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Diese Erfindung bezieht sich auf Raster-Tunnel-Mikroskope in
Verbindung mit optischen Mikroskopen, beispielsweise zur
Verwendung als Oberflächenrauhigkeitsmeßinstrumente.
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Ein bekanntes Raster-Tunnel-Mikroskop besitzt eine
Sondennadel, welche über eine Probenoberfläche in Richtung der
Probenebene geführt wird, wobei ein fester Abstand zwischen
der Probenoberfläche und der Nadel aufrechterhalten wird.
Unter Ausnutzung des Tunneleffektes kann aus der räumlichen
Höhe der Nadel ein atomistisches Bild oder eine
dreidimensionale Mikrostruktur der Probenoberfläche bestimmt werden.
Der Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Nadel muß
in der Größenordnung von Nanometern konstant gehalten
werden, um einen Tunnelstromfluß herbeizuführen. Somit ist
der praktische Bereich der visuellen Beobachtung auf
höchstens mehrere Mikrometer beschränkt. Aus diesem Grund muß
ein Hilfsbeobachungsinstrument, wie beispielsweise ein
optisches Mikroskop mit dem Raster-Tunnel-Mikroskop kombiniert
werden, um einen speziellen Fleck auf der Probenoberfläche
zu beobachten.
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Fig. 3 zeigt eine erste konventionelle Kombination eines
Raster-Tunnel-Mikroskops und eines optischen Mikroskops.
Eine Sondennadel 6 wird in der Ebene einer Probenoberfläche
7 geführt und ist an einem
Dreiachsen-Mikroantriebmechanismus 5 angebracht, der so betreibbar ist, daß die Nadel eine
solche Vertikalbewegung ausführt, daß ein konstanter
vertikaler Abstand zwischen ihr und der Probenoberfläche 7
aufrechterhalten bleibt. Eine Achse 9, welche die zentrale
Achse der Nadel 6 ist, ist in Bezug auf die optische Achse
eines optischen Mikroskops 1 so geneigt daß eine
gleichzeitige Beobachtung durch das Raster-Tunnel-Mikroskop und das
optische Mikroskop durchgeführt werden kann.
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Fig. 4 zeigt eine zweite konventionelle Kombination eines
Raster-Tunnel-Mikroskops und eines optischen Mikroskops. Auf
einem Drehteller 11 sind zwei oder mehr Objektivlinsen 10
unterschiedlicher optischer Leistung montiert. Ein
Dreiachsen-Mikroantriebsmechanismus 5 entsprechend dem nach Fig. 3
ist auf den Drehteller 11 so montiert, daß die optische
Achse des optischen Mikroskops 1 und die Achse 9 der am
Dreiachsen-Mikroantriebsmechanismus 5 angebrachten Nadel 6
selektiv so bewegt werden können, daß sie mit einer
gemeinsamen Achse zusammenfallen.
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Hinsichtlich der konventionellen Kombination eines Raster-
Tunnel-Mikroskops und eines optischen Mikroskops nach Fig. 3
sind die Achse 9 und die optische Achse 4 winkelmäßig
gegeneinander versetzt. Gemäß Fig. 5 ergibt sich daher der
Nachteil, daß bei Änderung des Abstandes zwischen der
Probenoberfläche 7 und der Nadel 6 eine Fleckposition auf der
Probenoberfläche 7, auf welche die Spitze der Nadel 6
gerichtet werden soll, bei Betrachtung durch das optische
Mikroskop 1 verschoben wird, wie dies durch Bezugszeichen 13
und 14 angedeutet ist. Bei Vorschub der Nadel 6 aus einer
Ruhestellungslage 12 auf die Probenoberfläche 7 zur
Beobachtung durch das Raster-Tunnel-Mikroskop kann daher eine
spezielle Flecklage auf der Probenoberfläche 7, auf welcher die
Spitze der Nadel 6 weist, aufgrund der Sichtwinkeldifferenz
durch das optische Mikroskop 1 nicht richtig beobachtet
werden. Weiterhin besitzt das optische Mikroskop 1 im Vergleich
zur Abmessung der Spitze der Nadel 6 ein relativ schlechtes
Auflösungsvermögen, so daß es die tatsächliche Spitze der
Nadel 6 nicht genau abbilden kann. Aus diesen Gründen kann
das optische Mikroskop 1 keine genaue Ausrichtung der Achse
9 auf einen Zielfleck realisieren.
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Hinsichtlich der konventionellen Kombination des
Raster-Tunnel-Mikroskops und des optischen Mikroskops nach Fig. 4 ist
die Kombination so aufgebaut, daß die Achse 9 und die
optische Achse 4 selektiv so bewegt werden können, daß sie bei
Verwendung des Drehtellers 11 zusammenfallen. Daher ist eine
gleichzeitige Beoachtung nicht möglich, so daß jedes Mal
dann, wenn die Nadel ersetzt wird, eine Justierung für die
Achse 9 ausgeführt werden muß. Aus diesen Gründen ist jedes
Mal dann, wenn die Nadel 6 ersetzt wird, ein beträchtlicher
Justieraufwand erforderlich, wobei auch für den Drehteller
11 eine genaue Bearbeitung notwendig ist, um eine genaue
Ausrichtung eines Zielflecks durch das optische Mikroskop zu
realisieren.
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Die vorgenannten Probleme werden dadurch hervorgerufen, daß
entweder die Achse der Nadel des Raster-Tunnel-Mikroskops
nicht zur optischen Achse des optischen Mikroskops
ausgerichtet ist, oder daß eine gleichzeitige Beobachtung durch
das Raster-Tunnel-Mikroskop und das optische Mikroskop nicht
möglich ist.
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In IBM Technical Disclosure Bulletin Vol. 30, Nr. 5, Oktober
1987, Seiten 369-370, New York, U.S.; "Optically transparent
tip for tunnelling microscopy" ist ein Raster-Tunnel-
Mikroskop in Verbindung mit einem optischen Mikroskop
beschrieben, wobei die Sondennadel des Raster-Tunnel-
Mikroskops zur optischen Achse des optischen Mikroskops
ausgerichtet angeordnet ist.
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In der nicht vorveröffentlichten EP-A-0331148 besitzt das
optische Mikroskop eine mit einer zentralen Öffnung
versehene Objektivlinse, welche an einem Ende einer
Linsenhülseneinrichtung vorgesehen ist, auf der ein
Elektrostriktionselement des Raster-Tunnel-Mikroskops montiert ist,
wobei die Sondennadel in der zentralen Öffnung in der
Objektivlinse montiert ist.
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In der ebenfalls nicht vorveröffentlichten EP-A-0406413
besitzt das optische Mikroskop eine Linsenhülse, wobei eine
Objektivlinse des optischen Mikroskops an einem Ende der
Linsenhülse vorgesehen ist und wobei die Objektivlinse mit
einer zentralen Öffnung ausgebildet ist, durch welche die
Sondennadel verläuft.
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Erfindungsgemäß ist ein Raster-Tunnel-Mikroskop in
Verbindung mit einem optischen Mikroskop vorgesehen, wobei eine
Sondennadel des Raster-Tunnel-Mikroskops ausgerichtet zur
optischen Achse des optischen Mikroskops angeordnet ist, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß das optische Mikroskop eine
Linsenhülse und eine an einem Ende der Linsenhülse
vorgesehene Objektivlinse besitzt und die Objektivlinse mit einer
zentralen Öffnung ausgebildet ist, und daß ein
Elektrostriktionselement des Raster-Tunnel-Mikroskops in der Öffnung
montiert ist und die Nadel trägt.
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Die optische Achse des optischen Mikkroskops ist die
Mittellinie des optischen Weges, wobei ein beobachtetes Bild nicht
nur durch den optischen Strahl längs der optischen Achse
sondern auch durch optische Strahlen durch den gesamten
Querschnitt des optischen Weges gebildet wird. Daher wird
bei Blockierung eines Teiles des optischen Weges auf der
optischen Achse durch ein Hindernis das beobachtete Bild
lediglich in einem solchen Ausmaß abgedunkelt, daß ein Teil
des optischen Weges blockiert wird. Unter Ausnutzung dieses
Phänomens sind die Nadel und/oder ihr dreidimensionaler
Mikroantriebsmechanismus des Raster-Tunnel-Mikroskops in
einem
Teil des optischen Weges des optischen Mikroskops zur
optischen Achse ausgerichtet angeordnet.
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In einem derartigen Aufbau sind das Raster-Tunnel-Mikroskop
und das optische Mikroskop koaxial so zueinander
ausgerichtet, daß gleichzeitige Beobachtungen möglich sind,
wodurch eine genaue Ausrichtung eines Zielflecks des Raster-
Tunnel-Mikroskops durch das optische Mikroskop bewirkt wird.
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Das Elektrostriktionselement kann einen mit
Treiberelektrodenmitteln verbundenen Teil und einen in der Öffnung der
Objektivlinse befestigten Teil besitzen.
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Bei einer Ausführungsform besitzt das optische Mikroskop
eine Linsenhülse und eine an deren einem Ende vorgesehene
und mit einer zentralen Öffnung ausgebildete Objektivlinse,
wobei ein Elektrostriktionselement des
Raster-Tunnel-Mikroskops auf der Linsenhülse und die Nadel in der Öffnung der
Objektivlinse montiert ist.
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Die Erfindung ist beispielshaft in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt, in denen:
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Fig. 1 (a) eine erste Ausführungsform einer Kombination eines
optischen Mikroskops und eines Raster-Tunnel-
Mikroskops gemäß vorliegender Erfindung zeigt;
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Fig. 1 (b) eine Modifikation der ersten Ausführungsform
gemäß Fig. 1(a) zeigt;
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Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Kombination
eines optischen Mikroskops und eines
Raster-Tunnel-Mikroskops gemäß vorliegender Erfindung zeigt
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Fig. 3 eine erste konventionelle Kombination eines
optischen Mikroskops und eines
Raster-Tunnel-Mikroskops zeigt;
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Fig. 4 eine zweite konventionelle Kombination eines
optischen Mikroskops und eines
Raster-Tunnel-Mikroskops zeigt; und
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Fig. 5 eine erläuternde Darstellung ist, aus welcher der
Nachteil der ersten konventionellen Kombination
des optischen Mikroskops und des Raster-Tunnel-
Mikroskops ersichtlich ist.
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In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Fig. 1 (a) zeigt eine erste Ausführungsform einer Kombination
eines Raster-Tunnel-Mikroskops und eines optischen
Mikroskops 1 gemäß vorliegender Erfindung. Das optische Mikroskop
1 ist mit einer Linsenhülse 1a versehen. An einem Ende der
Linsenhülse ist ein Okular 2 und am anderen Ende eine
Objektivlinse 3 angebracht. Die Objektivlinse 3 ist zentral mit
einer Öffnung 3a ausgebildet. Mit anderen Worten besitzt die
Objektivlinse 3 eine solche hohle Struktur, daß ein
zentraler Teil von ihr um eine optische Achse 4 entfernt ist. Die
Öffnung 3a der hohlen Objektivlinse 3 nimmt einen
Dreiachsen-Mikroantriebsmechanismus 5 des Raster-Tunnel-Mikroskops
auf, der so arbeitet, daß eine Sondennadel 6 vertikal einer
Abtastoberfläche 7 so folgen kann, daß sie die
Abtastoberfläche 7 längs ihrer Oberfläche abtastet, wobei der Abstand
zwischen der Nadel 6 und der Abtastoberfläche konstant
gehalten wird. Der Dreiachsen-Mikroantriebsmechanismus 5 wird
durch ein zylindrisches Elektrostriktionselement gebildet,
das mit X-, Y- und Z-Treiberelektroden 6X, 6Y, 6Z versehen
ist. Die Elektroden sind mit einer Treiberschaltung 15
verbunden, welche eine geeignete Treiberspannung liefert. Das
Elektrostriktionselement ist an seinem von den
Treiberelektroden beabstandeten oberen Ende durch einen Kleber an der
Objektivlinse 3 befestigt. Der Mikroantriebsmechanismus 5
trägt an seinem unteren Ende ein Befestigungsstück 6a. Die
Nadel 6, d.h. die Meßnadel des Raster-Tunnel-Mikroskops ist
mittels einer Schraube oder eines anderen Verbindungsstücks
am Befestigungsstück 6a befestigt. Die Achse des Raster-
Tunnel-Mikroskops oder die zentrale Achse der Nadel 6 sind
koaxial zur optischen Achse 4 oder der zentralen Achse des
optischen Weges des optischen Mikroskops 1 ausgerichtet.
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Fig. 1 (b) zeigt eine Modifikation einer Kombination gemäß
Fig. 1 (a), in der Treiberleitungsdrähte des
Elektrostriktionselementes 5 durch die Öffnung 3a der Objektivlinse 3
und innerhalb der Linsenhülse 1a geführt sind.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform vorliegender
Erfindung wird die Abtastoberfläche 7 mittels einer (nicht
dargestellten) Verschiebungseinrichtung zur Nadel 6 hin
verschoben, so daß die Nadel 6 sich im Tunnelbereich befindet
und ein Zielfleck durch das Raster-Tunnel-Mikroskop
beobachtet wird. In dieser Stellung ist die Brennweite des
optischen Mikroskops 1 so eingestellt, daß es die
Probenoberfläche 7 klar beobachten kann. In diesem Zustand wird
das durch das optische Mikroskop 1 beobachtete Bild
proportional dunkel, weil Licht durch den
Mikroantriebsmechanismus 5 blockiert wird. Der Mikroantriebsmechanismus 5
selbst wird jedoch niemals beobachtet, weil er von der
Probenoberfläche 7 weg angeordnet ist, d.h. sich außerhalb
der Brennebene befindet.
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Nähert sich die Abtastoberfläche 7 der Nadel 6 im
Tunnelbereich, so liegt ihr Abstand in der Größenordnung von
Nanometern. Andererseits besitzt das optische Mikroskop eine
Brennweite wenigstens in der Größenordnung von mehreren
Mikrometern. In dem Zustand, in dem die Abtastoberfläche 7
und die Nadel 6 sich im Tunnelbereich aneinander annähern
und der Brennpunkt des optischen Mikroskops auf die
Probenoberfläche justiert ist, kann daher ein Spitzenende und
dessen Umgebung der Nadel 6 durch das optische Mikroskop
beobachtet werden. Das Spitzenende der Nadel 6 ist jedoch
weit kleiner als das tatsächliche Auflösungsvermögen des
optischen Mikroskops 1, so daß eine tatsächliche
Beobachtung des Spitzenendes der Nadel durch das optische
Mikroskop 1 nicht durchgeführt werden kann. Vielmehr besitzt die
Nadel im Bereich des Spitzenendes einen konischen
Umfangsteil in der Größenordnung von mehreren Mikrometern und einem
ausreichenden Durchmesser, so daß er durch das optische
Mikroskop beobachtet werden kann. Dieser Umfangsbereich kann
daher klar beobachtet werden, da er in der Brennweite des
optischen Mikroskops liegt. Das Bild dieses konischen
Umfangsteils der Nadel 6 wird durch das optische Mikroskop 1
in überlagerter Beziehung zum Bild der anfänglich
fokussierten Abtastoberfläche 7 beobachtet. Die Beobachtung des
Raster-Tunnel-Mikroskops wird auf dem überlagerten Bildteil
der Abtastoberfläche 7 bewirkt, auf den das Spitzenende der
Nadel 6 weist.
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Der horizontale Versatz des Spitzenendes der Nadel 6 in
einer Richtung parallel zur Abtastoberfläche 7, der immer
dann auftritt, wenn die Nadel 6 neu eingestellt wird, wird
normalerweise auf das Beobachtungsfeld des optischen
Mikroskops und die zentrale Achse der Nadel begrenzt, die relativ
zur optischen Achse 4 nicht wesentlich geneigt ist. Ebenso
wie in dem Fall, in dem die Achse des
Raster-Tunnel-Mikroskops exakt koaxial zur optischen Achse 4 ist, ist das
Schattenbild der Nadel 6, das durch das optische Mikroskop 1 in
überlagerter Beziehung zum Bild der Abtastoberfläche
erhalten wird, wirksam, um eine Zielfleckbeobachtung durch das
Raster-Tunnel-Mikroskop zu bestimmen.
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Bei dieser Ausführungsform treibt der
Mikroantriebsmechanismus 5 nicht die Objektivlinse 3 sondern lediglich die Nadel
6 an, so daß das Elektrostriktonselement des
Mikroantriebsmechanismus 5 keine übermäßige Belastung erfährt. Dadurch
wird die Trägheit beim Antrieb des
Elektrostriktionselementes zur Realisierung einer genauen Abtastung durch die Nadel
verringert.
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Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Kombination
eines optischen Mikroskops und eines
Raster-Tunnel-Mikroskops gemäß vorliegender Erfindung. Die Nadel 6 ist der
Abtastoberfläche 7 gegenüber angeordnet und tastet in deren
Ebene ab. Weiterhin ist ein zylindrischer
Dreiachsen-Mikroantriebsmechanismus 8 vorgesehen, so daß die Nadel 6 den
Konturen der Abtastoberfläche 7 vertikal folgen kann, um
einen konstanten Abstand zwischen der Abtastoberfläche und
der Nadel 6 aufrechtzuerhalten. Der
Mikroantriebsmechanismus 8 besitzt eine hohle zylindrische Struktur und
entgegegengesetzte offene Enden. Ein Ende des
Mikroantriebsmechanismus 8 ist an einer hohlen ringförmigen Objektivlinse 3
befestigt, welche eine Komponente des optischen Mikroskops 1
bildet. Die hohle Objektivlinse 3 besitzt um ihre optische
bzw. zentrale Achse eine Öffnung. Ein Nadelbefestigungsstück
6b ist in der Öffnung der hohlen Objektivlinse 3 befestigt,
wobei die Nadel 6, d.h. die Meßnadel, des
Raster-Tunnel-Mikroskops mittels einer Schraube oder einer anderen
Verbindung so am Befestigungsstück 6b befestigt ist, daß die Achse
des Raster-Tunnel-Mikroskops oder die zentrale Achse der
Nadel 6 koaxial zur optischen Achse 4 oder der Mittelachse
des optischen Weges des optischen Mikroskops 1 ausgerichtet
sind. Ein Okular 2 des optischen Mikroskops 1 ist axial
beabstandet zum anderen Ende des Mikroantriebsmechanismus 8
angeordnet.
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In der oben beschriebenen Konstruktion wird die
Abtastoberfläche 7 zur Nadel 6 hin verschoben, bis die letztere sich
im Tunnelbereich und in einer Stellung zur Beobachtung durch
das Raster-Tunnel-Mikroskop befindet. In diesem Zustand ist
die Brennweite des optischen Mikroskops 1 klar eingestellt,
um die Abtastoberfläche 7 durch das optische Mikroskop 1 zu
beobachten.
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Zwar wird das durch das optische Mikroskop 1 beobachtete
Bild proportional abgedunkelt, weil Licht durch den Schaft
der Nadel 6 blockiert wird; der Schaft selbst erscheint
jedoch nicht im beobachteten Bild, weil er weit außerhalb
der Brennebene der Abtastoberfläche 7 angeordnet ist.
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Hinsichtlich des durch das optische Mikroskop 1 beobachteten
Bildes der Spitze der Nadel 6 besitzt das optische
Mikroskop generell eine Brennweite wenigstens in der Größenordnung
von mehreren Mikrometern, so daß das optische Mikroskop ein
Objekt innerhalb eines axialen Bereiches von mehreren
Mikrometern relativ zur Abtastoberfläche 7 beobachten kann, wenn
die Brennebene auf die Abtastebene einjustiert ist. In
dieser Hinsicht ist das Spitzenende der Nadel 6 in einem
Bereich von Nanometern von der Abtastoberfläche 7 so
angeordnet, daß es im wesentlichen durch das optische Mikroskop
fokussiert wird. Das Spitzenende der Nadel 6 ist jedoch
klein im Vergleich zum Auflösungsvermögen des optischen
Mikroskops 1. Daher kann ein tatsächliches Bild eines
Spitzenendes der Nadel nicht erreicht werden. Andererseits besitzt
ein Umfangsteil der Nadel 6, der von der Spitze in der
Größenordnung von mehreren Mikrometern beabstandet ist,
einen zur Beobachtung ausreichenden Durchmesser. Dieser
Umfangsteil der Nadel 6 innerhalb der Brennweite kann daher
klar beobachtet werden. Das Bild dieses durch das optische
Mikroskop 1 beobachteten Umfangsteils wird in überlagerter
Beziehung zum anfänglich fokussierten Bild der
Abtastoberfläche 7 gesehen. Sodann kann auf dem überlagerten
Bildbereich der Abtastoberfläche 7, auf den die Spitze der Nadel 6
gerichtet ist, eine Messung durch das
Raster-Tunnel-Mikroskop durchgeführt werden.
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Die Größe des Versatzes der Spitze der Nadel 6 in Richtung
der Abtastoberfläche 7, welcher jedes Mal auftritt, wenn die
Nadel neu eingestellt wird, ist normalerweise auf das
Beobachtungsfeld des optischen Mikroskops 1 begrenzt, wobei
die Achse des Raster-Tunnel-Mikroskops oder die zentrale
Achse der Nadel nicht wesentlich gegen die optische Achse 4
geneigt sind. In einer mit dem idealen Zustand
vergleichbaren Weise, in dem die Achse des Raster-Tunnel-Mikroskops
exakt zur optischen Achse ausgerichtet ist, kann daher das
Schattenbild der Nadel 6, das dem Bild der Abtastoberfläche
7 vom optischen Mikroskop 1 überlagert ist, einen durch das
Raster-Tunnel-Mikroskop zu messenden Zielfleck
repräsentieren.
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Wie vorstehend beschrieben, kann ein Zielfleck zur
Beobachtung durch das Raster-Tunnel-Mikroskop durch das optische
Mikroskop genau erkannt werden. wodurch eine genaue
Ausrichtung des Zielflecks durch das optische Mikroskop möglich
ist. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß die beträchtliche
Justierarbeit oder die Ausrichtung von Ersatznadeln sowie
eine extrem große Bearbeitungsgenauigkeit für komplexe
Strukturen vermieden werden.