlasst, sich zu bewegen.
  • Gemäß diesem Aufbau kann ein weiter Raum in dem Bereich, der der Probe gegenüberliegt, sichergestellt werden, und die großen Proben können problemlos gemessen werden. Da der Feinbewegungsmechanismus in den X-Feinbewegungsmechanismus und den Y-Feinbewegungsmechanismus unterteilt ist, so dass sich Bewegungen in X-Richtung und Y-Richtung unabhängig voneinander ausführen lassen, können außerdem die Beanspruchung des Feinbewegungsmechanismus, der wirksam wird, um der Oberflächengestalt der Probe zu folgen, und das Bewegungsverhalten der Abtastung in X- und Y-Richtung verbessert werden.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Rastersondenmikroskop zu schaffen, das so konfiguriert ist, dass die Biegeverformung des Auslegers mittels eines optischen Erfassungssystems erfasst wird, das einen Lichtstrahl mittels der oben erwähnten Feinbewegungsmechanismuseinheit dazu veranlassen kann, selbst dann am selben Ort an der Rückseite des Auslegers aufzutreffen, wenn sich der Ausleger in irgendeine Richtung der X-Achse, Y-Achse und Z-Achse frei bewegt.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein komplexes Rastersondenmikroskop zu schaffen, das in der Lage ist, ein auf einen Punkt zulaufendes Ende einer Sondenspitze mittels eines weiteren Lichtmikroskops oder dergleichen zu beobachten.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das Rastersondenmikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung ist wie im Anspruch 1 definiert aufgebaut.
  • Das Rastersondenmikroskop ist versehen mit einem Ausleger, der an seinem Ende eine Sondenspitze besitzt, einem X-Feinbewegungsmechanismus, um den Ausleger und die Sondenspitze in der X-Richtung zu bewegen, wenn eine Messung durchgeführt wird, einem Y-Feinbewegungsmechanismus, um den Ausleger in der zu der X-Richtung senkrechten Y-Richtung zu bewegen, einem Z-Feinbewegungsmechanismus, um den Ausleger in der Z-Richtung senkrecht sowohl zur X- als auch zur Y-Richtung anzunähern oder zu entfernen, einem Unterstützungselement zur Unterstützung jedes der X-, Y-, Z-Feinbewegungsmechanismen und einer optischen Erfassungseinheit zur Erfassung eines Biegeverformungsbetrags (Biegung) des Auslegers, wenn er sich auf Grund einer Änderung der Wechselwirkungskraft zwischen der Sondenspitze und einer Probe biegt. Für die X-, Y- und Z-Feinbewegungsmechanismen wird die oben erwähnte Feinbewegungsmechanis museinheit verwendet. Wenn die Messung durchgeführt wird, ist die Sondenspitze auf die Probe auf einem Probenstand gerichtet, wobei ein im Voraus festgelegter Trennabstand dazwischen besteht, und die optische Erfassungseinheit enthält eine Lichtquelle und einen Photodetektor, wobei sie ferner so beschaffen ist, dass ein Lichtstrahl, der von der Lichtquelle ausgesendet wird, auf Grund der Reflexion an der Rückseite des Auslegers in den Photodetektor gelangt. Der Ausleger, der erste reflektierende Abschnitt, der den Lichtstrahl von der Lichtquelle reflektiert und ihn zur Rückseite des Auslegers leitet, und der zweite reflektierende Abschnitt, der den Lichtstrahl von der Rückseite des Auslegers reflektiert und zu dem Photodetektor leitet, sind an dem Z-Feinbewegungsmechanismus befestigt. Bei der Messung wird, wenn der Biegeverformungsbetrag des Auslegers in einem regulären Bereich gehalten wird, wenn sich die Sondenspitze bewegt, der Lichtstrahl zu einem völlig gleichen Ort an der Rückseite des Auslegers und ferner zu einem völlig gleichen Punkt auf dem Photodetektor geleitet.
  • Gemäß dem oben angegebenen Rastersondenmikroskop wird, wenn die optische Erfassungseinheit den oben angegebenen Aufbau besitzt, selbst dann, wenn sich der Ausleger mit hoher Empfindlichkeit in irgendeiner Richtung, der X-, Y-, oder der Z-Richtung, bewegt, die relative räumliche Beziehung zwischen jeder der Komponenten der optischen Erfassungseinheit und der reflektierenden Fläche an der Rückseite des Auslegers nicht verändert, und deshalb ist der Fleck des auffallenden Lichts an der Rückseite des Auslegers regulär. Wenn beispielsweise der Z-Feinbewegungsmechanismus so wirksam wird, dass eine Feinbewegung in Z-Richtung ausgeführt wird, bleibt, obwohl sich der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem ersten reflektierenden Abschnitt sowie der Abstand zwischen dem Photodetektor und dem zweiten reflektierenden Abschnitt ändert, die Position des auf den Ausleger auftreffenden Lichtstrahls unverändert, da der Einfallswinkel im ersten reflektierenden Abschnitt unveränderlich ist und ferner, solange die Biegeverformung des Auslegers konstant ist, sich der Auftreffpunkt an der Licht empfangenden Oberfläche des Photodetektors an derselben Position befindet. Dies trifft in völlig gleicher Weise auch auf die Feinbewegung in X- und Y-Richtung zu. Dementsprechend kann, wenn sich die Sondenspitze mit hoher Empfindlichkeit in Richtung der drei Achsen X, Y, Z bewegt, die sich in Bezug auf die Probe unter rechten Winkeln schneiden, ein Fleck auffallenden Lichts an dem Ausleger und ein Fleck einfallenden Lichts auf der Licht empfangenden Oberfläche des Photodetektors unter der Bedingung, dass der Betrag der Biegung des Auslegers immer denselben Wert hat, in einem regulären Bereich gehalten werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Rastersondenmikroskops ist in der oben angegebenen Konfiguration so beschaffen, dass die optische Erfassungseinheit einen dritten reflektierenden Abschnitt aufweist, um den von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahl in der Bewegungsrichtung des Y-Feinbewegungsmechanismus in die Bewegungsrichtung des Z-Feinbewegungsmechanismus zu reflektieren und ihn ferner zu dem ersten reflektierenden Abschnitt zu führen, und einen vierten reflektierenden Abschnitt aufweist, um den Lichtstrahl von dem zweiten reflektierenden Abschnitt in die Bewegungsrichtung des Y-Feinbewegungsmechanismus zu reflektieren, damit er in den Photodetektor eintritt, der an dem Y-Bewegungsabschnitt angeordnet ist. Der dritte und der vierte Reflexionsabschnitt sind an dem Y-Bewegungsabschnitt des Y-Feinbewegungsmechanismus befestigt. Dadurch kann, auch wenn sich die Sondenspitze mit hoher Empfindlichkeit in Richtung der drei Achsen X, Y, Z bewegt, die sich in Bezug auf die Probe unter rechten Winkeln schneiden, ein Fleck auffallenden Lichts an dem Ausleger und ein Fleck einfallenden Lichts auf der Licht empfangenden Oberfläche des Photodetektors unter der Bedingung, dass der Betrag der Biegung des Auslegers denselben Wert hat, in einem regulären Bereich gehalten werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Rastersondenmikroskops ist in der oben angegebenen Konfiguration so beschaffen, dass die Lichtquelle und der Photodetektor der optischen Erfassungseinheit statt an dem Y-Bewegungsabschnitt des Y-Feinbewegungsmechanismus an dem X-Bewegungsabschnitt des X-Feinbewegungsmechanismus befestigt sind, wobei das Licht von der Lichtquelle in der Bewegungsrichtung des Y-Feinbewegungsmechanismus ausgesendet und zu dem dritten reflektierenden Abschnitt geführt wird und das von dem vierten reflektierenden Abschnitt reflektierte Licht auf den Photodetektor in der Bewegungsrichtung des Y-Feinbewegungsmechanismus auftrifft.
  • Dementsprechend kann, auch wenn sich die Sondenspitze mit hoher Empfindlichkeit in Richtung der drei Achsen X, Y, Z bewegt, die sich in Bezug auf die Probe unter rechten Winkeln schneiden, ein Fleck auffallenden Lichts an dem Ausleger und ein Fleck einfallenden Lichts auf der Licht empfangenden Oberfläche des Photodetektors unter der Bedingung, dass der Betrag der Biegung des Auslegers denselben Wert hat, in einem regulären Bereich gehalten werden.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Rastersondenmikroskops ist in jeder der oben angegebenen Konfigurationen vorzugsweise so beschaffen, dass der X-, der Y- und der Z-Feinbewegungsmechanismus jeweils Öffnungen besitzen, die einen in Z- Richtung verlaufenden Raum bilden und verwendet werden, um eine weitere Beobachtungseinheit von einer oberen Position aus anzuordnen. Deshalb kann der Raum, der für das Anordnen einer weiteren Beobachtungseinheit benutzt wird, leicht sichergestellt werden, wodurch der Teil, an dem Messungen auszuführen sind, einschließlich der Sondenspitze und dergleichen, in dem Rastersondenmikroskop weitgehend beobachtet werden kann.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Rastersondenmikroskops in der oben angegebenen Konfiguration ist so beschaffen, dass das Unterstützungselement für die Unterstützung der Feinbewegungsmechanismen und ein Unterstützungsrahmen für die Unterstützung der Beobachtungseinheit, wie etwa ein Lichtmikroskop, an einer Unterstützungsbasis befestigt sind, wobei eine objektseitige Linse des Lichtmikroskops und dergleichen, das an dem Rahmen befestigt ist, in dem durch die Öffnungen der Feinbewegungsmechanismen gebildeten Raum angeordnet ist. Deshalb kann der Teil, der den Ausleger enthält, weitgehend mittels des Lichtmikroskops gemessen werden, und die großen Proben können problemlos gemessen werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist eine Längsschnittansicht der ersten Ausführungsform der Feinbewegungsmechanismuseinheit, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 2 ist eine Unteransicht der in 1 gezeigten Feinbewegungsmechanismuseinheit bei Betrachtung von der Unterseite;
  • 3 ist eine Unteransicht der in 2 gezeigten Feinbewegungsmechanismuseinheit mit einem Steuersystem;
  • 4 ist eine Unteransicht eines abgewandelten Beispiels der Feinbewegungsmechanismuseinheit der ersten Ausführungsform;
  • 5 ist eine Längsschnittansicht der zweiten Ausführungsform der Feinbewegungsmechanismuseinheit, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 6 ist eine Unteransicht der in 5 gezeigten Feinbewegungsmechanismuseinheit bei Betrachtung von der Unterseite;
  • 7 ist eine Längsschnittansicht der ersten Ausführungsform des Rastersondenmikroskops der vorliegenden Erfindung;
  • 8 ist eine Unterseitenansicht, teilweise im Schnitt längs der Linie C-C in 7;
  • 9 ist eine Längsschnittansicht der in 7 gezeigten ersten Ausführungsform mit einem Abschnitt einer elektrischen Schaltung für ein optisches Erfassungssystem und ein Steuersystem;
  • 10 ist eine Längsschnittansicht der zweiten Ausführungsform des Rastersondenmikroskops der vorliegenden Erfindung;
  • 11 ist eine Perspektivansicht, teilweise im Schnitt, die einen Hauptabschnitt des optischen Erfassungssystems in der zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 12 ist eine Unterseitenansicht, teilweise im Schnitt längs der Linie D-D in 10;
  • 13 ist eine Unterseitenansicht, teilweise im Schnitt, die die dritte Ausführungsform des Rastersondenmikroskops der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei sie 12 entspricht;
  • 14 ist eine Ansicht, die die vierte Ausführungsform des Rastersondenmikroskops der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei Hauptabschnitte in einer Schnittansicht gezeigt sind;
  • 15 ist eine Seitenansicht bei Betrachtung der in 14 gezeigten vierten Ausführungsform von der rechten Seite, wobei Teile als Schnittansicht bei einem Schnitt in X-Richtung gezeigt sind.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.
  • Die erste Ausführungsform einer Feinbewegungsmechanismuseinheit wird anhand 1-3 erläutert. 1 zeigt eine Schnittansicht (Schnittlinie A-A in 2), die erzielt wird, indem die Feinbewegungsmechanismuseinheit längs, in Richtung der X-Achse geschnitten wird, und 2 zeigt eine Unteransicht, die erhalten wird, wenn sie von der Unterseite in 1 betrachtet wird. In diesen Figuren ist ein X-Feinbewegungsmechanismus 12 an einem Unterstützungselement 11 befestigt, das Teil eines Anbaurahmens ist. Das Unterstützungselement 11 ist ein plattenförmiges Element und besitzt beispielsweise eine rechtwinklige Öffnung (einen Raum) 11a in seinem Mittelteil. Der X-Feinbewegungsmechanismus 12 besitzt ebenfalls eine plattenartige Gestalt. Ferner ist ein Y-Feinbewegungsmechanismus 13 in einen plattenförmigen Körper integriert, der den X-Feinbewegungsmechanismus 12 so in einem Körper enthält, dass dieser von den Teilen, die den X-Feinbewegungsmechanismus 12 bilden, umschlossen ist. In dem Y-Feinbewegungsmechanismus 13 ist eine runde Öffnung (ein Raum) 132a in der Mitte eines Y-Bewegungsabschnitts 132 ausgebildet. Obwohl der X-Feinbewegungsmechanismus 12 und der Y-Feinbewegungsmechanismus 13 unter dem Gesichtspunkt ihrer Funktionen als zwei verschiedene Abschnitte dargestellt werden, sind die beiden Mechanismen unter Verwendung eines plattenförmigen Elements in einem Körper ausgebildet. Ein Z-Feinbewegungsmechanismus 14 ist unter dem Y-Feinbewegungsmechanismus 13 platziert und an der Außenfläche der Öffnung 132a des Y-Bewegungsabschnitts 132 befestigt. Die Feinbewegungsmechanismen in X-, Y- und Z-Richtung, 12, 13 und 14, bewirken, dass sich ihre Bewegungsabschnitte in der X-, der Y- und der Z-Richtung entsprechend dem in 1 und 2 gezeigten XYZ-Koordinatensystem 500 bewegen.
  • Als Nächstes wird jede Konfiguration der Feinbewegungsmechanismen in X-, Y- und Z-Richtung ausführlich erläutert. Bei dem X-Feinbewegungsmechanismus 12 sind zwei ortsfeste Abschnitte 120 beiderseits des Unterstützungselements 11 mit Bolzen 124 (oder Verbindungsanschnitten wie etwa Haftmitteln) befestigt, während ein X-Bewegungsabschnitt 122 an der Innenseite der ortsfesten Abschnitte über Biegungsabschnitte 121a vom Parallelplattentyp angebracht ist. Der X-Feinbewegungsmechanismus 12 weist zwei Paare Parallelplatten-Biegungsabschnitte 121a auf. Die zwei einander zugewandten Parallelplatten-Biegungsabschnitte 121a, der ortsfeste Abschnitt 120 und der X-Bewegungsabschnitt 122 bilden einen Raum 121b. In jedem der zwei Räume 121b ist ein piezoelektrischer Aktuator 123 zur Bewegung des X-Bewegungsabschnitts 122 in X-Richtung zwischen einem Vorsprung 120a des ortsfesten Abschnitts 120 und einem Vorsprung 122a des X-Bewegungsabschnitts 122 angeordnet.
  • Der Y-Feinbewegungsabschnitt 13 ist durch Ausbilden langer Zwischenräume 131c, die sich in X-Richtung in dem X-Bewegungsabschnitt 122 erstrecken, erzeugt worden und weist den Y-Bewegungsabschnitt 132 auf, der durch Ausbilden eines Biegungsabschnitts 131a in der Nähe der beiden Enden jedes der langen Zwischenräume 131c entstanden ist. Der Y-Feinbewegungsmechanismus 13 weist zwei Paar Biegungsabschnitte 131a vom Parallelplattentyp auf. Die zwei Biegungsabschnitte 131a vom Parallelplattentyp, der X-Bewegungsabschnitt 122 und der Y-Bewegungsabschnitt 132 bilden einen Raum 131b. In jedem der beiden Räume 131b ist ein piezoelektrischer Aktuator 133 zur Bewegung des Y-Bewegungsabschnitts 132 in Y-Richtung zwischen einem Vorsprung 122b des X-Bewegungsabschnitts 122 und einem Vorsprung 132b des Y-Bewegungsabschnitts 132 angeordnet. Ferner hat der lange Zwischenraum 131c eine im Voraus festgelegte Breite, die erforderlich ist, damit sich der Y-Bewegungsabschnitt 132 in der Y-Richtung um das angestrebte Ausmaß der Verlagerung bewegen kann, wenn die in Y-Richtung wirkenden piezoelektrischen Aktuatoren 122 angesteuert werden, um die Y-Bewegungsabschnitte 132 zu bewegen. Die oben erwähnte Öffnung 132a ist in der Mitte des Y-Bewegungsabschnitts 132 ausgebildet.
  • Der Z-Feinbewegungsmechanismus 14 umfasst einen Z-Bewegungsabschnitt 141 zylindrischer Form und ein zylindrisches piezoelektrisches Element (einen piezoelektrischen Aktuator) 142, um den Z-Bewegungsabschnitt 141 in Z-Richtung zu bewegen. Das zylindrische piezoelektrische Element 142 ist an dem Y-Bewegungsabschnitt 132 befestigt. Da der Z-Feinbewegungsmechanismus 14 zylindrisch ausgebildet ist, weist er in seinem mittigen Innenbereich einen Raum auf, der in Z-Richtung verläuft. Ferner ist ein Ausleger 17 mit einer Sondenspitze 16 an seinem auf einen Punkt zulaufenden Ende am unteren Ende des Z-Bewegungsabschnitts 141 mittels eines ortsfesten Elements 15 und eines Montageelements 171 befestigt, und die Feinbewegung durch den Z-Bewegungsabschnitt 141 ermöglicht der Sondenspitze 16, eine (in den Figuren nicht gezeigte) Probe zu messen, wie weiter unten ausgeführt wird. Ein in 1 mit frei erfundenen Umrissen gezeigtes Element 18 ist ein weiteres Beobachtungsmittel, um Teile, an denen Messungen ausgeführt werden sollen, wie etwa die Sondenspitze 16 und dergleichen, zu beobachten, wobei es sich konkret beispielsweise um eine objektseitige Linse eines Lichtmikroskops und dergleichen handelt.
  • Als Nächstes wird die Funktion der oben erwähnten Feinbewegungsmechanismuseinheit anhand 3 erläutert. Das Bezugszeichen 100 bezeichnet eine Steuereinheit, um beispielsweise das Raster-Kraftmikroskop zu steuern. Die Steuereinheit 100 führt die gesamte Steuerung durch, die für die auf dem Mikroskop basierende Messung erforderlich ist. Das Bezugszeichen 101 bezeichnet eine Steuereinheit für die Feinbewegung in X-Richtung. Diese Steuerschaltung 101 für die Feinbewegung in X-Richtung legt auf der Grundlage von Befehlen, die von der Steuereinheit 100 gegeben werden, die gleichen Spannungen an (in den Figuren nicht gezeigte) Elektroden eines rechten und eines linken piezoelektrischen Aktuators 123 an und bewirkt damit, dass der X-Bewegungsabschnitt 122 in der X-Richtung mit hoher Empfindlichkeit um den gewünschten Betrag der Ausdehnung oder Kontraktion verlagert wird. Die Verlagerung des X-Bewegungsabschnitts 122 kann durch das Biegen der Parallelplatten-Biegungsabschnitte 121a, die den ortsfesten Abschnitt 120 mit dem X-Bewegungsabschnitt 122 verbinden, erzeugt werden. Das Biegen ist die Folge des Dehnens und Kontrahierens der piezoelektrischen Aktuatoren 123. Der Y-Feinbewegungsmechanismus 13, der in dem X-Bewegungsabschnitt 122 angeordnet ist, und der Z-Feinbewegungsmechanismus 14, der an dem Y-Feinbewegungsmechanismus 13 befestigt ist, werden außerdem gleichzeitig zusammen mit dem X-Bewegungsabschnitt 122 um die gleiche Strecke in X-Richtung verlagert.
  • Das Bezugszeichen 102 bezeichnet eine Steuereinheit für die Feinbewegung in Y-Richtung. Die Steuerschaltung 102 für die Feinbewegung in Y-Richtung legt auf der Grundlage von Befehlen, die von der Steuereinheit 100 gegeben werden, die gleichen Spannungen an die zwei piezoelektrischen Aktuatoren 133 an und bewirkt damit, dass der Y-Bewegungsabschnitt 132 in Y-Richtung relativ zu dem X-Bewegungsabschnitt 122 mit hoher Empfindlichkeit in die gewünschte Position verlagert wird. Die Verlagerung in Y-Richtung kann durch das Biegen der Parallelplatten-Biegungsabschnitte 131a erzeugt werden, die den X-Bewegungsabschnitt 122 mit dem Y-Feinbewegungsmechanismus 13 verbinden. Die Verlagerung in Y-Richtung kann auf Grund der langen Zwischenräume 131c mit der im Voraus festgelegten Breite ermöglicht werden. Der Z-Feinbewegungsmechanismus 14, der an dem Y-Bewegungsabschnitt 132 befestigt ist, wird außerdem gleichzeitig gemeinsam mit dem Y-Bewegungsabschnitt 132 um die gleiche Strecke in Y-Richtung verlagert. So ist die Gesamtheit des Feinbewegungsmechanismus in den X-Feinbewegungsmechanismus und den Y-Feinbewegungsmechanismus unterteilt, weshalb die Feinbewegungen in X- und Y-Richtung unabhängig voneinander ausgeführt werden können. Folglich kann die Beanspruchung des Feinbewegungsmechanismus, der so betrieben wird, dass er der Oberflächengestalt der Probe folgt, verringert werden, und das Abtastverhalten in X- und Y-Richtung (rechtwinkliges Koordinatensystem) kann verbessert werden.
  • Das Bezugszeichen 103 bezeichnet eine Steuereinheit für die Feinbewegung in Z-Richtung. Die Steuerschaltung 103 für die Feinbewegung in Z-Richtung legt auf der Grundlage von Befehlen, die von der Steuereinheit 100 gegeben werden, eine Spannung an den piezoelektrischen Aktuator 142 an und bewirkt damit, dass der Z-Bewegungsabschnitt 141 in Z-Richtung relativ zu dem Y-Bewegungsabschnitt 132 mit hoher Empfindlichkeit in die gewünschte Position verlagert wird. Entsprechend dieser Feinbewegung kann die Sondenspitze 16 und dergleichen, die beispielsweise an dem unteren Abschnitt des Z-Feinbewegungsmechanismus 14 befestigt ist, in Z-Richtung verlagert werden.
  • Die Konfiguration der oben angegebenen ersten Ausführungsform eignet sich für die Messung an einer großen Probe, ist in der Lage, die Belastung des Feinbewegungsmechanismus bei der Durchführung der Messung zu verringern, und ermöglicht die unabhängigen und genauen Feinabtastbewegungen in X- und Y-Richtung, wobei sie ferner das Bewegungsverhalten in dem rechtwinkligen Koordinatensystem verbessern kann. Da sowohl der X- als auch der Y-Feinbewegungsmechanismus die Öffnung aufweist und der Z-Feinbewegungsmechanismus so beschaffen ist, dass er den zylindrischen piezoelektrischen Aktuator und den zylindrischen Z-Bewegungsabschnitt benutzt, kann die Konfiguration der ersten Ausführungsform den besonderen Raum sicherstellen, der für die Anordnung eines weiteren, verschiedenen Mikroskops (eines Lichtmikroskops oder eines Elektronenmikroskops usw.) verwendet wird, das im Stande ist, den Teil, an dem Messungen auszuführen sind, einschließlich beispielsweise des Auslegers, der an dem unteren Abschnitt des Z-Feinbewegungsmechanismus befestigt ist, zu beobachten.
  • 4 zeigt das abgewandelte Beispiel der oben angegebenen Feinbewegungsmechanismuseinheit gemäß der ersten Ausführungsform. 4 ist eine Ansicht, die erhalten wird, wenn die Feinbewegungsmechanismuseinheit von der Unterseite aus betrachtet wird. Die Feinbewegungsmechanismuseinheit des abgewandelten Beispiels hat die Konfiguration der ersten Ausführungsform und weist ferner ein Paar Parallelplatten-Biegungsabschnitte 121d auf, die an der Stelle nahe der beiden Seiten jedes der beiden piezoelektrischen Aktuatoren 123 in Bezug auf jedes der zwei Paare Parallelplatten-Biegungsabschnitte 121a hinzugefügt sind, und weist ferner ein Paar Parallelplatten-Biegungsabschnitte 131d auf, die an der Stelle nahe der beiden Seiten jedes der beiden piezoelektrischen Aktuatoren 133 in Bezug auf jedes der zwei Paare Parallelplatten-Biegungsabschnitte 131a hinzugefügt sind. Die übrigen Konfigurationen sind bis auf die hinzugefügten Komponenten den im Zusammenhang mit 2 erläuterten Konfigurationen gleich, und deshalb haben die gleichen Komponenten jeweils die gleichen Bezugszeichen. Die Feinbewegungsmechanismuseinheit der vorliegenden Ausführungsform hat vor allem die Vorteile einer hohen Steife und Bewegungsgenauigkeit, die zu den oben erwähnten lobenswerten technischen Wirkungen hinzukommen.
  • Als Nächstes wird die zweite Ausführungsform der Feinbewegungsmechanismuseinheit mit Bezug auf 5 und 6 erläutert. Komponenten, die jeweils den in 1-3 gezeigten Komponenten völlig gleich sind, haben das gleiche Bezugszeichen; daher entfällt ihre ausführliche Erläuterung. 5 zeigt eine Schnittansicht (Schnitt längs der Linie B-B in 6), die erhalten wird, wenn die Feinbewegungsmechanismuseinheit längs der Y-Richtung geschnitten wird, und 6 zeigt eine Ansicht, die erhalten wird, wenn die Feinbewegungsmechanismuseinheit von der Unterseite in 5 aus betrachtet wird. In dieser Ausführungsform ist der Y-Feinbewegungsmechanismus, indem ein anderes plattenförmiges Element verwendet wird, so ausgebildet, dass er von dem X-Feinbewegungsmechanismus getrennt ist, und ist an dem X-Bewegungsabschnitt befestigt, wobei ferner der piezoelektrische Aktuator des Z-Feinbewegungsmechanismus in Blockform ausgebildet ist.
  • Im Folgenden wird die Konfiguration der zweiten Ausführungsform erläutert. Der X-Feinbewegungsmechanismus 22 ist jenem der ersten Ausführungsform im Wesentlichen gleich und so geformt, dass er ein plattenförmiger Körper ist, der ferner in seiner Mitte den X-Bewegungsabschnitt 222 hat. In dem X-Bewegungsabschnitt 222 ist eine Öffnung 222a in dem Teil ausgebildet, das dem Ort der Anordnung des Y-Feinbewegungsmechanismus 23 entspricht.
  • Der Y-Feinbewegungsmechanismus 23 hat eine fast rechtwinklige Form, wie anhand der in 6 gezeigten Form der Unterseite allgemein deutlich wird. Bei dem Y-Feinbewegungsmechanismus 23 sind jeweils an den beiden Enden ortsfeste Abschnitte 230 angeordnet, die an dem X-Bewegungsabschnitt 222 angebracht sind, wobei an der Innenseite dieser festen Abschnitte 230 Parallelplatten-Biegungsabschnitte 231a angeordnet sind, in deren Mitte ferner ein Y-Bewegungsabschnitt 232 vorgesehen ist. Der Y-Feinbewegungsmechanismus 23 weist zwei Paare Parallelplatten-Biegungsabschnitte 231a auf. Die zwei Parallelplatten-Biegungsabschnitte 231a, die ortsfesten Abschnitte 230 und der Y-Bewegungsabschnitt 232 bilden einen Raum 231b. In jedem der Räume 231b ist der piezoelektrische Aktuator 133 für die Bewegung in Y-Richtung zwischen einem Vorsprung 230a des ortsfesten Abschnitts 230 und einem Vorsprung 232b des Y-Bewegungsabschnitts 232 angeordnet. Ferner hat der Y-Bewegungsabschnitt 232 fast mittig eine Öffnung 232a. Der Y-Feinbewegungsmechanismus 23 ist beispielsweise mit mehreren Bolzen 127 an dem X-Bewegungsabschnitt 222 befestigt.
  • Ein Z-Feinbewegungsmechanismus 145 umfasst einen piezoelektrischen Aktuator 146, der die Bewegung in Z-Richtung herbeiführt, und einen Z-Bewegungsabschnitt 147, der an dem unteren Ende des Aktuators 146 angebracht ist. Der Z-Feinbewegungsmechanismus 145 ist an dem Y-Bewegungsabschnitt 232 befestigt. Ferner ist eine Sondenspitze 161, die beispielsweise für STM verwendet wird, am Ende des Z-Bewegungsabschnitts 147 angeordnet.
  • Die wie oben angegeben konfigurierte Feinbewegungsmechanismuseinheit der zweiten Ausführungsform ist in der Lage, die gleichen Wirkungen wie die erste Ausführungsform herbeizuführen. Der bei der vorliegenden Erfindung benutzte Feinbewegungsmechanismus kann eine breite Anwendung als Feinbewegungsmechanismus erfahren, der eine Abtastoperation für das Rastersondenmikroskop und dergleichen ausführt.
  • Als Nächstes wird die erste Ausführungsform des Rastersondenmikroskops (SPM) gemäß der vorliegenden Erfindung anhand 7-9 erläutert. Diese Ausführungsform stellt ein Beispiel für ein Raster-Kraftmikroskop dar. Als Feinbewegungsmechanismus wird die erste Ausführungsform (in 1-3 gezeigt) der weiter oben erwähnten Feinbewegungsmechanismuseinheit verwendet. 7 zeigt eine Schnittansicht mit Teilaussparung längs einer Mittellinie parallel zur Y-Richtung, in der die Sondenspitze in dem Rastersondenmikroskop angeordnet ist, und 8 zeigt eine Ansicht längs einer Linie C-C, wobei das Mikroskop von der Unterseite in 7 zu sehen ist, während 9 die mit einem Steuersystem ausgestattete Konfiguration zeigt. Bei der Feinbewegungsmechanismuseinheit, die auf das SPM der vorliegenden Erfindung Anwendung findet, sind die Komponenten, die jenen Komponenten, die in den oben angegebenen Ausführungsformen erläutert wurden, völlig gleich sind, jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen, weshalb ihre ausführliche Erläuterung entfällt.
  • Wie 7-9 zeigen, ist die Baueinheit aus den Feinbewegungsmechanismen in X-, Y- und Z-Richtung an dem Unterstützungselement 11 befestigt, das Teil des Rahmens für das Rastersondenmikroskop ist. Die rechtwinklige Öffnung 11a ist fast in der Mitte des Unterstützungselements 11 ausgebildet. Der X-Feinbewegungsmechanismus 12 und der Y-Feinbewegungsmechanismus 13 sind unter Verwendung des gemeinsamen plattenförmigen Elements aufgebaut, wobei der Y- Feinbewegungsmechanismus 13 in den X-Bewegungsabschnitt 122 des X-Feinbewegungsmechanismus 12 integriert ist. Der Y-Bewegungsabschnitt 132 hat die runde Öffnung 132a, und der zylindrische, in Z-Richtung wirkende piezoelektrische Aktuator 142 des Z-Feinbewegungsmechanismus 14 ist an der Unterseite der Öffnung 132a befestigt. Der piezoelektrische Aktuator 142 ist mit dem zylindrischen Z-Bewegungsabschnitt 141 ausgestattet, der einen Durchmesser aufweist, der im Wesentlichen dem Durchmesser des Aktuators 142 gleich ist. Der Ausleger 17 mit der Sondenspitze 16 ist mittels des Montageelements 15 an der Unterseite des Z-Bewegungsabschnitts 141 in dem Z-Feinbewegungsmechanismus 14 befestigt. Hier ist die Position der Anordnung der Sondenspitze 16 so festgelegt, dass sie fast auf der Mittellinie des zylindrischen piezoelektrischen Aktuators 142 ist.
  • Die Bewegungsabschnitte der Feinbewegungsmechanismen in X-, Y- und Z-Richtung werden mit hoher Empfindlichkeit in die entsprechenden Richtungen bewegt, indem die erforderlichen Spannungen an die (in den Figuren nicht gezeigten) Elektroden der entsprechenden piezoelektrischen Aktuatoren für diese Feinbewegungsmechanismen angelegt werden. Die X-Richtung und die Y-Richtung sind jeweils den Abtastrichtungen der Sondenspitze gleich, wenn die Sondenspitze dazu veranlasst wird, die Probenoberfläche zu vermessen, wobei sie im Wesentlichen parallel zur Probenoberfläche sind. Die Z-Richtung entspricht einer Bewegungsrichtung, längs der die zur Probenoberfläche zeigende Sondenspitze im Fall der Messung der Oberfläche genähert oder von der Oberfläche entfernt wird. Gemäß der oben angegebenen Konfiguration kann der Teil, der jeweils in der Mitte des X-Feinbewegungsmechanismus und des Y-Feinbewegungsmechanismus positioniert ist, sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung oder in kombinierte Richtungen mit hoher Empfindlichkeit bewegt werden. Deshalb wird die Sondenspitze 16 oder dergleichen, die an dem unteren Abschnitt des Z-Feinbewegungsmechanismus 14 angebracht ist, mit hoher Empfindlichkeit in beliebige Richtungen in der XY-Ebene bewegt.
  • Als Nächstes wird die Konfiguration eines optischen Erfassungssystems (oder einer optischen Erfassungseinheit) zur Erfassung des Biegeverformungsbetrags (des Ausmaßes der Biegung) des Auslegers 17 mit der Sondenspitze 16 an seinem auf einen Punkt zulaufenden Ende erläutert. Ein mit einer Lichtquelle 31 versehenes Traggestell 32 ist an der Unterseite des Y-Bewegungsabschnitts 132 befestigt. Der von der Lichtquelle 31 ausgesendete Lichtstrahl ist so eingestellt, dass er in Z-Richtung ausgestrahlt wird. Ferner ist ein mit einem Photodetektor 37 versehenes Traggestell 38 an der Unterseite des Y-Bewegungsabschnitts 132 befestigt, wobei der Photodetektor 37 so eingestellt ist, dass er den aus der Z-Richtung kommenden Lichtstrahl empfängt. Der Z-Bewegungsabschnitt 141 ist mit einem Reflexionsabschnitt-Unterstützungselement 40 mit einem ersten reflektierenden Abschnitt 44 versehen, der den in Z-Richtung von der Lichtquelle 31 kommenden Lichtstrahl so führt, dass er auf der Rückseite des Auslegers 17 auftrifft, und mit einem weiteren Reflexionsabschnitt-Unterstützungselement 40 mit einem zweiten reflektierenden Abschnitt 45, der den von dem Rückseite des Auslegers 17 kommenden Lichtstrahl zu dem Photodetektor 37 in Z-Richtung führt. Ferner hat der Z-Bewegungsabschnitt 141 einen lichtdurchlässigen Abschnitt 14a, wie etwa ein Loch, eine Kerbe, einen Schlitz und dergleichen, der gebraucht wird, um den an dem ersten reflektierenden Abschnitt 44 reflektierten Lichtstrahl zur Rückseite des Auslegers 17 hindurch zu lassen, und einen lichtdurchlässigen Bereich 14b, der dem lichtdurchlässigen Bereich 14a ähnlich ist, um den an dem Ausleger 17 reflektierten Lichtstrahl zu dem zweiten reflektierenden Abschnitt 45 hindurch zu lassen. Hier sind, wie in der Figur gezeigt ist, beide, das Traggestell 32 mit der Lichtquelle und das Traggestell 38 mit dem Photodetektor, an den einander gegenüberliegenden Seiten des Z-Feinbewegungsmechanismus 14 angeordnet. Die Reflexionsabschnitt-Unterstützungselemente 40, nämlich das Reflexionsabschnitt-Unterstützungselement 40 an der rechten Seite, das den ersten reflektierenden Abschnitt 44 aufweist, und das Reflexionsabschnitt-Unterstützungselement 40 an der linken Seite, das den zweiten reflektierenden Abschnitt 45 aufweist, sind ebenfalls an einander gegenüberliegenden Enden des um den Ausleger 17 zentrierten Montageelements 15 angeordnet. Folglich sind die Lichtquelle 31, der erste Reflexionsabschnitt 44, der zweite Reflexionsabschnitt 45, der Photodetektor 37 und der Ausleger 17 mit der Sondenspitze 16, die einen Messabschnitt bilden, in einer nahezu geraden Linie angeordnet, die in der Figur in Y-Richtung verläuft. Ein Strahlengang in dem optischen Erfassungssystem, das diese Komponenten umfasst, ist in 7 als punktierte Linie gezeigt.
  • Der oben erwähnte zylindrische piezoelektrische Aktuator 142, der benutzt wird, um die Feinbewegung in Z-Richtung zu erzeugen, hat beispielsweise einen Durchmesser von ungefähr 40 mm. Ein Lichtmikroskop 18 ist unter Nutzung der rechtwinkligen Öffnung 11a des Unterstützungselements 11, der runden Öffnung 132a des Y-Feinbewegungsmechanismus 13 und des Innenraums des Z-Feinbewegungsmechanismus 14 angeordnet. Die objektseitige Linse des Lichtmikroskops 18 liegt der Rückseite des Auslegers 17 und der Sondenspitze 16 gegenüber. Folglich kann der Teil, an dem Messungen vorgenommen werden sollen, wobei die Sondenspitze 16 und dergleichen eingeschlossen ist, mit dem Lichtmikroskop 18 beobachtet werden. Ein Zwischenraum zwischen dem Lichtmikroskop 18 und der runden Öffnung 132a des Y-Feinbewegungsmechanismus 13 und ein Zwischenraum zwischen dem Lichtmikroskop 18 und dem Z-Feinbewegungsmechanismus 14 sind jeweils breit genug ausgebildet, um einander nicht zu berühren, selbst wenn die Feinbewegung in X- oder Y-Richtung basierend auf jedem Betrieb des X-Feinbewegungsmechanismus 12 und des Y-Feinbewegungsmechanismus 13 erzeugt wird.
  • Entsprechend dem optischen Erfassungssystem mit der oben angegebenen Konfiguration, wird, wie durch die punktierte Linie 41, die den Strahlengang zeigt, verdeutlicht ist, der Lichtstrahl (Laserstrahl usw.), der von der Lichtquelle 31 ausgesendet wird, in Z-Richtung ausgestrahlt, und ferner bewirkt die Reflexion an dem ersten reflektierenden Abschnitt 44, dass der Strahl unter einem regulären Winkel zur Rückseite des Auslegers 17 abgestrahlt wird. Außerdem ist, obwohl sich der Z-Feinbewegungsmechanismus 14 im Strahlengang zwischen dem ersten reflektierenden Abschnitt 44 und dem Ausleger 17 befindet, wie weiter oben erwähnt wurde, der lichtdurchlässige Abschnitt 14a ausgebildet, den der Strahl durchqueren kann.
  • Der an der Rückseite des Auslegers 17 reflektierte Lichtstrahl wird auf Grund der nächsten Reflexion an dem zweiten reflektierenden Abschnitt 45 parallel zur Z-Richtung und fällt auf den Photodetektor 37. In ähnlicher Weise ist in diesem Strahlengang, obwohl sich der Z-Feinbewegungsmechanismus 14 zwischen dem Ausleger 17 und dem zweiten reflektierenden Abschnitt 45 befindet, wie weiter oben erwähnt wurde, der lichtdurchlässige Abschnitt 14b, den der Strahl durchqueren kann, ausgebildet.
  • Der mittels der punktierten Linie 41 gezeigte Strahlengang 41, der durch den Aufbau des optischen Erfassungssystems erzeugt wird, ist lagestabil, und selbst wenn sich der Ausleger 17 durch den X- und Y-Feinbewegungsmechanismus, 12 und 13, in der XY-Ebene bewegt oder sich durch den Z-Feinbewegungsmechanismus 14 in Z-Richtung bewegt, kann die optische Achse des Strahlengangs nicht verschoben werden.
  • Eine Probe 42 ist unter der Sondenspitze 16 platziert. Die Probe 42 ist an einem Grobbewegungs-Objekttisch 43, wie etwa einem Probenstand befestigt. Der Grobbewegungs-Objekttisch 43 ermöglicht die Bewegung über verhältnismäßig große Strecken jeweils in X-, Y- und Z-Richtung. Die Probe 42 kann mittels des Grobbewegungs-Objekttisches 43 in jede Position bewegt werden. Das Lichtmikroskop 18, das über dem Ausleger 17 angeordnet ist, ermöglicht die Beobachtung der Sondenspitze 16 und der Probe 42.
  • In der oben angegebenen Konfiguration wird, wenn der Grobbewegungs-Objekttisch 43 die Probe 42 an einer willkürlichen Position in der XY-Ebene in Z-Richtung bewegt, so dass sie sich der Sondenspitze 16 nähert, eine atomare Kraft zwischen der Sondenspitze 16 und der Probe 42 erzeugt, und folglich wird der Ausleger 17 durch die atomare Kraft gebogen. Zu diesem Zeitpunkt verändert sich die optische Achse als Strahlengang von dem Ausleger 17 zu dem Photodetektor 37, und diese Veränderung der optischen Achse wird durch den Photodetektor 37 erfasst. Entsprechend dem Photodetektor 37, der das Ausmaß der Biegung des Auslegers 17 erfasst, kann die Verlagerung in Z-Richtung, die in der Sondenspitze 16 erzeugt wird, erfasst werden. Wie bei dem oben angegebenen optischen Erfassungssystem wird auch dann, wenn bei der Messung die Sondenspitze in der XY-Ebene bewegt werden kann, solange das Ausmaß der Biegung des Auslegers 17 im regulären Bereich ist, der Lichtstrahl zu demselben Ort an der Rückseite des Auslegers 17 abgestrahlt, was zur Folge hat, dass der Strahl schließlich am selben Ort in den Photodetektor gelangt.
  • Als Nächstes wird anhand 9 ein Steuersystem erläutert. Die Lichtquelle 31 wird durch ein Treibersignal von einem Lichtquellentreiber 51 gesteuert und sendet dadurch den Lichtstrahl aus. Ein von dem Photodetektor 37 ausgegebenes Signal wird über einen Lichtempfangsverstärker 52 in eine Steuereinheit 53 eingegeben. Die Steuereinheit 53 hat die Steuerung des Betriebs in X- und Y-Richtung mittels sowohl des X-Feinbewegungsmechanismus 12 als auch des Y-Feinbewegungsmechanismus 13 und des Betriebs in Z-Richtung mittels des Z-Feinbewegungsmechanismus 14 mit Hilfe einer Feinbewegungsmechanismus-Steuereinheit 54 zur Aufgabe. Die Feinbewegungsmechanismus-Steuereinheit 54 steuert den X-Feinbewegungsmechanismus und den Y-Feinbewegungsmechanismus, um die Sondenspitze 16 in X- und Y-Richtung zu bewegen. Gleichzeitig wird der Ausleger 17 auf Grund der atomaren Kraft zwischen der Sondenspitze und der Probe gebogen. Der Biegungsbetrag des Auslegers 17 wird durch den Photodetektor 37 erfasst und an die Steuereinheit 53 geliefert. Die Steuereinheit 53 weist die Feinbewegungsmechanismus-Steuereinheit 54 an, das Ausdehnen oder das Kontrahieren des Z-Feinbewegungsmechanismus 14 so zu steuern, dass der Biegebetrag des Auslegers 17 konstant gehalten werden kann. Diese Art der Steuerung auf der Grundlage der Steuereinheit 53 wird ständig ausgeführt, während die Sondenspitze die Oberfläche der Probe 42 vermisst. Die Daten, die durch diese Messung erhalten werden, d. h. die Positionsdaten (XY-Daten) der Sondenspitze auf der gemessenen Oberfläche der Probe, und die Höhendaten (Z-Daten) an entsprechenden gemessenen Punkten werden in der Steuereinheit 53 gespeichert. Die Steuereinheit 53 erzeugt beispielsweise Bilder der Messungen unter Verwendung der Daten und gibt die Bilder an eine Ausgabeeinheit 55 aus.
  • Als Nächstes wird die zweite Ausführungsform des Rastersondenmikroskops der vorliegenden Erfindung anhand 10-12 erläutert. 10 zeigt eine Schnittansicht längs einer Linie in Y-Richtung, 11 ist eine teilweise geschnittene Perspektivansicht, die die äußere Erscheinung zeigt, und 12 zeigt eine Schnittansicht mit Teilaussparung längs einer Linie D-D, wobei das Mikroskop von der Unterseite aus betrachtet wird. Die Komponenten, die in dieser zweiten Ausführungsform den erläuterten Komponenten in der ersten Ausführungsform im Wesentlichen gleich sind, sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre ausführliche Erläuterung entfällt. In dem Rastersondenmikroskop der zweiten Ausführungsform ist das optische Erfassungssystem im Vergleich zu jenem der ersten Ausführungsform mit einem dritten reflektierenden Abschnitt 33 zwischen der Lichtquelle 31 und dem ersten reflektierenden Abschnitt 44 und mit einem vierten reflektierenden Abschnitt 35 zwischen dem zweiten reflektierenden Abschnitt 45 und dem Photodetektor 37 versehen. Die reflektierenden Abschnitte, nämlich der dritte reflektierende Abschnitt 33 und der vierte reflektierende Abschnitt 35, werden von dem Unterstützungselement 34 bzw. 36 unterstützt, wobei sie an der unteren Fläche des Y-Bewegungsabschnitts 132 des Y-Feinbewegungsmechanismus 13 befestigt sind.
  • Im Folgenden wird hauptsächlich die Konfiguration der Teile erläutert, die von der ersten Ausführungsform verschieden sind. Ein Lichtquellen-Unterstützungselement 320, das mit der Lichtquelle ausgestattet ist, die den Lichtstrahl in Y-Richtung abstrahlt, und ein Reflexionsabschnitt-Unterstützungselement 34, das mit dem dritten reflektierenden Abschnitt 33 versehen ist, der den Strahl von der Lichtquelle 31 in Z-Richtung reflektiert, damit er den ersten reflektierenden Abschnitt 44 erreicht, sind an der Unterseite des Y-Bewegungsabschnitts 132 befestigt. Ferner sind in ähnlicher Weise ein Reflexionsabschnitt-Unterstützungselement 36, das mit dem vierten reflektierenden Abschnitt 35 versehen ist, der den Strahl in Z-Richtung, der von dem zweiten reflektierenden Abschnitt 45 kommt, in Y-Richtung reflektiert, und ein Photodetektor-Unterstützungselement 380, das mit dem Photodetektor 37 versehen ist, der den Lichtstrahl empfängt, der von dem vierten reflektierenden Abschnitt 35 kommt, an der Unterseite des Y-Bewegungsabschnitts 132 befestigt. Eine Baugruppe aus dem Lichtquellen-Unterstützungselement 320 und dem Element 34 zur Unterstützung des dritten reflektierenden Abschnitts sowie eine Baugruppe aus dem Element 36 zur Unterstützung des vierten reflektierenden Abschnitts und dem Photodetektor-Unterstützungselement 380 sind an gegenüberliegenden Seiten angeordnet, wobei der Z-Feinbewegungsmechanismus die zentrale Figur ist. Die Lichtquelle 31, der dritte reflektierende Abschnitt 33, der erste reflektierende Abschnitt 44, eine reflektierende Fläche 17a an der Rückseite des Auslegers 17, der zweite reflektierende Abschnitt 45, der vierte reflektierende Abschnitt 35 und der Photodetektor 37 sind so angeordnet, dass sie nahezu eine Linie bilden, die in Y-Richtung verläuft. Die übrigen Konfigurationen in der zweiten Ausführungsform sind jenen des Rastersondenmikroskops der ersten Ausführungsform gleich.
  • Gemäß dem optischen Erfassungssystem mit der oben angegebenen Konfiguration, die durch die punktierte Linie 41 verdeutlicht ist, die den Strahlengang zeigt, wird der von der Lichtquelle 31 usw. ausgesendete Lichtstrahl, der parallel zur Y-Richtung ist, mittels der reflektierenden Abschnitte 33 und 44 zu der reflektierenden Fläche 17a an der Rückseite des Auslegers 17 ausgestrahlt. Der von dem reflektierenden Abschnitt 33 reflektierte Lichtstrahl wird parallel zur Z-Richtung. Der von dem reflektierenden Abschnitt 44 reflektierte Lichtstrahl wird unter dem regulären Winkel zur Rückseite des Auslegers 17 ausgestrahlt. Ferner ist, obwohl sich der Teil des Z-Feinbewegungsmechanismus 14 in dem Strahlengang zwischen dem reflektierenden Abschnitt 44 und dem Ausleger 17 befindet, wie weiter oben erwähnt wurde, der lichtdurchlässige Abschnitt 14a in dem Teil ausgebildet, der im Weg ist, so dass der Lichtstrahl hindurchtreten kann.
  • Der an der reflektierenden Fläche 17a des Auslegers 17 reflektierte Lichtstrahl wird des Weiteren an den reflektierenden Abschnitten 45 und 35 reflektiert, um in den Photodetektor 37 einzutreten. Der an dem reflektierenden Abschnitt 45 reflektierte Lichtstrahl wird parallel zur Z-Richtung, und der an dem reflektierenden Abschnitt 35 reflektierte Lichtstrahl wird parallel zur Y-Richtung. Ferner ist, obwohl sich der Teil des Z-Feinbewegungsmechanismus 14 in dem Strahlengang zwischen dem Ausleger 17 und dem reflektierenden Abschnitt 45 befindet, wie weiter oben erwähnt wurde, der lichtdurchlässige Abschnitt 14b in dem Teil ausgebildet, der im Weg ist, so dass der Lichtstrahl hindurchtreten kann.
  • Der als punktierte Linie 41 gezeigte Strahlengang 41, der durch den Aufbau des optischen Erfassungssystems erzeugt wird, ist lagestabil, und auch wenn sich der Ausleger 17 mittels des X-Feinbewegungsmechanismus und des Y-Feinbewegungsmechanismus in der XY-Ebene bewegt und sich mittels des Z-Feinbewegungsmechanismus in Z-Richtung bewegt, kann die optische Achse des oben angegebenen Strahlengangs nicht verschoben werden.
  • Gemäß dem oben angegebenen optischen Erfassungssystem wird selbst dann, wenn bei der Messung die Sondenspitze 16 bewegt werden kann, solange das Ausmaß der Biegung des Auslegers 17 im regulären Bereich ist, der Lichtstrahl auf denselben Ort an der Rückseite des Auslegers abgestrahlt, was zur Folge hat, dass der Lichtstrahl schließlich an derselben Position in den Photodetektor eintritt.
  • Als Nächstes wird die dritte Ausführungsform des Rastersondenmikroskops der vorliegenden Erfindung anhand 13 erläutert. 13 entspricht 12. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform, mit der sie verglichen wird, darin, dass das Lichtquellen-Unterstützungselement 32 mit der Lichtquelle 31 und das Photodetektor-Unterstützungselement 380 mit dem Photodetektor 37 nicht an dem Y-Bewegungsabschnitt 132, sondern an dem X-Bewegungsabschnitt 122 des X-Feinbewegungsmechanismus 12 befestigt sind. Die übrigen Konfigurationen sind jenen der zweiten Ausführungsform gleich.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird der Y-Bewegungsabschnitt 132 zusammen mit dem X-Bewegungsabschnitt 122 des X-Feinbewegungsmechanismus 12 mit hoher Empfindlichkeit bewegt. Aus diesem Grund ist, wenn sich der Y-Bewegungsabschnitt 132 in Y-Richtung bewegt, der Abstand zwischen der Lichtquelle 31 und dem dritten reflektierenden Abschnitt 33 bzw. der Abstand zwischen dem vierten reflektierenden Abschnitt 35 und dem Photodetektor 37 veränderlich, während die optische Achse in Y-Richtung unveränderlich ist und auf die gleiche Weise wie bei der oben angegebenen Ausführungsform auf einer Geraden gehalten wird.
  • Als Nächstes wird die vierte Ausführungsform des Rastersondenmikroskops der vorliegenden Erfindung anhand 14 und 15 erläutert. Die vorliegende Erfindung stellt ein Rastersondenmikroskop dar, das zusammen mit einem Lichtmikroskop als eine Baugruppe konfiguriert ist, auf welche die Feinbewegungsmechanismen in X-, Y-, und Z-Richtung sowie das optische Erfassungssystem und dergleichen, die in der zweiten Ausführungsform (10-12) gezeigt worden sind, angewendet werden. 14 zeigt eine Teilschnittansicht längs einer Linie parallel zur Y-Richtung, und 15 ist eine Seitenansicht mit einem Teilschnitt in Y-Richtung, bei Betrachtung der rechten Seite in 14. Außerdem weisen die Komponenten, die den in den oben angegebenen Ausführungsformen erläuterten Komponenten im Wesentlichen gleich sind, jeweils die gleichen Bezugszeichen auf, und ihre ausführliche Erläuterung entfällt.
  • In den Figuren bezeichnet ein Bezugszeichen 111 ein Unterstützungselement für das Rastersondenmikroskop, wobei dieses Unterstützungselement 111 an einer Unterstützungsbasis 46 befestigt ist. Das Unterstützungselement 111 ist mit einer Öffnung 111a versehen. Der X-Feinbewegungsmechanismus 12, der in der zweiten Ausführungsform erläutert wurde, ist an dem Unterstützungselement 111 angebracht, wobei seine ortsfesten Abschnitte 120 beiderseits des Elements 111 mit Bolzen 124 befestigt sind. Der XYZ-Grobbewegungsmechanismus 43 ist an der Unterstützungsbasis 46 befestigt. Der XYZ-Grobbewegungsmechanismus 43 ist so beschaffen, dass er in X- bzw. Y-Richtung über die Entfernung von beispielsweise 250 mm oder mehr, in Übereinstimmung mit der Größe der Probe 42, woran Messungen auszuführen sind, beweglich ist. Ein Lichtmikroskop 49 umfasst einen Rahmen 47 und die objektseitige Linse 18. Der Rahmen 47 ist an der oben erwähnten Unterstützungsbasis 46 befestigt. Die objektseitige Linse 18 ist durch die Öffnung 111a des Unterstützungselements 111, die Öffnung 132a des Y-Bewegungsabschnitts 132 in den Innenraum des zylindrischen Z-Feinbewegungsmechanismus 14 eingeführt und des Weiteren so angeordnet, dass sie dem Messabschnitt einschließlich der Sondenspitze 16 gegenüberliegt.
  • Im Übrigen wird in der vierten Ausführungsform des Rastersondenmikroskops die in 1-3 gezeigte Konfiguration als X- und Y-Feinbewegungsmechanismuseinheit verwendet. Jedoch könnte auch die in 4 oder die in 5 und 6 gezeigte Feinbewegungsmechanismuseinheit Anwendung finden.
  • Wie bei allen weiter oben angeführten Rastersondenmikroskopen hält die Konfiguration des Lichtstrahlengangs und dergleichen in dem optischen Erfassungssystem die optische Achse immer an der im Voraus festgelegten regulären Position an der Rückseite des Auslegers 17, auch wenn sich der Ausleger 17 und die Sondenspitze 16 in irgendeine der X-, Y- und/oder Z-Richtung bewegen. Ferner können entsprechend dem getrennten Aufbau des X-Feinbewegungsmechanismus und des Y-Feinbewegungsmechanismus als verschiedene Mechanismen die Belastungen, die an dem Y-Feinbewegungsmechanismus wirksam werden, verringert werden. Wenn beispielsweise die Y-Richtung als eine Abtastrichtung festgelegt ist, in der ein Abtastvorgang ausgeführt wird, und die X-Richtung als eine Vorschubrichtung festgelegt ist, in welcher ein Vorschubvorgang ausgeführt wird, kann in der Abtastrichtung eine Bewegung mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden, und des Weiteren hat die mit hoher Geschwindigkeit ausgeführte Bewegung in Abtastrichtung einen starken Einfluss auf die Hochgeschwindigkeitsbetriebsart der gesamten Messung. Folglich kann die Verminderung der auf den Y-Feinbewegungsmechanismus einwirkenden Belastungen zur Schnellmessung führen.
  • Obwohl in jeder der oben angegebenen Ausführungsformen Beispiele des Raster-Kraftmikroskops erläutert worden sind, kann das optische Erfassungssystem der vorliegenden Erfindung auf alle Arten des Rastersondenmikroskops mit ähnlichem Aufbau angewendet werden, die die oben erwähnte Sondenspitze und den Ausleger enthalten. Obwohl die Beziehung zwischen dem X-Feinbewegungsmechanismus und dem Y-Feinbewegungsmechanismus so festgelegt ist, dass der Letztere in den mittigen Abschnitt des Ersteren integriert ist oder dass der Letztere an dem Ersteren angebracht ist, kann diese Beziehung zwischen den beiden Mechanismen umgekehrt werden. Im Umkehrfall ist der X-Feinbewegungsmechanismus in den mittigen Abschnitt des Y-Feinbewegungsmechanismus in einem Körper integriert oder an ihm als ein weiteres Element angebracht, wobei ferner der Z-Feinbewegungsmechanismus einschließlich des damit verbundenen Mechanismus an dem X-Feinbewegungsmechanismus angebracht ist. Außerdem ist der oben erwähnte Z-Bewegungsabschnitt nicht unbedingt erforderlich, wobei der Ausleger in dem Z-Feinbewegungsmechanismus direkt an dem piezoelektrischen Aktuator angeordnet sein kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, da die Feinbewegungsmechanismuseinheit, welche die Sondenspitze und dergleichen mit hoher Empfindlichkeit bewegt, in drei Abschnitte geteilt ist, die der X-, Y- bzw. Z-Richtung entsprechen und unabhängig voneinander sind, damit sie sich nicht gegenseitig störend beeinflussen, die Belastung des Feinbewegungsmechanismus, der bei der Messung die Sondenspitze und dergleichen mit hoher Empfindlichkeit bewegt, verringert werden und die Abtastbewegungen in X- und Y-Richtung können verbessert werden, wobei des Weiteren große Proben problemlos gemessen werden können.
  • Da die Komponenten des optischen Erfassungssystems zur Erfassung des Biegeverformungsbetrags des Auslegers unter Verwendung der Nebenräume des oberen Raums über dem Ausleger positioniert sind, kann außerdem ein Raum sichergestellt werden, der für ein Einsetzen des Lichtmikroskops und dergleichen, das in der Lage ist, den Messabschnitt einschließlich der Sondenspitze und des Auslegers von der Oberseite aus zu beobachten, verwendet wird. Ferner kann, da bei der Konfiguration zur Erfassung des Biegeverformungsbetrags des Auslegers unter Verwendung des optischen Erfassungssystems der Strahlengang (die optische Achse) entsprechend den im Voraus festgelegten Richtungen unter Verwendung mehrerer reflektierender Abschnitte ausgebildet ist, der Lichtstrahl immer zu dem im Voraus festgelegten Ort an der Rückseite des Auslegers abgestrahlt werden, selbst wenn sich die Sondenspitze und der Ausleger in irgendeiner Richtung, der X-, Y-, und/oder Z-Richtung, bewegen. Dadurch kann, wenn sich die Sondenspitze mit hoher Empfindlichkeit in Richtung der drei Achsen X, Y, Z bewegt, die sich in Bezug auf die Probe unter rechten Winkeln schneiden, ein Fleck auffallenden Lichts an dem Ausleger und ein Fleck einfallenden Lichts auf der Licht empfangenden Oberfläche des Photodetektors unter der Bedingung, dass der Biegeverformungsbetrag des Auslegers immer denselben Wert hat, in einem regulären Bereich gehalten werden.

Claims (5)

  1. Rastersondenmikroskop, mit: einem Unterstützungselement (11); einem Ausleger (17), der an seinem Ende eine Sondenspitze (16) besitzt; einem X-Feinbewegungsmechanismus (12), um den Ausleger (17) in einer X-Richtung zu bewegen, um eine Abtastoperation in X-Richtung auszuführen, der versehen ist mit zwei festen Abschnitten (120), die an dem Unterstützungselement (11) befestigt sind, wenigstens zwei Paaren von Parallelplatten-Biegungsabschnitten (121a), die zwischen den zwei festen Abschnitten (120) angeordnet sind, einem X-Bewegungsabschnitt (122), der in der X-Richtung beweglich ist und mit jedem der zwei festen Abschnitte (120) über jedes der zwei Paare von Parallelplatten-Biegungsabschnitten (121a) verbunden ist, und zwei piezoelektrischen X-Richtungsaktuatoren (123), die den X-Bewegungsabschnitt (122) dazu veranlassen, sich relativ zu den festen Abschnitten (120) zu bewegen, wobei jeder der zwei piezoelektrischen X-Richtungsaktuatoren (123) zwischen zwei parallelen Platten in jedem der zwei Paare von Parallelplatten-Biegungsabschnitten (121a) angeordnet ist; einem Y-Feinbewegungsmechanismus (13), um den Ausleger (17) in einer zu der X-Richtung senkrechten Y-Richtung zu bewegen, um eine Abtastoperation in Y-Richtung auszuführen, der versehen ist mit wenigstens zwei anderen Paaren von Parallelplatten-Biegungsabschnitten (131a), wovon zwei parallele Platten in jedem Paar in der zu der X-Richtung senkrechten Y-Richtung angeordnet sind, einem Y-Bewegungsabschnitt (132), der in der Y-Richtung beweglich ist und mit dem X-Bewegungsabschnitt (122) über die zwei anderen Paare von Parallelplatten-Biegungsabschnitten (131a) verbunden ist, und zwei piezoelektrischen Y-Richtungsaktuatoren (133), die den Y-Bewegungsabschnitt (132) dazu veranlassen, sich relativ zu den X-Bewegungsabschnitt (122) zu bewegen, wobei jeder der zwei piezoelektrischen Y-Richtungsaktuatoren zwischen den zwei parallelen Platten in jedem der zwei anderen Paare von Parallelplatten-Biegungsabschnitten (131a) angeordnet ist; einem Z-Feinbewegungsmechanismus (14), der an dem Y-Bewegungsabschnitt (132) befestigt ist, um den Ausleger (17) in einer Z-Richtung, die sowohl zu der X- als auch zu der Y-Richtung senkrecht ist, anzunähern oder zu entfernen, und der versehen ist mit einem Z-Bewegungsabschnitt (141), der in der Z-Richtung beweglich ist, die sowohl zu der X- als auch zu der Y-Richtung senkrecht ist, und einem piezoelektrischen Z-Richtungsaktuator (142), der den Z-Bewegungsabschnitt (141) dazu veranlasst, sich zu bewegen; und einer optischen Erfassungseinheit, um einen Biegungsvertormungsbetrag des Auslegers (17) zu erfassen, wenn er sich aufgrund einer Änderung ein wechselseitigen funktionalen Kraft zwischen der Sondenspitze (16) und einer Probe (42) biegt; wobei der Ausleger (17) an einer Unterseite des Z-Feinbewegungsmechanismus (14) befestigt ist und die Sondenspitze (16) auf die auf einem Probenstand (43) befindliche Probe (42) mit einem vorgegebenen Trennabstand zwischen ihnen gerichtet ist, wenn eine Messung ausgeführt wird, wobei die optische Erfassungseinheit eine Lichtquelle (31) und einen Photodetektor (37) aufweist, die an dem Y-Bewegungsabschnitt (132) des Y-Feinbewegungsmechanismus (13) befestigt sind, und ferner einen ersten reflektierenden Abschnitt (44) aufweist, um einen von der Lichtquelle (31) ausgesendeten Lichtstrahl in der Bewegungsrichtung des Z-Feinbewegungsmechanismus (14) zu reflektieren und ihn zu einer Rückseite des Auslegers (17) zu führen, und einen zweiten reflektierenden Abschnitt (45) aufweist, um den Lichtstrahl von der Rückseite des Auslegers (17) zu der Bewegungsrichtung des Z-Feinbewegungsmechanismus (14) zu reflektieren, um ihn so zu dem Photodetektor (37) zu senden, wobei der erste und der zweite reflektierende Abschnitt (44, 45) an dem Z-Feinbewegungsmechanismus (14) befestigt sind, so dass ihre räumliche Beziehung zu dem Ausleger (17) in einem vorgegebenen Zustand gehalten wird; und wobei ferner bei der Messung dann, wenn der Biegungsvertormungsbetrag des Auslegers (17) in einem regulären Bereich gehalten wird, wenn sich die Sondenspitze (16) bewegt, der Lichtstrahl zu einem völlig gleichen Lichtfleck auf der Rückseite des Auslegers (17) und ferner zu einem völlig gleichen Lichtfleck auf dem Photodetektor (37) geführt wird.
  2. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem die optische Erfassungseinheit einen dritten reflektierenden Abschnitt (33) aufweist, um den von der Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahl in der Bewegungsrichtung des Y-Feinbewegungsmechanismus (13) zu der Bewegungsrichtung des Z-Feinbewegungsmechanismus (14) zu reflektieren und ihn ferner zu dem ersten reflektierenden Abschnitt (44) zu führen, und einen vierten reflektierenden Abschnitt (35) aufweist, um den Lichtstrahl von dem zweiten reflektierenden Abschnitt (45) zu der Bewegungsrichtung des Y-Feinbewegungsmechanismus (13) zu reflektieren, damit er in den Photodetektor (37) eintritt, wobei der dritte und der vierte reflektierende Abschnitt (34, 35) an dem Y-Bewegungsabschnitt (132) des Y-Feinbewegungsmechanismus (13) befestigt sind.
  3. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 2, bei dem die Lichtquelle (31) und der Photodetektor (37) der optischen Erfassungseinheit nicht an dem Y-Bewegungsabschnitt (132) des Y-Feinbewegungsmechanismus (13) befestigt sind, sondern an dem X-Bewegungsabschnitt (122) des X-Feinbewegungsmechanismus (12) befestigt sind, wobei das Licht von der Lichtquelle (31) in der Bewegungsrichtung des Y-Feinbewegungsmechanismus (13) ausgesendet und zu dem dritten reflektierenden Abschnitt (33) geführt wird und das von dem vierten reflektierenden Abschnitt (35) reflektierte Licht auf den Photodetektor (37) in der Bewegungsrichtung des Y-Feinbewegungsmechanismus (13) auftrifft.
  4. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 1, bei dem der X-, der Y- und der Z-Feinbewegungsmechanismus (12, 13, 14) jeweils Öffnungen besitzen, die einen in Z-Richtung verlaufenden Raum bilden und verwendet werden, um eine weitere Beobachtungseinheit (18, 49) von einer oberen Position anzuordnen.
  5. Rastersondenmikroskop nach Anspruch 4, ferner mit einer Unterstützungsbasis (46), wobei das Unterstützungselement (11, 111), ein Probenstand (43) zum Anbringen der Probe (42), die so angeordnet ist, dass sie der Sondenspitze (16) zugewandt ist, eine Bewegungsbühne, um die Probe (42) in jeder der X-, Y- und Z-Richtungen zu bewegen, und ein Unterstützungsrahmen (47), um die Beobachtungseinheit (18, 49) zu unterstützen, an der Unterstützungsbasis (46) befestigt sind und wobei ein Objektabschnitt (18) der Beobachtungseinheit (49) in dem durch die Öffnungen gebildeten Raum angeordnet ist.
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