DE69026732T2

DE69026732T2 - Sonde

Info

Publication number: DE69026732T2
Application number: DE69026732T
Authority: DE
Inventors: Shuzo Hachioji-Shi Tokyo Mishima; Hirofumi Hachioji-Shi Tokyo Miyamoto; Hiroko Hachioji-Shi Tokyo Ohta; Takao Hachioji-Shi Tokyo Okada; Tsugiko Hachioji-Shi Tokyo Takase
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-02-13
Filing date: 1990-02-07
Publication date: 1996-12-05
Anticipated expiration: 2010-02-08
Also published as: DE69026732D1; JP2985153B2; EP0383182A3; EP0383182B1; JPH032503A; US5041783A; EP0383182A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sondeneinheit, die zur Verwendung mit einem Rastertunnelmikroskop (welches hier im weiteren Verlauf als STM bezeichnet wird) geeignet ist, das zum Analysieren der Oberflächenstruktur einer Probe unter Verwendung des Tunneleffekts von Elektronen gedacht ist.
Eine extrem hohe Auflösung aufweisende STMs, die in der Lage sind, Konvexitäten und Konkavitäten auf der Oberfläche einer Probe bis zu dem Grad von Atomen zu messen und ebenso den Zustand von Elektronen auf der zu betrachtenden Probenoberfläche zu messen, sind dieser Tage als die Vorrichtung zum Untersuchen von Oberflächen von verschiedenen Proben entwickelt worden. Eines von ihnen ist im US-Patent Nr. 4,343,993 offenbart. Gemäß diesem STM wird eine Vorspannung zwischen der Probe und der Sonde angelegt, um einen Tunnelstrom in einem solchen Zustand zu erzeugen, daß die leitfähige Sonde der zu betrachtenden Probenoberfläche mit einem zwischen ihnen liegenden Abstand von mehreren nm oder weniger angenähert wird. Ein Tunnelstrom, der von der Sonde erfaßt wird, welche die Probenoberfläche abtastet, wird abgebildet, um die zu betrachtende Probenoberfläche zu analyieren.
Der Grund, warum dieses STM eine genügende Auflösung aufweisen kann, um die Probenoberfläche bis zu dem Grad von Atomen zu analysieren und den Zustand von Elektronen auf der Probenoberfläche zu messen, ist, daß der Tunneleffekt von Elektronen verwendet wird. Der Tunneleffekt von Elektronen bedeutet, daß, wenn eine Vorspannung an zwei leitfähige Materialien (wie zum Beispiel die Metallsonde und die leitfähige Probe) in einem solchen Zustand angelegt wird, daß sie sich einander mit einem zwischen ihnen liegenden Abstand von mehreren 10 Å oder weniger annähern, ein Strom (welcher als Tunnelstrom bezeichnet wird) zwischen ihnen fließt. Für gewöhnlich sind Elektronen in einem Festkörper durch eine Bindungsenergie gebunden, welche als Austrittsarbeit bezeichnet wird, und sie können nicht nach außerhalb des Festkörpers getrieben werden, solange ihnen keine Energie, die größer als diese Bindungsenergie ist, hinzugefügt wird. Jedoch entweicht eine Elektronenwolke auf der Oberfläche des Festkörpers. Wenn sowohl die Sonde als auch die Probenoberfläche einander zu einem Tunnelbereich angenähert werden, der mehrere nm oder weniger in der Länge beträgt, werden deshalb Elektronenwolken, die von ihnen entweichen, einander überlappt, um dadurch ihre Elektronen frei bewegbar zu machen. Wenn eine Vorspannung in diesem Zustand an sie angelegt wird, fließt ein Tunnelstrom zwischen ihnen.
Ein Tunnelstrom I kann wie folgt ausgedrückt werden:
I e × p(-k φ d)
wobei k eine Konstante, φ einen Mittelwert von Austrittsarbeiten sowohl der Sonde als auch der Probe und d einen Abstand (oder Tunnelbereich) zwischen der Sonde und der Probe darstellt.
Wie es durch diese Formel ausgedrückt ist, hängt ein Tunnelstrom I stark von einem Abstand (d) ab und der Wert eines Tunnelstroms wird aufgrund eines Atoms, welches eine Konkavität oder Konvexität auf der zu betrachtenden Probenoberfläche ausbildet, um eine Einheit oder mehr geändert. Wenn der Tunneleffekt verwendet wird, kann deshalb eine Auflösung bezüglich der Probenoberfläche in der vertikalen Richtung der Probenoberfläche extrem erhöht werden.
Das STM, welches den Tunneleffekt verwendet, kann sowohl die folgenden Vorzüge als auch eine extrem hohe Auflösung aufweisen.
1) Eine Messung bezüglich der Probenoberfläche kann unter atmosphärischem Druck (oder Luft), Gas, Flüssigkeit, Vakuum und bei einer niedrigen Temperatur ausgeführt werden.
2) Atome der Probe können nicht im reziproken Gitterraum, sondern im physikalischen Raum betrachtet werden.
3) Eine Messung kann ohne ein Berühren und Beschädigen der Probe ausgeführt werden.
4) Die Probe kann, wie sie ist, ohne ein Anwenden irgendeines spezifischen Verfahrens an der Probe gemessen werden.
5) Die physikalische Oberflächeneigenschaft der Probe kann gemessen werden.
STMs sind unter Verwendung dieser Vorzüge in verschiedenen Gebieten angewendet worden.
Das Verhalten des STM wird nachstehend beschrieben.
Das STM beinhaltet eine Betätigungsvorrichtung zum Einstellen des Abstands zwischen der Sonde und der Probe in einer Richtung Z (oder einer Richtung einer Achse Z) und eine andere Betätigungsvorrichtung zum Einstellen der Probe in Richtungen (oder Richtungen von X und Y auf einer Ebene), die senkrecht zur Richtung Z verlaufen. Die Sonde, die eine spitze Spitze aufweist, wird der Probenoberfläche durch die Betätigungsvorrichtung der Richtung Z in einem solchen Grad angenähert, daß Elektronenwolken, die von beiden von ihnen entweichen, einander geringfügig überlappen. Eine Spannung (oder Tunnelspannung) wird zwischen ihnen angelegt, um zu bewirken, daß ein Tunnelstrom von der Sonde zu der Probe fließt. Die Probe wird durch die Betätigungsvorrichtung der Richtung XY in Richtungen X und Y bewegt, während die Betätigungsvorrichtung der Richtung Z servobetätigt wird, um einen Tunnelstrom bestimmt zu halten, und die zu betrachtende Probenoberfläche wird durch die Sonde zweidimensional abgetastet. Eine an die Betätigungsvorrichtung der Richtung Z, welche die Sonde servobetätigt, angelegte Servospannung, wird gelesen und abgebildet, um zu ermöglichen, daß die Probenoberfläche untersucht wird. Daß heißt, die Sonde tastet die Probenoberfläche ab, und wenn sie einem stuf igen Abschnitt auf der Probenoberfläche begegnet, erhöht sich ein Tunnelstrom. Deshalb ist die Sonde durch die Betätigungsvorrichtung der Richtung Z von der Probe getrennt, bis ein Tunnelstrom einen bestimmten Wert aufweisen wird. Der Betrag einer Bewegung der Sonde, die von der Betätigungsvorrichtung der Richtung Z bewirkt wird, ändert sich entsprechend Konkavitäten und Konvexitäten auf der Probenoberfläche Wenn eine Servospannung gelesen wird, während das Abtasten der Sonde bezüglich der Probenoberfläche wiederholt wird, kann deshalb die Abbildung der Probenoberfläche realisiert werden.
In dem Fall, in dem die zu betrachtende Probenoberfläche, auch wenn sie in einem atomaren Maßstab betrachtet wird&sub1; flach ist, wird die Sonde von der Betätigungsvorrichtung der Richtung Z nicht besonders eingestellt, sondern ein Tunnelstrom der lediglich erfaßt wird, wenn die Sonde die Probenoberfläche zweidimensional abtastet, kann abgebildet werden.
In dem Fall, in dem die Probe durch das STM zu untersuchen ist, wird die Probe direkt mit Augen betrachtet, um einen Punkt zu identifizieren, dessen Untersuchung notwendig ist, und dieser Punkt der Probenoberfläche wird dann durch das STM im Detail untersucht. Deshalb kann keine Messung bezüglich feiner Punkte, die direkt mit Augen schwierig zu betrachten sind, daß heißt, eine Messung bezüglich mehrerer Punkte auf einem Korn einer Keramik, eine Vergleichsmessung bezüglich mehrerer Punkte auf unterschiedlichen Körnern von Keramiken und eine Untersuchung bezüglich LSI-Mustern, Gittern und Löchern auf der Kompaktdisk ausgeführt werden.
In dem Fall, in dem diese feinen Punkte auf Probenoberflächen durch das STM zu untersuchen sind, wird das optische Mikroskop mit dem STM kombiniert, wobei die Probenoberfläche in einem großen Bereich durch das optische Mikroskop betrachtet wird, um einige Punkte in diesem Bereich der Probenoberfläche zu identifizieren, und diese identifizierten Punkte werden dann durch das STM im Detail untersucht. Eine Untersuchung bezüglich der feinen Punkte auf der Probenoberfläche kann somit ausgeführt werden.
Diese STM-Untersuchung macht es notwendig, daß sich die Sondeneinheit, welche als die Sonde dient, vor der Objektivlinse des optischen Mikroskops oder zwischen der Objektivlinse und der zu betrachtenden Probe befindet. Jedoch ist die Sondeneinheit optisch undurchsichtig. Diese un durchsichtige Sondeneinheit behindert deshalb das Sichtfeld des optischen Mikroskops, wodurch es unmöglich gemacht wird, daß das STM mit dem optischen Mikroskop kombiniert wird, um feine Punkte auf der Probenoberfläche zu untersuchen.
Solche STMs, die mit einem optischen Mikroskop kombiniert sind, sind aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 30, Nr. 5, Oktober 1987, Seiten 369 bis 370, New York, US, "optically transparent tip for tunneling microscopy" (im folgenden Verlauf als IBM-Bulletin bezeichnet) und aus der EP-A-0 331 148 bekannt. Das IBM-Bulletin offenbart ein STM mit einer optisch transparenten Spitze und einem Spitzenhalter, welcher unter einem herkömmlichen Mikroskop angeordnet werden kann. Der Spitzenhalter besteht aus einer optisch flachen Glasplatte, in der die Spitze auf dem Spitzenhalter als eine pyramidenförmige Erhöhung durch lithographische Verfahren gebildet ist und entweder aus massivem Metall oder einem transparenten Isolator besteht. Der Halter und die Spitze sind mit einem semitransparenten Metallfilm bedeckt, welcher als die Tunnelelektrode dient. Um die Abbildungsauflösung dieses STM zu verbessern, muß ein nachfolgendes Anspitzverfahren beinhaltet werden, um eine spitze Spitze zu erzielen. Dies kann zu einem Entfernen mindestens eines Teils des Metallfilms von der Spitze führen, was nachteilige Effekte auf die Charakteristik des STM verursachen würde.
In der EP-A-0 331 148 ist eine Mikroskopvorrichtung offenbart, die ein herkömmliches optisches Mikroskop und ein STM beinhaltet. Die Sondeneinheit des STM weist eine lichtdurchlässige Glasplatte auf, wobei eine Spitze an der Platte befestigt ist und sich parallel zu der optischen Achse des optischen Systems auf eine solche Weise ausdehnt, daß ihr proximaler Endabschnitt die Glasplatte durchdringt, wobei das distale Ende der Spitze durch ein elektrolytisches Polieren oder eine maschinelle Bearbeitung (Schleifen) angespitzt ist. Außerdem ist eine Leiterbahn, die aus einem leitfähigen Dünnfilm besteht, auf der Unterseite der Platte ausgebildet, wohingegen der innere Endabschnitt der Bahn mittels eines leitfähigen Klebstoffs, der zur Befestigung der Spitze an der Glasplatte verwendet wird, mit der Spitze verbunden ist. Der leitfähige Film ist durch einen Film aus Gold oder Platin ausgebildet, wobei er somit semitransparent ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Sondeneinheit zu schaffen, die in der Lage ist, eine STM-Untersuchung bezüglich der Oberfläche einer Probe durch eine Kombination des optischen Mikroskops und des STM auszuführen, ohne das Sichtfeld des optischen Mikroskops zu behindern, und welche ohne die Notwendigkeit eines Anspitz verfahrens nach einem Befestigen der Spitze einfach hergestellt werden kann.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden in der Beschreibung, welche folgt, dargelegt und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder können durch eine praktische Umsetzung der Erfindung erlernt werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mittels der Instrumentarien und Kombinationen, die insbesondere in den beiliegenden Ansprüchen ausgeführt sind, realisiert und erzielt werden.
Die Erfindung ist aus der folgenden detaillierten Beschreibung besser zu verstehen, wenn diese in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung durchgeführt wird, in welcher:
Die beiliegende Zeichnung, welche hierin eingeschlossen ist und einen Teil der Beschreibung bildet, gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt und zusammen mit der allgemeinen Beschreibung, die vorgehend gegeben worden ist, und der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele, die nachstehend gegeben wird, dazu dient, die Grundlagen der Erfindung zu erklären.
Fig. 1A bis 11 dazu gedacht sind, einige Ausführungs beispiele der vorliegenden Erfindung zu erklären, wobei Fig. 1A und 1B Schnitt- und Draufsichten zeigen, die ein Beispiel der Sondeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen;
Fig. 2A bis 2E und 3A bis 3D unterschiedliche Verfahren zur Herstellung der Sondeneinheit zeigen;
Fig. 4A bis 4D unterschiedliche transparente Substrate zeigen;
Fig. 5 bis 7 unterschiedliche Anwendungen der Sondeneinheit zeigen;
Fig. 8A bis 8C die Anordnung einer dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung zeigen, in welchen Fig. 8A eine Draufsicht, Fig. 8B eine Seitenansicht und Fig. 8C eine Schnittansicht darstellen;
Fig. 9 dazu gedacht ist, zu erklären, wie die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung angetrieben wird;
Fig. 10 und 11 andere unterschiedliche Anwendungen der Sondeneinheit zeigen; und
Fig. 12 bis 15 Ausgestaltungen der Sondeneinheit zeigen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Sondeneinheit, das in den Figuren 1A und 1B gezeigt ist, weist ein scheibenähnliches Substrat 2, das aus einem transparenten Material besteht, eine transparente Elektrode 3, welche eine transparente leitfähige Schicht ist, welche über das ganze Substrat 2 aufgetragen ist, und einen Metalldraht 4 auf, dessen spitze vordere Spitze vertikal und nach oben von der Mitte des Substrats 2 durch die transparente Elektrode 3 hervorsteht.
Das Material, aus welchem das Substrat 2 besteht, ist lichtempfindliches Glas PEG 3 (hergestellt von HOYA). Dieses lichtempfindliche Glas PEG 3 ist ein Silikat, das durch ein Schmelzen von Metallionen zusammen mit einem Sensibilisator hergestellt ist, und wenn ein Erwärmungs und Entwicklungsverfahren an diesem Abschnitt des lichtempfindlichen Glases PEG 3 angewendet wird, welcher durch ultraviolette Strahlen belichtet ist, kann an diesem Abschnitt des lichtempfindlichen Glases PEG 3 ein Kristall entwickelt werden. Dieses Kristall ist ziemlich fein und schmilzt leicht mit Säure. Es ist deshalb hervorragend so herstellbar, daß es eine feine Form aufweist, und es kann zu einem Zeitpunkt in einem Massenumfang verarbeitet werden. Das scheibenförmige Substrat 2 weist einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 1 mm auf. Ein Loch, das einen Durchmesser von 100 µ aufweist, dehnt sich entlang der Mittenachse des scheibenähnlichen Substrats 2 aus. Wenn dieses Loch auszubilden ist, wird die obere Oberfläche des Substrats 2 auf eine solche Weise maskiert, daß ein kreisförmiger Bereich, der einen Durchmesser von 100 µ aufweist, in der Mitte des Substrats 2 erscheint, und dieses maskierte Substrat 2 wird durch ultraviolette Strahlen belichtet. Der kreisformige Bereich des Substrats 2, der somit belichtet ist, wird dann erwärmt und entwickelt, um ein Kristall aufzuwachsen, welches mit Säure schmilzt.
Zinnoxid wird auf die Oberfläche des Substrats 2, das mit dem Loch versehen ist, vakuumabgeschieden und eine transparente Elektrode 3 wird somit auf dem Substrat 2 ausgebildet. Die Vakuumabscheidung wird unter Verwendung einer Tafel, die mit Indium dotiert ist, als Zinnoxid und ebenso unter Verwendung eines Elektronenstrahls als die Vakuumabscheidungsquelle an dem Substrat 2 angewendet, welches bei 300ºC erwärmt gehalten wird. Die somit ausgebildete transparente Elektrode 3 weist in ihrer Mitte ein Durchgangsloch auf, das koaxial mit dem Loch des Substrats 2 in Verbindung steht.
Ein Oberflächenwiderstand in dieser Elektrode 3 war niedriger als 100 Ω cm.
Der Metalldraht 4 besteht aus Pt-Ir (Platiniridium). Andere Materialien, wie zum Beispiel W (Wolfram) und Pt (Platin) können verwendet werden. Die vordere Spitze des Metalldrahts 4 wird durch elektrolytisches Polieren angespitzt. Die spitze Spitze des Metalldrahts 4 steht ungefähr 1 mm von der oberen Oberfläche des Substrats 2 hervor und ihr Stamm ist in das Loch des Substrats 2 eingebettet, geht durch das Durchgangsloch der Elektrode 3 und ist durch einen Klebstoff an der Elektrode 3 und dem Substrat 2 befestigt. Ein leitfähiger Klebstoff (Cycolon B; Handelsname) wird als der Klebstoff verwendet und wenn dieser leitfähige Klebstoff verwendet wird, kann der Metalldraht 4 elektrisch mit der transparenten Elektrode 3 verbunden werden, und sie können äquipotential gemacht werden.
Die wie zuvor beschrieben hergestellte Sondeneinheit 1 befindet sich zum Beispiel vor der Objektivlinse des optischen Mikroskops oder zwischen der Objektivlinse und einer Probe. Die Sondeneinheit 1 oder die Probe wird in Richtung Z bewegt, um die spitze Vorderseite des Metalldrahts 4 der Probe anzunähern. Eine Spannung wird in diesem Zustand von außen durch die transparente Elektrode 3 an den Metalldraht 4 angelegt und ein Tunnelstrom wird somit durch die spitze Spitze des Metalldrahts 4 erfaßt. Eine STM-Untersuchung wird bezüglich der Oberfläche der Probe auf der Grundlage des Tunnelstroms, der erfaßt wird, während die Probe in Richtungen X - Y bewegt wird, ausgeführt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Sondeneinheit 1 mit Ausnahme ihres Metalldrahts 4 und jenen Abschnitten des Substrats 2 und der Elektrode 3, welche mit dem Metall 4 verbunden sind, optisch transparent gemacht. Wenn eine STM-Untersuchung mit der Sondeneinheit 1 auszuführen ist, die sich vor der Objektivlinse oder zwischen der Objektivlinse und der Probe befindet, kann deshalb die spitze Spitze des Metalldrahts 4 von der Fokussierungspositon des optischen Mikroskops in der Richtung der optischen Achse davon bewegt werden. Die spitze Spitze des Metalldrahts 4 kann somit von der Fokussierungsposition verschoben werden und die Probenoberfläche kann durch die Sondeneinheit 1 ohne ein Behindern des Sichtfelds des Mikroskops untersucht werden.
Eine in Fig. 12 gezeigte Sondeneinheit beinhaltet anstatt einer transparenten Elektrode einen Metalldraht 5, der elektrisch mit dem Sockel der Sonde 4 verbunden ist, zum Zuführen einer elektrischen Leistung zu der Sonde 4. Obgleich sie dadurch zu dem vorhergehenden Ausfuhrungsbeispiel minderwertiger ist, daß das Sichtfeld des optischen Mikroskops teilweise behindert wird, wird unter praktischen Gesichtspunkten, wenn ein Fokussierungspunkt eines optischen Systems an einer Sondenspitze ausgebildet wird, insbesondere innerhalb des Sichtfelds, das proximale Ende der Sonde stark von dem Fokussierungspunkt verschoben und wird nicht in den Fokussierungszustand gesetzt. Somit wird das Sichtfeld auch dann nicht behindert, wenn ein Metalldraht 5, der in Fig. 12 gezeigt ist, der von der Sonde 4 direkt nach außerhalb des Lichtflusses führt, oder ein Leitermuster 8 vorgesehen ist, alternativ weist eine Sonde, wie sie in Fig. 13 gezeigt ist, ein Leitermuster 8 auf, welches von der Sonde 4 führt und durch ein Abscheiden von Au auf dem transparenten Substrat 2 ausgebildet ist und welches optisch undurchsichtig wird.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 2A bis 2C wird es be schrieben, wie ein zweites Ausführungsbeispiel der Sondeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Eine Sondeneinheit 1 weist ein transparentes Substrat 2, eine transparente Elektrode 3, die auf dem Substrat 2 ausgebildet ist, und einen Metallüberstand 4 auf, der in der Mitte der transparenten Elektrode 3 durch eine Vakuumabscheidung ausgebildet ist.
Ein einkristalliner Saphir wird als tranparente Elektrode 2 verwendet. Er wird ähnlich einer Scheibe verarbeitet, die einen Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 1 mm aufweist. Seine oberen und unteren Seiten werden poliert, daß sie eine Oberflächenrauhheit einer C-Fläche aufweisen. Dieses Substrat 2 wird hier im weiteren Verlauf als ein Saphirsubstrat bezeichnet.
Wie in dem Fall der ersten Sondeneinheit zu sehen ist, wird Zinnoxid auf die Oberfläche des Saphirsubstrats 2 vakuumabgeschieden, um darauf eine transparente Elektrode auszubilden. Fig. 2A zeigt die transparente Elektrode 3, die auf dem Substrat 2 ausgebildet ist. Wie es in Fig. 2B gezeigt ist, wird eine 5 mm dicke Glasplatte 5, die in ihrer Mitte ein Loch aufweist, dessen Durchmesser 50 µm beträgt, auf der transparenten Elektrode 3 angeordnet, wobei ihr Loch zu der Mitte des Saphirsubstrats 2 ausgerichtet ist. Als Ergebnis wird die obere Oberfläche der transparenten Elektrode 3 durch die Glasplatte 5 mit Ausnahme ihres Mittenbereichs maskiert.
Das Saphirsubstrat 2, das mit der Glasplatte 5 versehen ist, wird an eine Kupferplatte angebracht, welche in der Vakuumkammer, der Zerstäubungsvorrichtung (zum Beispiel SPF-430H, hergestellt von der Anerva Corporation) befestigt wird. Es wird dann ein Zerstäuben ausgeführt, das den Grad von Vakuum in der Kammer höher als 1,333 x 10&supmin;&sup6; mbar (1 x 10&supmin;&sup6; Torr) hält und Pt als das Target verwendet, um dadurch die Schicht aus Pt in dem Loch der Glasplatte 5 auszubilden. Das Saphirsubstrat 2 wird zu diesem Zeitpunkt höher als 250ºC erwärmt, um Pt gut mit Saphir zu verbinden.
Wenn das Zerstäuben beendet ist, wird das Saphirsubstrat 2 allmählich in der Vakuumkammer gekühlt, und wenn die Temperatur des Saphirsubstrats 2 zur Raumtemperatur verringert ist, wird es aus der Vakuumkammer genommen und seine Maske 5 wird entfernt.
Ein Überstand 4 aus Pt, welcher als die Sonde dient, welche einen Durchmesser von 50 µm und eine Höhe von 10 µm aufweist, kann auf der transparenten Elektrode 3 ausgebildet werden, wie es in Fig. 2C gezeigt ist. Das Saphirsubstrat 2 kann im Zuge des Zerstäubungsverfahrens geneigt werden, um die Spitze des Überstands 4 anzuspitzen.
Um den Winkel der Spitze des Überstands anzuspitzen, wird dem Schritt, der in Fig. 2C dargestellt ist, nachfolgend eine Maske 15 mit einer Öffnung von ungefähr 3 µ so angeordnet, daß sich die Öffnung über dem Überstand 4 befindet, wobei ein Abstandshalter verwendet wird, wie es von der Stanford-Universität vorgeschlagen worden ist. Dann wird, wie es durch Pfeile in der Figur gezeigt, Metall, wie zum Beispiel Pt, Ir oder W zerstäubt, wie es in Fig. 2D gezeigt ist.
In diesem Fall verschmälert das Metall, das auf die Maske 15 abgeschieden ist, allmählich die Öffnung, da die Öffnung in der Maske ausreichend klein ist, und ein Metallabschnitt, der auf dem Überstand 4 abgeschieden ist, wird angespitzt. Wenn die Öffnung in der Maske 15 abgeschlossen ist, ist eine Metallsonde mit einem einzeln abgeschiedenen Partikel auf ihrer Spitze auf dem Überstand ausgebildet, wie es in Fig. 2E gezeigt ist.
Dieses Verfahren kann in dem Maskierverfahren, daß in Fig. 2B dargestellt ist, ausgeführt werden.
Wenn eine so hergestellte Sondeneinheit 1 verwendet wird, kann eine STM-Untersuchung auch bei einer Kombination eines STM und des optischen Mikroskops ohne eine Behinderung des Sichtsfelds des optischen Mikroskops ausgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 3A bis 3D wird es beschrieben, wie ein drittes Ausführungsbeispiel der Sondeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird. Eines der Substrate, das in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet wird, wird verwendet. Zinnoxid wird auf die Oberfläche eines Substrats 2 vakuumabgeschieden, um darauf eine transparente Elektrode 3 auszubilden. Fig. 3A zeigt die auf dem Substrat 2 ausgebildete transparente Elektrode 3. Wie es in Fig. 3B gezeigt ist, wird Au auf die transparente Elektrode 3 vakuumabgeschieden, um einen Au- Film 6, der 5 µm oder weniger dick ist, darauf auszubilden.
Der Mittenbereich des Au-Films 6 wird durch ein kreisförmiges Photoresist 7 maskiert, dessen Durchmesser 10 µm beträgt, und dann durch Königswasser geätzt, wie es in Fig. 3C gezeigt ist. Die Maske wird somit entfernt und ein konischer Au-Überstand 4, der einen Durchmesser von 10 µm und eine Höhe von 5 µm aufweist, wird auf der transparenten Elektrode 3 ausgebildet, um als eine Sonde für die Sondeneinheit 1 zu dienen.
Überstände 4 der zweiten und dritten Sondeneinheiten 1 sind verglichen mit dem einen der ersten Sondeneinheit 1 extrem kürzer, wenn sie von den vordersten Enden zu der Oberfläche des Substrats 2 gemessen werden. Wenn die Probenoberfläche Konkavitäten und Konvexitäten aufweist,, deren Tiefe und Höhe größer als die Höhe des Überstands 4 sind, und das Substrat 2 nicht parallel zu der Probenoberfläche angeordnet ist, wenn die Sondeneinheit 1 der Probenoberfläche anzunähern ist, kann deshalb durch den Überstand 4 der Sondeneinheit 1 kein Tunnelstrom erfaßt werden. Dies macht es notwendig, die Gestalt des Substrats 2 verschieden zu entwerfen.
Substrate 2, die in den Figuren 4A bis 4D gezeigt sind, sind so entworfen, daß sie die zuvor erwähnte Notwendigkeit erfüllen. In dem Fall der Substrate 2, die in den Figuren 4A und 4B gezeigt sind, ist ein Vorsprung 31, auf welchem die Sonde oder der Überstand (nicht gezeigt) befestigt ist, in der Mitte des Substrats 2 ausgebildet, um den Abstand, der sich von der Oberfläche des Sustrats 2 zu dem vordersten Ende des Überstands ausdehnt, zu verlängern. Zum Zwekke eines Verhinderns, daß der Vorsprung 31 das Sichtfeld des optischen Mikroskops behindert, ist sein Durchmesser zum Beispiel kleiner als 200 µm, wenn das Sichtfeld des optischen Mikroskops 400fach ist. Das in Fig. 4C gezeigte Substrat weist eine kleinste Form auf, um zu ermöglichen, daß der Lichtfluß, der von der Objektivlinse des optischen Mikroskops gesammelt wird, dadurch durchdringt. Wenn die Verstärkung der Objektivlinse zum Beispiel 40fach ist, wird die Spitze des Substrats so eingestellt, daß sie einen Durchmesser von ungefähr 2 mm aufweist. Wenn sie auf diese Weise angeordnet ist, kann die Vorderseite des Überstands den Tunnelstrom erfassen, wenn angenommen wird, daß eine Tiefe und Höhe von Konkavitäten und Konvexitäten, die auf der Probenoberfläche in Bereichen von ungefähr 2 mm vorhanden sind, kleiner als die Höhe des Überstands ist, der von dem Substrat hervorsteht. Die Oberfläche des Substrats, das in Fig.4D gezeigt ist, ist sphärisch hergestellt. Es kann vorgesehen sein, daß eine sphärische Linse als dieses Substrat verwendet wird und daß die transparente Elektrode und der Überstand auf der Linse ausgebildet werden.
Es wird beschrieben, wie eine Sondeneinheit unter Verwendung des in Fig. 4A gezeigten Substrats hergestellt wird. Ein einkristalliner Saphir wird als das Substrat in eine Scheibe verarbeitet, die einen Durchmesser von 10 mm aufweist, und die Substratoberfläche wird behandelt, um ih re Kristallachse zu belichten, um eine C-Fläche auszubilden. Ein Vorsprung wird in der Mitte des Substrats unter Verwendung einer Linsenverarbeitungsmaschine von Saita (hergestellt von Saita Machineries Corporation) ausgebildet. Der Vorsprung ist ähnlich einem konischen Trapez 500 µm hoch geformt und er weist einen Durchmesser von 80 µm an der Spitze und einen Durchmesser von 150 µm an dem Sockel auf. Die Substratoberfläche mit Ausnahme des Vorsprungs wird poliert, um eine Oberflächenrauheit von ungefähr λ auf zuweisen. Eine transparente Elektrode wird auf die Substratoberfläche, die den Vorsprung beinhaltet, vakuumabgeschieden. Wenn die transparente Elektrode auf der Substratoberfläche ausgebildet ist, wird die Substratoberfläche mit Ausnahme des Mittenbereichs der Spitze des Vorsprungs durch ein Photoresist maskiert und der Mittenbe reich auf der Spitze des Vorsprungs wird in Übereinstimmung mit einem Zerstäubungsverfahren mit Pt bedeckt. Das Zerstäuben wird unter den gleichen Bedingungen wie jenen in dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgeführt, aber das Substrat wird nicht erwärmt, da das Photoresist wärmezerbrechlich ist. Nachdem das Substrat aus der Vakuumkammer genommen worden ist, wird das Photoresist von ihm entfernt. Die Sondeneinheit, die mit einem Überstand 10 versehen ist, der von der Mitte der Oberseite des Vorsprungs hervorsteht, ist somit hergestellt.
Es ist bevorzugt, daß das Material, aus welchem das Substrat der Sondeneinheit besteht, abhängig davon geändert wird, welchen Messwellenlängenbereich das optische Mikroskop aufweist. In dem Fall der herkömmlichen optischen Mikroskope sind Materialien, die eine hohe Durchlässigkeit im sichtbaren Strahlungsbereich aufweisen, wie zum Beispiel Glas (zum Beispiel Natronkalkglas, Borsilikatglas. Hartglas, Quarzglas und lichtempfindliches Glas), Acryl (zum Beispiel epoxyddenaturisiertes Acryl, styrendenaturisiertes Acryl und Hochpolymeracryl), ein einkristalliner Saphir und Polycarbonat, für das Substrat bevorzugt. In dem Fall eines Verwendens von Licht, das solche Wellenlängen aufweist, wie es zu dem Bereich ultravioletter Strahlen gehört, wie es bei den Fluoreszenzmikroskopen zu sehen ist, sind Aluminosilikatglas, Quarzglas und einkristalliner Saphir, welche es erlauben, daß ultraviolette Strahlen dadurch hindurchgehen, für das Substrat geeignet.
In dem Fall, in dem Licht, das solche Wellenlängen aufweist, wie sie zu dem Bereich infraroter Strahlen gehören, verwendet wird, wie es bei den Infrarotmikroskopen zu sehen ist, sind KBr und Halit, die beim Bereich infraroter Strahlen eine hohe Durchlässigkeit aufweisen, bevorzugt. In dem Fall des Bereichs nahe infraroter Strahlen (dessen Wellenlängenbereich ungefähr 1 - 3 µm ist), sind Silikatglas und einkristallines Glas bevorzugt.
In dem Fall von Röntgenstrahlenmikroskopen ist es bevorzugt, Belynum als das Substrat zu verwenden.
Fig. 5 zeigt die Sondeneinheit zur STM-Untersuchung, die bezüglich der Objektivlinse des optischen Mikroskops angeordnet ist. Das Bezugszeichen 41 bezeichnet einen Objektivlinsenkörper des optischen Mikroskops und ein ringförmiges Trägerteil 42 ist entfernbar und konzentrisch bezüglich des Außenumfangs des Objektivlinsenkörpers 41 angeordnet. Ein Verschrauben ohne Muttern und ein Verschrauben mit Muttern werden als ein Mittel zum Anbringen des Trägerteils 42 am Objektivlinsenkörper 41 verwendet. Der Sockel einer zylindrischen dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 43, welche den Außenumfang des vorderen Endabschnitts des Objektivlinsenkörpers 41 einschließt, ist an dem Trägerteil 42 befestigt oder entfernbar angebracht. Die Sondeneinheit 1 ist mit einer hohen Genauigkeit an dem vorderen Ende der dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 43 angebracht. Die Sondeneinheit 1 beinhaltet ein transparentes Substrat 2, eine transparente Elektrode 3 und einen leitfähigen Überstand 4, welcher als Sonde dient, und eines der zuvor beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsbeispiele wird als die Sondeneinheit 1 verwendet. Die Sondeneinheit 1 ist mit der dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 43 kombiniert, um eine Tunnelabtasteinheit 47 auszubilden, welche eingestellt ist, um sich bezüglich der un tersuchten Oberfläche der Probe S in den vertikalen und horizontalen Richtungen (oder Richtungen Z und X - Y) zu bewegen.
In dem Fall eines STM, das mit dieser Abtasteinheit 47 versehen ist, wird derjenige Oberflächenbereich der Probe S, welcher STM-abzutasten ist, mit dem transparenten Substrat 2, das sich zwischen dem Objektivlinsenkörper 41 und der Probe S befindet, unter einer solchen Bedingung durch das optische Mikroskop untersucht, daß die Mit tenachse des Überstands 4 der Sondeneinheit 1 zu der optischen Achse der Objektivlinse 41 ausgerichtet ist. Der Überstand 4 wird dem Oberflächenbereich der zu untersuchenden Probe S angenähert, während dieser Oberflächenbereich, welcher ebenso STM-abzutasten ist, durch das optische Mikroskop untersucht wird. Der Überstand 4 der Sondeneinheit 1 wird dann durch die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 43 dreidimensional bewegt, um den Oberflächenbereich der Probe 5 mit dem STM zu untersuchen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht die Sondeneinheit 1 mit Ausnahme des Überstands 4 aus einem transparen ten Material. Auch wenn sie vor der Objektivlinse 41 angeordnet ist, behindert die Sondeneinheit 1 deshalb nicht das Sichtfeld des optischen Mikroskops. Dies ermöglicht es, die Probe S durch die Objektivlinse 41 mit der sich zwischen ihnen befindenden Sondeneinheit 1 zu betrachten, so daß eine Untersuchung und Messung erzielt werden kann, die das STM-untersuchte Bild über das Bild überlappt, das durch das optische Mikroskop betrachtet wird.
Die Einheit gemäß diesem Ausführungsbeispiel, die in Fig. 5 gezeigt ist, die das transparente Substrat 2, die transparente Elektrode 3 und den Überstand 4 aufweist, kann durch eine Einheit gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, das in Fig. 14 gezeigt ist, ersetzt werden, die ein erstes transparentes Substrat, über welches ein Leitermuster 8 und eine implantierte Metallsonde 4 elektrisch verbunden sind, und ein zweites transparentes Substrat 2a aufweist, das eine transparente Elektrode 7 aufweist. Das erste transparente Substrat 2 und das zweite transparente Substrat 2a werden mit der zwischen ihnen liegenden transparenten Elektrode 7 aufeinander angeordnet.
In diesem Fall wird ein Tunnelstrom von einer Blattfeder 9 abgenommen, die das Muster 8 berührt. Die transparente Elektrode 7 ist durch eine Leitung (nicht gezeigt) an Masse gelegt, wodurch ein Tunnelstromerfassungssystem und ein piezoelektrisches Betätigungsvorrichtungsantriebssystem getrennt sind. Somit kann ein Leckstrom verhindert werden.
Obgleich das Leitermuster 8 durch eine transparente Elektrode aufgebaut ist, kann es durch eine undurchsichtige Elektrode ersetzt werden, solange das optische System nicht nachteilig beinträchtigt wird.
Eine andere Anwendung einer Sondeneinheit 1 wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben. Die Sondeneinheit 1 ist durch die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 43 bezüglich eines rahmenähnlichen Trägerteils 51 angeordnet, wel ches der Objektivlinse 41 gegenübersteht und welches die Probe 5 darin unterbringt. Das rahmenähnliche Trägerteil 51 weist an seiner Oberseite eine kreisförmige Öffnung auf und eine ringförmige dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 43 ist konzentrisch zu der optischen Achse der Objektivlinse 41 in die kreisförmige Öffnung des Trägerteils 51 gepaßt Die Betätigungsvorrichtung 43 weist ebenso eine kreisförmige Öffnung in ihrer Mitte auf, in welcher die Sondeneinheit 1 angebracht ist, um die Öffnung zu schließen. Der Überstand 4 der Sondeneinheit 1 steht zu der Probe S hin hervor, die auf einem Probentisch 53 befestigt ist, wobei ihre Mitte zu der optischen Achse der Objektivlinse 41 ausgerichtet ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Probe S durch das optische Mikroskop mit der zwischen ihnen liegenden Sondeneinheit 1 betrachtet werden und wenn das dreidimensionale Abtasten der Sondeneinheit 1 durch die Betätigungsvorrichtung 43 ausgeführt wird, kann die Oberfläche der Probe S STM-untersucht werden.
Eine weitere Anwendung einer Sondeneinheit 1 wird unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben. Das Bezugszeichen 61 bezeichnet eine sich drehende Vorrichtung des optischen Mikroskops und eine Objektivlinseneinheit 62 ist entfernbar an dieser sich drehenden Vorrichtung 61 angebracht. Die Objektivlinseneinheit 62 beinhaltet einen zylindrischen Außenrahmen 63, welcher an seiner unteren Endfläche eine Öffnung aufweist. Eine Rundung eines Überstands 64 mit einer Außengewindeschraube ist ausgebildet, um sie in eine Innengewindeschraube der sich drehenden Einrichtung 61 zu schrauben und steht von der Oberseite des Außenrahmens 63 hervor. Der Außenrahmen 63 bringt eine Objektivlinse 41 unter, welche an ihrem oberen Ende in ein mit einem Gewinde versehenen Loch in der Mitte der Unterseite des Außenrahmens 63 geschraubt ist. Ein zylindrischer Innenrahmen 66 befindet sich zwischen dem Außenumfang der Objektivlinse 41 und dem Innenumfang des Außenrahmens 63. Der Innenrahmen 66 weist ein Paar von Trägern 66a, die voneinander mit einem bestimmten zwischen ihnen liegenden Abstand in der vertikalen Richtung getrennt sind, und eine zylindrische Feineinstellung 66b auf, die zwischen den Trägern 66a gehalten wird und aus einem Piezoelement besteht, das in der vertikalen Richtung schrumpfbar ist. Die Träger 66a sind selektiv durch ein Paar von oberen und unteren Feineistellungen 67a und 67b befestigt, welche sich in der Umfangswand des Außenrahmens 63 befinden und voneinander in der vertikalen Richtung getrennt sind. Diese gepaarten Feineinstellungen 67a und 67b sind um 180 Grad voneinander verschoben und weisen Piezoelemente auf, die zu dem Innenrahmen 66 hin schrumpfbar sind. Das obere Ende einer zylindrischen dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung 67, die exzentrisch zu der Objektivlinse 41 zwischen dem Innenrahmen 66 und der Objektivlinse 41 angeordnet ist, ist an dem oberen Träger 66a befestigt. Die Betätigungsvorrichtung 67 treibt die oberen und unteren Feineinstellungen 67a und 67b abwechselnd an, um die oberen und unteren Träger 66a abwechselnd zu lösen. Die oberen und unteren Träger 66a werden durch das sogenannte Zollschneckensystem einer unstetig schrumpfenden Feineinstellung 66b als Reaktion auf das abwechselnde Lösen der Träger 66a in Richtung Z bewegt. Ein kreisförmiger Metallrahmen 68, der mit einer kreisförmigen Öffnung in seiner Mitte versehen ist, ist an seinem Außenumfang an dem unteren Ende der Betätigungsvorrichtung 67 befestigt. Es ist bevorzugt, daß der Metallrahmen 68 zum Beispiel mittels Schrauben lösbar an der Betätigungsvorrichtung 67 befestigt ist. Die Sondeneinheit 1 ist an der kreisförmigen Öffnung des Metallrahmens 68 angebracht, um die Öffnung zu schließen. Eines der zuvor beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsbeispiele wird als die Sondeneinheit 1 verwendet. Die Sondeneinheit 1 ist an dem Metallrahmen 68 befestigt, was ihren Überstand 4 zu der Probe S hin richtet. Die Probe S ist auf dem Probentisch 70 bewegbar in Richtungen X - Y befestigt. Der Probentisch 70 kann eine Kombination einer Betätigungsvorrichtung, die sich in Richtung X bewegt, und einer anderen Betätigungsvorrichtung sein, die sich in Richtung Y bewegt. Alternativ kann er eine zylindrische dreidimensionale Betätigungsvorrichtung sein, die sich unter der Probe S befindet.
Die Objektivlinse 41 ist an der sich drehenden Einrichtung 61 des optischen Mikroskops angebracht, um die Oberfläche der Probe S zu untersuchen. Das Fokussieren des optischen Mikroskops wird zu diesem Zeitpunkt durch ein Bewegen einer XY-Stufe 70 erzielt. Nachdem die Objektivlinseneinheit 62 an die Fokussierungsposition des optischen Mikroskops gesetzt worden ist, wird die Sondeneinheit 1 durch die Feineinstellung 67a fein eingestellt, um durch ihren Überstand 4 einen Tunnelstrom zu erfassen. Die dreidimensionale Betätigungsvorrichtung 68 wird dann angetrieben, um die Oberfläche der Probe S durch den Überstand 4 der Sondeneinheit 1 abzutasten. Das optische Mikroskop ist positioniert und die Oberfläche der Probe S wird auf diese Weise STM-betrachtet.
Die zylindrische dreidimensionale Betätigungsvorrichtung, die in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel verwendet wird, wird konkret unter Bezugnahme auf die Figuren 8A bis 8C und 9 beschrieben. Das Bezugszeichen 71 bezeichnet einen Betätigungsvorrichtungskörper, welcher zylindrisch hergestellt ist. Eine X-Elektrode 72 eine -Y-Elektrode 73, eine -X-Elektrode 74 und eine Y-Elektrode 75 sind mit einem bestimmten zwischen ihnen liegenden Abstand in der Umfangsrichtung des Körpers 71 um den unteren Endabschnitt des Betätigungsvorrichtungskörpers 71 angeordnet. Die X-Elektode 72 ist von der -X-Elektrode 74 um 180 Grad verschoben, während ebenso die Y-Elektrode 73 von der -Y-Elektrode 75 um 180 Grad verschoben ist. Eine Z-Elektrode 76 ist um den ganzen oberen Abschnitt des Betätigungsvorrichtungskörpers 71 angeordnet.
Wenn eine Spannung, die solche Polaritäten aufweist, wie es in Fig. 9 gezeigt ist, an die Elektroden 72 bis 76 der dreidimensionalen Betätigungsvorrichtung angelegt wird, die angeordnet ist, wie es vorhergehend beschrieben worden ist, kann die Sondeneinheit 1 die Oberfläche der Probe S selektiv in Richtungen X, Y und Z abtasten.
Fig. 10 zeigt noch eine weitere Anwendung der Sondeneinheit. Eine Betätigungsvorrichung 43, die lediglich in Richtung Z schrumpfbar ist, wird verwendet, um die Sondeneinheit 1 zu bewegen. Die verwendete Betätigungsvorrichtung 43 ist eine zylindrische bimorphe Zelle, die mit einer kreisförmigen Öffnung in ihrer Mitte versehen ist. Sie ist an ihrem Umfangskranz an einem unteren Träger 66a des Innenrahmens 66 befestigt. Eine der zuvor beschriebenden ersten bis dritten Sondeneinheiten 1 ist an ihrer Öffnung angebracht. Die Sondeneinheit 1 ist auf eine solche Weise angeordnet, daß die Mittenachse ihres Überstands 4 zu der optischen Achse der Objektivlinse 41 ausgerichtet ist. Ein rahmenähnliches Trägerteil 82 befindet sich unter der Objektivlinseneinheit 62, der letzteren gegenüberstehend. Ein Trägertisch 83, auf welchem die Probe S befestigt ist, ist in einem Trägerteil 82 untergebracht. Betätigungsvorrichtungen 84 und 85 sind zwischen der Seite des Trägertischs 83 und der Innenseite des Trägerteils 82 angeordnet, um den Trägertisch 83 in Richtungen X und Y fein zu bewegen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel, das angeordnet ist, wie es zuvor beschrieben worden ist, werden Betätigungsvorrichtungen 84 und 85 angetrieben, um die Probe S in Richtungen X und Y anzutreiben. Gleichzeitig wird die Betätigungsvorrichtung 43 ebenso verwendet, um die Sondeneinheit 1 in Richtung Z zu bewegen. Als Ergebnis kann die Sondeneinheit 1 in den dreidimensionalen Richtungen bewegt werden, um zu ermöglichen, daß eine STM-Untersuchung bezüglich der Oberfläche der Probe S erzielt wird, wie es in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel zu sehen ist.
Eine noch weitere Anwendung der Sondeneinheit ist in Fig. 11 gezeigt. Das STM-Abtastsystem befindet sich nicht auf der Seite der Objektivlinse, sondern auf der Seite des Probenträgersystems. Eine Betätigungsvorrichtung 92, die eine Öffnung in ihrer Mitte aufweist, ist an der Oberseite eines rahmenförmigen Trägerteils 91 angebracht. Die Sondeneinheit 1 ist an der Öffnung der Betätigungsvorrichtung 92 angebracht. Eine Betätigungsvorrichtung 93, auf deren Oberseite die Probe S befestigt ist, befindet sich unter der Sondeneinheit 1 und ein Probentisch 94 ist angeordnet, um die Betätigungsvorrichtung 93 auf seiner Oberseite zu halten.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel, das angeordnet ist, wie es zuvor beschrieben worden ist, bewegt die Betätigungsvorrichtung 93 die Probe S in Richtung Z, um einen bestimmten Abstand zwischen die Probe S und die Sondeneinheit 1 zu legen. Die zuvor beschriebene dreidimensionale Betätigungsvorrichtung kann anstelle der Betätigungsvorrichtung 93 verwendet werden.
Die vorhergehenden Ausführungsbeispiele stehen auf der Grundlage des STM-Betriebs. Wenn die vorliegende Erfindung an einem Atomsondenmikroskop, wie zum Beispiel einem AFM (einem eine zwischenatomare Kraft verwendenden Mikroskop) angewendet wird, kann die Betätigungsvorrichtung 43, die in Fig. 5 gezeigt wird, verwendet werden, um eine Verschiebung aufgrund einer zwischenatomaren Kraft zu erfassen. Als Ergebnis wird es unnötig, den Tunnelstrom zu erfassen, und ebenso wird die transparente Elektrode 4 nicht benötigt. Somit können in den Ausführungsbeispielen, die in den Figuren 1A, 2C, 3D, 5 und 6 gezeigt sind, die transparenten Elektroden weggelassen werden.
In Fig. 15 wird die vorliegende Erfindung bei einer AFM-Untersuchung angewendet. Eine transparente Elektrode 2 ist aus einem optisch transparenten piezoelektrischen Element, wie zum Beispiel LiNb&sub2;O&sub3;, ausgebildet. Eine zwischenatomare Kraft, die zwischen einem transparenten Elektrodenfilm 6 und einem transparenten Elektrodenfilm 3 wirkt, wird mittels eines Überstands 4 erfaßt. In diesem Fall ist die Dicke der transparenten Elektrode 2 völlig verringert und der Durchmesser der Scheibe ist groß hergestellt, womit eine piezoelektrische Membran ausgebildet ist. Das transparente Substrat 2 kann als ein Träger ausgebildet sein, der auf beiden Seiten gehalten wird.
Es versteht sich, daß diese Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und daß verschiedene Änderungen und Ausgestaltungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Sondeneinheit mit Ausnahme ihres Mikroüberstands und jenen Abschnitten auf dem Substrat und der Elektrode, mit welchen der Überstand verbunden ist, optisch transparent hergestellt. Deshalb kann die Sondeneinheit vor der Objektivlinse des optischen Mikroskops angebracht werden oder sich zwischen der Probe und der Objektivlinse befinden. Und wenn der Überstand der Sondeneinheit geringfügig aus der Fokussierungsposition des optischen Mikroskops verschoben wird, kann die STM-Untersuchung ohne eine Behinderung des Sichtfelds des optischen Mikroskops ausgeführt werden.

Claims

1. Sondeneinheit zum Analysieren der Oberflächenstruktur einer Probe unter Verwendung des Tunneleffekts von Elektronen, die aufweist:

ein scheibenähnliches Substrat (2), das aus einem transparenten Material besteht;

einen spitzen leitfähigen Überstand (4), der nach oben aus dem Substrat (2) hervorsteht; und

eine transparente leitfähige Schicht (3), die auf dem Substrat (2) ausgebildet ist und elektrisch mit dem leitfähigen Überstand (4) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die transparente leitfähige Schicht (3, 8) das Substrat mit Ausnahme der Spitze des leitfähigen Überstands (4) bedeckt.

2. Sondeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) eine Scheibenform aufweist und der Überstand entlang der Mittelachse des Substrats (2) hervorsteht.

3. Sondeneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente leitfähige Schicht (3) Zinnoxid ist, welches in Vakuum auf der Oberfläche des Substrats (2) abgelagert wird.

4. Sondeneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) aus einem lichtempfindlichen Glasmaterial besteht, welches fähig ist, durch ultraviolette Strahlen belichtet zu werden.

5. Sondeneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) aus einem einkristallinen Saphirmaterial besteht.

6. Sondeneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) ein Loch aufweist, das sich entlang der Mittelachse ausdehnt, und der leitfähige Überstand (4) ein Metalldraht ist, der einen Stammabschnitt aufweist, der in dem Loch eingebettet ist und von dem Substrat (2) gehalten wird.

7. Sondeneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (3) eine transparente Elektrode ist und die Vorderseite des Metalldrahts (4) durch die leitfähige Schicht (3) geht.

8. Sondeneinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalldraht (4) aus Platiniridium, Wolfram oder Platin besteht und durch einen leitfähigen Klebstoff an dem Substrat (2) befestigt ist.

9. Sondeneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht (3) eine transparente Elektrode ist und auf einer Oberfläche des Substrats (2) ausgebildet ist und der Überstand (4) auf dieser leitfähigen Schicht (3) ausgebildet ist.

10. Sondeneinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Überstand (4) ein leitfähiges Teil aufweist, das in Vakuum selektiv auf der leitfähigen Schicht (3) abgelagert wird.

11. Sondeneinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (2) einen Mittelvorsprung auf seiner Oberseite aufweist und der Überstand (4) auf der Mitte des Vorsprungs ausgebildet ist.

12. Sondeneinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch ein Aufweisen eines anderen transparenten Substrats (2a) und einer transparenten Elektrode (7), die zwischen dem Substrat (2, 2a) ausgebildet ist.

13. Sondeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Beinhalten erster und zweiter transparenter Elektroden (3, 6), die auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats (2) ausgebildet sind, wobei die Sonde vertikal aus der ersten transparenten Elektrode (3) hervorsteht und elektrisch damit verbunden ist.

14. Verfahren zur Herstellung einer Sondeneinheit zum Analysieren der Oberflächenstruktur einer Probe unter Verwendung des Tunneleffekts von Elektronen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) Vorsehen eines scheibenähnlichen transparenten Substrats (2), das aus einem lichtempfindlichen Material besteht,

(b) Ausbilden eines Lochs, das sich entlang der Mittelachse des Substrats (2) ausdehnt,

(c) Ablagern einer transparenten leitfähigen Schicht (3) auf der Oberfläche des Substrats (2), das mit dem Loch versehen ist,

(d) Befestigen eines Metalldrahts (4), dessen spitzes Vorderende vertikal und nach oben durch die leitfähige Schicht (3) aus der Mitte des Substrats (2) hervorsteht, an dem Substrat (2) und der leitfähigen Schicht (3) durch Einbetten eines Stammabschnitts des Metalldrahts (4) in dem Loch des Substrats (2) und durch einen leitfähigen Klebstoff.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Schritte (b) die folgenden Unterschritte aufweisen:

(b-1) Maskieren der oberen Oberfläche des Substrats (2) auf eine solche Weise, daß eine kreisförmige Fläche in der Mitte des Substrats (2) erscheint,

(b-2) Belichten der maskierten Struktur (2) durch ultraviolette Strahlen,

(b-3) Erwärmen der kreisförmige Fläche des somit belichteten Substrats (2) und Entwickeln, um ein Kristall aufzuwachsen, welches mit Säure aufgelöst wird.

16. Verfahren zur Herstellung einer Sondeneinheit zum Analysieren der Oberflächenstruktur einer Probe unter Verwendung des Tunneleffekts von Elektronen mit den folgenden Schritten:

(a) Vorsehen eines scheibenähnlichen transparenten Substrats (2), das aus einem einkristallinen Saphirmaterial besteht,

(b) Ablagern einer transparenten leitfähigen Schicht (3) auf einer Oberfläche des Substrats (2), um eine transparente Elektrode darauf auszubilden,

gekennzeichnet durch

(c) ein Anbringen einer Maskenplatte (5) auf der transparenten leitfähigen Elektrodenschicht (3),

(d) ein Ablagern einer Schicht (4) aus Metall auf der transparenten leitfähigen Schicht (3), die mit der Maskenplatte (5) maskiert ist, um dadurch einen Überstand auszubilden, der als die Sonde dient,

(e) ein Entfernen der Maskenplatte (5).

17. Verfahren zur Herstellung einer Sondeneinheit zum Analysieren der Oberflächenstruktur einer Probe unter Verwendung des Tunneleffekts von Elektronen mit den folgenden Schritten:

gekennzeichnet durch

(c) ein Ablagern einer Schicht (6) aus Metall auf der transparenten leitfähigen Schicht (3),

(d) ein Ausbilden eines Maskenmusters auf einer Mittelfläche der Metallschicht (6),

(e) ein Ätzen des nichtmaskierten Teils der Metallschicht (6),

(f) ein Entfernen des Maskenmusters, um dadurch einen Überstand auszubilden, welcher als die Sonde dient.

18. Sondeneinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Überstand (4) einen leitfähigen Sockelabschnitt, der auf der leitfähigen Schicht (3) ausgebildet ist, und einen Spitzenabschnitt aufweist, der durch ein Vakuumabscheidungsverfahren selektiv auf dem Sockelabschnitt ausgebildet ist.