DE69309318T2

DE69309318T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Beobachten einer Fläche

Info

Publication number: DE69309318T2
Application number: DE69309318T
Authority: DE
Inventors: Tsuyoshi Suginami-Ku Toyko Hasegawa; Yukio Fuchu-Shi Honda; Sumio Nishitama-Gun Toyko Hosaka; Shigeyuki Hachioji-Shi Hosoki; Atsushi 3-Chome Kokubunji-Shi Kikugawa; Hajime Koshigaya-Shi Koyanagi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-01-10
Filing date: 1993-01-05
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2013-01-06
Also published as: DE69309318D1; EP0551814B1; US5436448A; EP0551814A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Beobachten oder Untersuchen von Oberflächengeometrien und physikalischen Eigenschaften einer Probe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhalten von Informationen betreffend die Oberflächengeometrien, physikalischen Eigenschaften, magnetischen und elektrischen oder dergleichen Eigenschaften einer Probe und/oder Informationen betreffend Dicke, Eigenschaften oder Beschaffenheit einer dünnen Isolationsschicht oder dergleichen, die auf einer Probenoberfläche aufgetragen worden ist, unter Nutzung einer atomaren Kraft, einer Magnetkraft, eines Tunnelstromes oder dergleichen, die zwischen einem Fühler und einer Probenoberfläche wirksam werden oder auftreten, wenn der Fühler nahe in eine relative Richtung zu der Probenoberfläche bewegt wird, wie es durch ein Atomkraftmikroskop, ein Magnetkraftmikroskop oder dergleichen Oberflächenbeobachtungs- oder - untersuchungsvorrichtung veranschaulicht wird.
In dem die vorliegende Erfindung betreffenden Stand der Technik ist ein Atomkraftmikroskop zum Beobachten oder Untersuchen einer Oberfläche einer Probe durch Abtasten derselben mit einer an einem freien Ende eines Hebels angebrachten Sonde vorgeschlagen und diskutiert, während eine Kraft von einer extrem oder infinitesimal kleinen Größe (Rückstoßkraft oder Anziehung), die zwischen dem Fühler und der Probenoberfläche wirkt, konstantgehalten wird, durch Erfassen einer Auslenkung (oder Biegung) des Hebels mittels einer STM-Sonde und Konstanthalten der Auslenkung des Hebels durch eine Servosteuerung. In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf, z.B., US-Patent Nr.4,724,318 (welches der JP-A-62-130302 entspricht). Weiterhin ist ein Verfahren zum Erfassen eines auf einen Fühler einwirkenden Kraftgradienten, während letzterer schwingt, in "Journal of Applied Physics", Bd. 61, Seiten 4723-4729 (1987) beschrieben. Hieraus ist ein Atomkraftmikroskop bekannt, das einen in naher Nachbarschaft zu der Probe angeordneten Fühler, eine verformbare Hebelabtasteinrichtung und Mittel zum Erfassen der Auslenkung des Hebels, erste Mittel zum Erfassen einer auf den Fühler von der Auslenkung des Hebels wirkenden Kraft und zweite Mittel zum Messen des Gradienten der Kraft und somit einer Änderung der auf den Fühler auf der Basis einer Auslenkung des Hebels wirkenden Kraft umfäßt.
Mit den bereits bekannten, wie hier oben erwähnten Technologien, kann eine Oberflächenstruktur einer Probe beobachtet werden durch Steuerung einer Position eines Fühlers, so daß eine auf den Fühler wirkende Kraft konstantgehalten wird. Darüber hinaus kann ein magnetisches Streufeld und/oder ein elektrisches Streufeld, die oberhalb einer Probenoberfläche vorherrschen, auf der Basis des erfaßten Kraftgradienten gemessen oder bestimmt werden. Es ist jedoch unmöglich zu erkennen, in welcher Höhe oder Abstand sich das magnetische Streufeld und/oder elektrische Streufeld oberhalb der Probenoberfläche befindet, oder welche Wechselbeziehung zwischen einer Oberflächenstruktur der Probe und dem magnetischen Streufeld oder dem elektrischen Streufeld besteht. Weiter ist es, zus:.tzlich zu der Messung einer extrem kleinen, in der Richtung senkrecht zu der Probenoberfläche wirkenden Kraft, gleichfalls wünschenswert, eine infinitesimale Kraft in horizontaler Richtung (d.h. in Ebenenrichtung) unter dem Gesichtspunkt einer Bestimmung einer Reibkraft und einer Magnetkraft messen zu können. Jedoch war eine Messung der Kraft in horizontaler Richtung bisher unmöglich.
In Anbetracht des oben genannten Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die erfolgreich die Probleme lösen können, unter denen die Oberflächen-Beobachtungsvorrichtungen des Standes der Technik leiden.
Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Unteransprüchen genannt.
Es ist erfindungsgemäß eine Oberflächen-Beobachtungs- oder -untersuchungsvorrichtung vorgesehen, die umfäßt: eine Einrichtung zum Vibrieren wenigstens eines eingespannten Hebels, der ein freies Ende aufweist, an dem ein Fühler fest angebracht ist, eine Einrichtung zum Messen oder Bestimmen eines Gleichstromanteiles der Biegung des Hebels, um hierdurch zu ermöglichen, eine Oberflächenstruktur einer Probe zu beobachten, auf der Basis des Gleichstromanteils der Biegung des Hebels, während gleichzeitig ermöglicht wird, ein magnetisches Streufeld und ein elektrisches Streufeld zu messen oder zu bestimmen, auf der Basis eines Wechselstromanteils der Biegung des Hebels.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiter eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung vorgesehen, die eine Einrichtung zum Vibrieren des Hebels in horizontaler Richtung durch Aufbringen einer Rotations- oder Torsionskraft auf den Hebel und eine Einrichtung zum Erfassen der Ablenkung eines an dem Hebel reflektierten Lichtstrahles umfaßt, um hierdurch eine mikroskopische oder infinitesimale Kraft (d.h. eine Kraft von extrem kleiner Größe) zu messen.
Das der erfindungsgemäßen Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung zugrundeliegende Prinzip wird unten erklärt werden. Durch Vibrieren eines Hebels, der an seinem freien Ende einen daran angebrachten Fühler aufweist, und Bewegen des Fühlers nahe in Richtung der Probe zum Beobachten hat der Hebel die Tendenz, unter dem Einfluß einer Rückstoßkraft oder Anziehung verformt zu werden, was zur Folge hat, daß der Fühler entsprechend ausgelenkt wird. Die Auslenkung des Fühlers wird dann mittels eines Positionsdetektors gemessen, der ausgeführt ist, um auf der Basis eines Laserstrahl-Ablenkungs-Erfassungsverfahrens (auch als optisches Hebelmeßgerät-Verfahren bekannt) zu wirken. Dreidimensions-Informationen der Oberflächenstruktur einer Probe können dann von den Positionsänderungen des Fühlers oder der Probe durch Messen eines Wechselstromanteils der Biegung des Hebels (d.h. ein Biegungsanteil sehr geringer Frequenz) und Steuerung der Position der Probe oder des Fühlers entlang der Z-Achse (d.h. der sich orthogonal zu der Probenoberfläche erstreckenden Achse), so daß die auf den Fühler einwirkende Kraft, d.h. der Wechselstrom-Auslenkungsanteil konstantgehalten wird, hergeleitet werden. Zu derselben Zeit kann der Kraftgradient zusätzlich gemessen werden durch selektives Ableiten eines Wechseistromanteiles der Biegung des Hebels von der Ausgabe des Positionserfassungssystems und Entnehmen eines gleichen Frequenzanteus wie die Erregungs- oder Vibrationftequenz des Hebels. Auf der Basis des somit gemessenen Kraftgradienten kann das in der Nachbarschaft der Probenoberfläche vorhandene magnetische Streufeld und/oder das elektrische Streufeld bestimmt werden. Zusätzlich wird, wenn oberhalb der Probenoberfläche mit Abständen hiervon existierende magnetische Streufelder und/oder elektrische Streufelder gemessen werden sollen, eine Bewegung des Fühlers oder der Probe in der X-, Y- und Z-Richtung an jeder Pixelposition zum Gewinnen von Probenoberflächen-Informationen im Verlauf des Abtastens der Probe in relativer Richtung zu dem Fühler (d.h. das Abtasten kann durch Bewegen des Fühlers relativ zu der Probe oder alternativ Bewegen der Probe relativ zu dem Fühler erfolgen) angehalten, woraufhin der Fühler zu einer in einer gewünschten Höhe oder gewünschten Höhen von der Probenoberfläche befindlichen Position oder zu einer Mehrzahl diskreter Positionen bewegt wird, und der auf den Fühler in diesen Positionen einwirkende Kraftgradient oder die auf den Fühler einwirkenden Kraftgradienten erfaßt wird.
Auf diese Weise kann nicht nur die Oberflächenstruktur der Probe, sondern auch das über und oberhalb der Probenoberfläche vorhandene dreidimensionale magnetische Streufeld oder elektrische Streufeld gemessen werden.
Bei der Messung der magnetischen Streufeldverteilung wird ein Fühler, der eine mit einem magnetischen Material beschichtete Oberfläche aufweist oder alternativ ein aus magnetischem Material gebildeter Fühler eingesetzt. Auf der anderen Seite muß der Fühler, für die Messung der elektrischen Streu feldverteilung, mindestens einen Oberflächenabschnitt aufweisen, der aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Erfassen der atomaren Kraft, der magnetischen Kraft und/oder der elektrostatischen Kraft kann durch Anwenden eines Verfahrens zum Erfassen der Biegung oder Auslenkung eines Elementes oder Gliedes, das eine große Fläche aufweist, auf berührungslose Art realisiert werden, wie solche, die als Laserstrahl-Ablenkverfahren (das sich auch auf ein optisches Hebelmeßgerät-Verfahren beziehen kann), ein Laser-Interferometer-Verfahren oder ein Kapazitanz-Verfahren, ein astigmatisches Verfahren oder dergleichen verwirklicht werden. Das optische Hebelmeßgerät-Verfahren und das Laser-Interferometer-Verfahren sind in "Nikkei Microdevices", Seiten 99 bis 100 (November 1991) gezeigt.
Entsprechend einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die in der Lage ist, die Oberflächengeometrien einer Probe und zur selben Zeit eine magnetische Domänenstruktur in derselben Ebene mit hoher Genauigkeit zu beobachten.
Bisher ist ein Verfahren zum Gewinnen von magnetismus-spezifischen Informationen einer Probe durch Anwenden der Benutzung eines abtastenden Magnetkraftmikroskops, bei dem eine Magnetkraft durch Bewegen eines magnetischen Fühlers und einer Probe nahe aneinander wirksam wird, aus "Journal of Vacuum Sience Technology", A6, Seiten 279 bis 282 (1988) und "Applied Physics Letters", Bd. 50, Seiten 1455 bis 1457 (1987) bekannt.
Die Betriebsmodi der Atomkraftmikroskope und Magnetkraftmikroskope können global gesehen in zwei Kategorien eingeteilt werden. Bei dem Betriebsmodus der ersten Kategorie wird eine Probenoberfläche mit einer an einem freien Spitzenende eines Hebels angebrachtem Fühler in einem Bereich abgetastet, wo eine atomare Kraft relativ auf die Probenoberfläche einwirkt (d.h. in einem Bereich, das von der Probenoberfläche weniger als mehrere zehn Nanometer entfernt ist), wobei ein Gleichstromanteil von Änderungen der atomaren Kraft für die Messung der Oberflächengeometrien der Probe und der Richtung der Magnetkräfte erfaßt wird. Andererseits wird bei dem Betriebsmodus der zweiten Kategorie der Hebel mit einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz desselben vibriert, und eine Änderung der Resonanzfrequenz des Hebels aufgrund einer auf den Fühler einwirkenden Kraft wird erfaßt, um hierdurch einen Kraftgradienten zu messen. In diesem Fall wird der Fühler veranlaßt, mit einer geringen Amplitude in senkrechter Richtung zu der Probenoberfläche in einem von dieser mehrere zehn bis mehrere hundert Nanometer entfernt zu virbrieren.
In dem im US-Patent Nr. 4,724,318 offenbarten Atomkraftmikroskop, bei dem die Probenposition in der Z-Richtung relativ zu dem Fühler während des Abtastens der Probe in der XY-Richtung gesteuert wird, ist ein zeitaufwendiges, störanfälliges Verfahren zum Ausschneiden eines fragmentarischen Abschnittes von der Probe für die Beobachtung involviert. Mit anderen Worten wird, wenn eine Probe mit großer Fläche intakt durch Verwendung des in der oben erwähnten Veröffentlichung offenbarten Kraftmikroskopes beobachtet werden soll, das abzutastende Bereich der Probe unvermeidbarerweise sehr ausgedehnt, weil ein Bereich der zu beobachtenden Probenoberfläche über ein breites Gebiet herausragt. Es ist jedoch mit diesem Mikroskop des Standes der Technik sehr schwierig, die Probe über ein solch weites Bereich in der X- und Y-Richtung mit einer hohen Genauigkeit und einer hohen Geschwindigkeit abzutasten. Außerdem taucht bei dem Mikroskop des Standes der Technik, bei dem die XY-Abtastung und die Z-Steuerung für die Probe durchgeführt werden, ein weiteres Problem dergestalt auf, daß die Abtastgeschwindigkeit ebenso wie die Steuergeschwindigkeit notwendigerweise verringert werden, wenn ein großer Probenbereich intakt beobachtet werden soll, da eine solche Probe gewöhnlich ein hohes Gewicht aufweist.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung vorgesehen, mit der selbst eine Probe von großer Größe, wie einem Halbleiter-Wafer, einer magnetischen Platte oder dergleichen intakt oder einfach beobachtet werden kann, ohne die Notwendigkeit eines Schneidens der Probe in Bruchteile für die Beobachtung.
Zu diesem Zweck wird bei einem Modus zum Ausführen der Erfindung, eine solche Struktur angewandt, bei der ein Hebel, der einen Fühler an einem seiner freien Enden aufweist, veranlaßt, eine Probe in der X- und Y- Richtung in der Lage abzutasten, bei der der Hebel eine Steuerung in der Z-Richtung relativ zu der Probe erfährt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ein Probenträger zum Halten der Probe daran mit einem XY-Bewegungsmechanismus oder einem r-θ-Bewegungsmechanismus versehen werden, die einen großen Bewegungsbereich (größer als etwa 1 mm) des Probenträgers gewährleisten.
Aufgrund einer solchen Struktur, bei der ein mit dem Fühler ausgerüsteter Hebel an einer Einrichtung installiert ist, die für die X- und Y-Abtastoperationen bewegt wird und die einer Servosteuerung in der Z-Richtung unterworfen wird, wobei die Probenoberfläche mit dem Fühler in der X- und Y- Richtung abgetastet wird, während die Position des Fühlers in der Z-Richtung relativ zu der Probe durch eine Servosteuerschleife gesteuert wird, so daß eine infinitesimale oder mikroskopische, zwischen dem Fühler und der Probe wirkende Kraft konstant bleibt, die Notwendigkeit zum Vorsehen eines Hochpräzisions-X- und Y-Abtastmechanismus und eines Z-Servosteuermechanismus in Verbindung mit dem Probenträger vermieden werden.
Im übrigen kann die Probe, durch Anordnen der Probe auf einem herkömmlichen Proben-Bewegungsträger (XY-Träger oder r-θ-Träger), der sich in der X- und Y-Richtung über einen weiten Bereich bewegen kann, ohne die X- und Y-Abtast- und die Z-Servosteuerung mit hoher Genauigkeit zu erfordern, über einen weiten Bereich in der X- und Y-Richtung durch Bewegen des Proben-Bewegungsträgers oder -mechanismus bewegt werden, wobei eine geringe Oberflächenstruktur einer großen Probe bei gewünschten Oberflächenpositionen auf sehr erleichterte Art beobachtet oder untersucht werden.
Zusätzlich kann, durch Anwenden eines Laserstrahl-Ablenkungsverfahrens zum Erfassen des Biegungswinkels des Hebels, der durch eine mikroskopische Kraft (z. B. eine atomare Kraft oder magnetische Kraft), die zwischen dem Spitzenende des Fühlers und der Probenoberfläche wirkt, um hierdurch die mikroskopische oder inifinitesimale Kraft (d.h. eine extrem kleine Kraft) zu erfassen, ein berührungsloses mikroskopisches Krafterfassungssystem verwirklicht werden, das eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Genauigkeit trotz einer Translationsbewegung des Hebels aufweist. Genauer erfährt, wenn der Biegungswinkel des Hebels erfaßt werden soll, durch Anwenden des Laserstrahl-Ablenkungsverfahrens (oder, mit anderen Worten, optisches Hebelmeßgerät-Verfahren) die Position auf der rückwärtigen Oberfläche des Hebels, wo der Laserstrahl auftritt, Änderungen in Abhängigkeit von der Translationsbewegung des Hebels, welche durch Begleiten der Abtastoperation in die X- und Y-Richtung und/oder die Steuerung des Hebels in der Z- Richtung verursacht wird. Jedoch ist, im Vergleich mit der Größe einer Auslenkung eines Laserlichtpunktes auf einem Photodetektor, der durch die Änderung der Einfallposition des Laserstrahls (d.h. die Erfassungsempfindlichkeit gegenüber der Änderung der Einfallsposition des Lichtstrahles) verursacht wird, die Größe der Auslehkung des Lichtstrahls auf dem Photodetektor, die durch Änderungen des Ablenkwinkels des Hebels unter dem Einfluß der mikroskopischen Kraft, die erfaßt werden soll, verursacht wird, so groß wie von vierter Ordnung. Somit kann ein Meßfehler infolge der durch die XY-Abtastung und die Z-Steuerung des Hebels, wie oben erwähnt, verursachte Änderung der Lichtstrahl-Einfallposition ohne weiteres vernachlässigt werden. Somit wird nun verständlich, daß eine zwischen dem Spitzenende des Fühlers und der Probenoberfläche wirkende mikroskopische oder inifinitesimal kleine Kraft mit zufriedenstellender Genauigkeit erfaßt werden kann, trotz einer solchen Anordnung, daß der an einem freien Ende des Hebels angebrachte Fühler zum Bewegen veranlaßt wird, um die Abtastung in der X- und Y-Richtung und durch die Servosteuerung in der Z-Richtung zu bewirken.
Somit kann der XYZ-Feinbewegungsmechanismus, bei dem eine hochgenaue Z-Servosteuerfunktion in Verbindung mit dem Probenträger in dem Fall der hier zuvor bekannten Vorrichtung hätte vorgesehen werden müssen, durch Anwenden der Lehren der vorliegenden Erfindung unnötig machen. Dies wiederum bedeutet, daß eine solche Struktur verwirklicht werden kann, bei der eine groß dimensionierte Probe auf einem herkömmlichen XY-Träger angeordnet ist, der keine Z-Servosteuerung erfordert, wodurch die Probe in der Originalgröße ohne die Notwendigkeit eines Zerschneidens derselben in Bruchteile beobachtet werden kann, was ein weiterer großer Vorteil ist.
Nebenbei bemerkt ist mit dem Ausdruck "herkömmlicher XY-Träger" beabsichtigt, einen bisher bekannten Proben-Bewegungsträger zu bezeichnen, der mit einem herkömmlichen XY-Bewegungsmechanismus (oder r-θ-Bewegungsmechanismus) versehen ist, welcher eine direkt daran befindliche Probe über einen weites Bereich (vorzugsweise größer als 1 mm in der Vorwärtsund der Rückwärtsrichtung ebenso wie nach links bzw. rechts) bewegen kann.
Als weiterer bevorzugter Modus zum Ausführen der Erfindung ist eine Verbesserung für das in dem US-Patent Nr. 4,724,318 und "Journal of Applied Physics", Bd. 61, Seiten 4273-4729 (1987) offenbarte Verfahren dergestalt in Betracht gezogen, daß das Abtasten einer Probe mit einem eingespannten Hebel, der mit einem Fühler ausgerüstet ist und der mit einer geringen Amplitude in der zu der Probenoberfläche senkrechten Richtung ohne die Probe zu berühren vibriert, ausgeführt wird, da hierdurch eine Änderung der Resonanzftequenz des Hebels erfaßt wird, wobei die Änderung durch eine auf den Fühler und somit auf das freie Spitzenende des Hebels einwirkende Kraft hervorgerufen wird.
Entsprechend dem oben genannten Verfahren wird eine Änderung der Resonanzfrequenz des Hebels erfaßt, die aufgrund einer Änderung der effektiven Federkonstante des Hebels unter dem Einfluß einer zwischen dem Spitzenende des Hebels und der Probenoberfläche wirkenden atomaren Kraft in einem Stadium stattfindet, zu dem der Hebel auf berührungslose Art mit einem Abstand von mehreren zehn Nanometern von der Probenoberfläche positioniert ist. Mit anderen Worten wird der Hebel durch eine Antriebskraft bei einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz des Hebels angeregt, und die Änderung der Resonanzfrequenz wird anhand einer Änderung der Amplitude unter Verwendung der Resonanzeigenschaft eines Hebels entsprechend dem sogenannten Flanken-Erfassungsverfahren erfaßt, wobei die Abtastung durch Steuerung des Abstandes zwischen der Probe und dem Hebel gesteuert wird, so daß die erfaßte Amplitude konstant bleibt.
Dieses Verfahren kennzeichnet die Erfassung eines Differentialkoeffizienten in der Z-Achse (d.h. in der zu der Probenoberfläche orthogonalen Richtung) anstelle einer direkten Krafterfassung. Aufgrund dieses Merkmals kann die auf das Spitzenende des Hebels wirkende Kraft erfaßt werden, selbst wenn die Kraft von geringer Größe ist, vorausgesetzt, daß der Differentialkoeffizient in der Z-Richtung ausreichend groß ist. In Wirklichkeit ist die bei diesem Modus erfaßte Kraft eine extrem schwache, in der Umgebung einer festen Oberfläche wirkende Anziehungskraft. Es soll ebenfalls erwähnt werden, daß dieses Verfahren am weitesten bei Magnetkraftverfahren aufgrund der Tatsache angewandt ist, daß die Wechselwirkung mit dem Fühler aufgrund eines extrem geringen Volumens des magnetischen Spitzenendes extrem schwach ist. Ein typisches Magnetkraft-Mikroskop, bei dem das oben genannte Verfahren übernommen ist, ist in "Applied Physics Letters", Bd. 50, Seiten 1455-1457 (1987) offenbart.
Bisher beruht das Erfassen einer Verschiebung des Resonanzpunktes des Hebels hauptsächlich auf dem Flanken-Erfassungsverfahren. Allerdings weist dieses Verfahren Nachteile auf. Zunächst ist es empfindlich gegenüber dem Einfluß von Faktoren, die unerheblich sind für die Resonanzpunktverschiebung des Hebels, wie z.B. eine Variation der Leistung einer einen Laser bildenden Lichtquelle für ein Laser-Interferometer, das für eine Erfassung der Amplitude des Hebels verwendet wird. Als ein zweites Problem mag erwähnt werden, daß die Bandbreite der Betriebsfrequenz klein ist, was durch die Tatsache erklärt werden kann, daß eine große Bandbreite einer eine Amplitude erfassenden Schaltungsanordnung nicht erhältlich ist für ein Gewährleisten eines ausreichend hohen Signal/Rausch-Verhältnisses, weil die Amplitude des Hebels extrem klein, etwa in einem Bereich von mehreren Nanometern bis mehreren zehn Nanometern, ist.
Als Maßnahme, um mit den oben erwähnten Problemen zurechtzukommen, wurde ein Verfahren zum direkten oder einfachen Erfassen des Resonanzpunktes des Hebels vorgeschlagen, wie es in "Journal of Applied Physics", Bd. 96, Seiten 698-679 (1991) offenbart ist. Ein Merkmal dieses Verfahrens wird darin gesehen, daß ein Schwingkreis durch positives Rückkoppeln einer Ausgabe der Hebelvibrations-Erfassungschaltung verwirklicht wird, wobei ein Schwingungsignal des Schwingkreises durch einen FM-Detektor erfaßt wird, um hierdurch direkt den Resonanzpunkt des Hebels unter Verwendung der Tatsache, daß der Schwingkreis dieser Art bei einem Resonanzpunkt eines in dem Schwingkreis enthaltenen Resonators schwingt. Durch Anwendung dieser Technik ist es nun möglich, ein Abtast-Magnetkraft-Mikroskop, das gegenüber äußeren Störungen weniger empfindlich ist und welches eine große Bandbreite gewährleisten kann, aufzubauen.
Dennoch verbleiben mehrere Probleme, die gelöst werden müssen. Zunächst muss herausgestellt werden, daß der auf obige Art beschriebene, hergestellte Oszillator hinsichtlich der Frequenz-Stabilität schlecht ist. Insbesondere wird, wenn die Schwingvorrichtung unter Luftdruck betrieben wird, eine Verschlechterung der Frequenz-Stabilisierung wegen eines kleinen Q-Wertes des Hebels als Resonator unter dem Einfluß des Windwiderstandes und anderer Faktoren beachtlich. Da die Ausgabe dieser Vorrichtung intrinisch ein Frequenzsignal ist, führt eine Instabilität der Schwingfrequenz zu der Erzeugung von Rauschen, welches natürlich an den Ausgang der Vorrichtung reflektiert wird. Als ein zweites Problem kann der hier betrachtete Schwingkreis die Schwingung unter dem Einfluß von Rauschen oder anderen Faktoren stoppen, wenn er mit geringer Amplitude schwingt, weil der Schwingkreis einen relativ hohen Rauschpegel aufweist.
Wie aus der obigen Erläuterung verständlich wird, ist der hier oben beschriebene Schwingkreis schlecht hinsichtlich der Stabilität der Schwingungsfrequenz wegen solch einer Anordnung, daß die Ausgabe des Hebelamplituden-Erfässungssystems einfach rückgekoppelt wird wie sie ist. Weiter mangelt es, aufgrund eines relativ hohen Rauschpegels, der Schwingung mit geringer Amplitude ebenfalls an Stabilität.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausfiihrungsform der vorliegenden Erfindung, welche die oben erklärten Probleme durch Vorsehen eines Schwingkreises hoher Stabilität und geringen Rauschpegels löst, ist eine Kombination eines hinsichtlich der Frequenz und Phase stabilisierten Referenz- oder Standardoszillators, eine Einheit zum Vibrieren des Hebels durch ein Hebelbiegungssignal und ein Phasenkomparator zum Vergleichen der Phase des Hebelbiegungssignals mit dem des Auslaßsignals des Referenzoszillators vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann zu diesem Zweck eine elektrostatische Vorspannung zwischen den Spitzenenden des Hebels und der Probe angelegt werden. Weiter kann der Hebel vorzugsweise ein aus ferromagnetischem Material gebildetes Fühlerspitzenende aufweisen.
Wenn der Hebel mit einem Auslenkungs- oder Biegungssignal vibriert wird, wird der Hebel veranlaßt, mit einer zugehörigen inhärenten Resonanzfrequenz zu schwingen. Durch Einstellen des Abstandes zwischen dem Spitzenende des Hebels und der Probenoberfläche, so daß der Phasenunterschied zwischen dem Ausgangssignal des Referenzoszillators und dem Biegungssignal des Hebels minimal wird, kann die Schwingungsfrequenz des Schwingkreises stabilisiert werden, bei einem von ihm verringerten Rauschpegel. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß das Anlegen einer elektrostatischen Vorspannung zwischen dem Spitzenende des Hebels und der Probenoberfläche derart wirkt, daß eine Einstellung des Abstandes zwischen dem Spitzenende des Hebels und der Probenoberfläche erleichtert ist. Weiter ermöglicht das aus einem ferromagnetischen Material gebildete Hebelspitzenende das magnetische Streufeld der Probe zu messen.
Eine Anordnung zum Erfassen einer magnetischen Domänenstruktur der Probenoberfläche durch Erfassen eines zwischen einer magnetischen Probe und einem magnetischen Fühler fließenden Tunnelstromes ist in dem "Journal of Vacuum Science Technology", B9, Seiten 519-524 (1991) besprochen. Entsprechend diesem Stand der Technik wird vorgeschlagen, einen Fühler (z.B. aus Chromoxid) einzusetzen, der in zu der Probenoberfläche senkrechten Richtung spin-polarisiert ist, wobei von dem pHänomen Gebrauch gemacht wird, daß ein zwischen dem Fühler und der Probe fließender Tunnelstrom unterschiedliche Werte voraussetzt in Abhängigkeit von parallelen und anti-parallelen Ausrichtungen der Spins in der magnetischen Probenoberfläche.
Allerdings leidet das oben erwähnte magnetismus-spezifische Aufnahmesystem an mehreren Mängeln. In dem Fall eines Systems zum Erfassen eines Gleichstromanteiles der Kraft in dem Magnetkraftmikroskop ist es schwierig, die Oberflächenstruktur der Probe diskriminierend festzustellen, wegen der geringen, zwischen dem Fühler und der Probe wirkenden Magnetkraft. Auf der anderen Seite kann in dem System zum Aufnehmen der magnetischen Gradientenkraft eine Erfassung mit hoher Genauigkeit realisiert werden, obwohl man auf die Schwierigkeit eines Anwachsens des Auflösungsvermögens wegen der Messung stößt, die in einem von der Probenoberfläche beabstandeten Bereich durchgeführt wird. Obwohl das Tunnelstrom-Erfassungsmodell geeignet ist zur Beobachtung der magnetischen Domänenstruktur einer Probe, welche eine flache Oberfläche, wie etwa eine nicht-kristalline Probe aufweist, stößt man beim Erfassen der magnetismus-spezifischen Information bei den anderen magnetischen Proben auf die Schwierigkeit, wegen der Mischung der Oberflächenstrukturinformation und der magnetismus-spezifischen Information, genaue Informationen zu erhalten und eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten.
Entsprechend der bisher bekannten Techniken kann die Verteilung des magnetischen Streufeldes über die Probenoberfläche durch die Steuerung der Fühlerposition gemessen werden, so daß die Magnetkraft oder der Magnetkraftgradient, die auf den Fühler einwirken, konstant gehalten wird. Es ist jedoch schwierig, wegen der zusammenhängenden Beobachtung der magnetismus-spezifischen Information und der geometrischen Information, die inhären te magnetismus-spezifische Information vorherzusagen. Auf der anderen Seite kann das Modell zum Erfassen des zwischen dem spin-polarisierten Fühler und der Probe fließenden Tunnelstromes sicherlich eine Beobachtung der magnetischen Domänenstruktur der Probenoberfläche durch eine Steuerung des Fühlers solcher Art ermöglichen, daß der Tunnelstrom konstant gehalten werden kann. Jedoch taucht in diesem Fall ein Problem auf, daß die geometrische Struktur, wie die Rauhheit der Probenoberfläche, nicht wahrnehmbar von der Information der magnetischen Domänenstruktur erfaßt werden wird.
Entsprechend einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung vorgesehen, mit der es möglich ist, Probenoberflächengeometrien gleichzeitig mit und unterscheidend von der Beobachtung einer magnetischen Domänenstruktur auf einer gleichen Ebene mit hoher Genauigkeit durch Verwendung eines Tunnelstromphänomens zu beobachten.
Um dies zu erreichen, wird entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, einen spin-polarisierten ferromagnetischen Fühler an einem freien Ende des Hebels in Kombination mit einem Mittel zum Erfassen des Gleichspannungsanteils der Auslenkung oder Biegung des Hebels, ein Mittel zum Erfassen eines zwischen dem Fühler und der Probe fließenden Stromes, ein Mittel zur Änderung der Intensität der Magnetisierung des ferromagnetischen Fühlers mit einer spezifischen Frequenz, ein Mittel zum Erfassen eines zwischen der Probe und dem Fühler fließenden Stromes mit der oben erwähnten spezifi schen Frequenz, und ein Mittel zum Abtasten der Probe entlang deren Oberfläche mit dem Fühler vorzusehen, wobei die magnetismus-spezifische Information der Probe auf der Basis einer Änderung des Wertes des zwischen dem Fühler und der Probe fließenden Stromes gleichzeitig mit der Information der auf der Basis der Information des Wechsels des Gleichspannungsanteils der Biegung des Hebels erfaßten Information der Probenstruktur erhalten wird.
Wenn der an dem freien Ende des Hebels angeordnete ferromagnetische Fühler in einen Bereich nahe der Probenoberfläche abgesenkt wird, bei dem eine atomare Rückstoßkraft aktiv ist, erfährt der Hebel eine Biegung unter der atomaren Kraft. Eine Auslenkung des Hebels aufgrund der Biegung wird durch den Positionsdetektor gemessen, der durch Verwendung eines Laserstrahl-Ablenkungsverfahrens oder optisches Hebelmeßgerät-Prinzips arbeitet. Die Oberflächenstruktur der Probe wird durch Messen des Gleichspannungsanteils der Biegung des Hebels und Steuerung der Position der Probe oder des Fühlers in der Z-Richtung (d.h. in der zu der Probenoberfläche senkrechten Richtung) so bestimmt, daß die auf den Fühler einwirkende Kraft konstant wird oder die Größe des Gleichspannungsanteils der Biegung des Hebels konstant wird.
Zur gleichen Zeit wird der zwischen dem ferromagnetischen Fühler und der Probenoberfläche fließende Tunnelstrom gemessen. Der Tunneistrom verändert sich als Funktion des Spin-Polarisationsfaktors P des ferromagnetischen Fühlers. Genauer wird, in dem Fall, daß die Ausrichtung der Spin- Polarisation in der Probe parallel mit der des ferromagnetischen Fühlers ist, ein durch I = I&sub0; (1 + P) gegebener Tunnelstrom erfaßt, während ein durch I = I&sub0; (1 - P) gegebener Tunnelstrom erfaßt wird, wenn die Ausrichtung der Spin-Polarisation in der Probe anti-parallel zu der des ferromagnetischen Fühlers ist.
Durch Steuerung der Position der Probe oder des Fühlers in der Z-Richtung (senkrecht zu der Probenoberfläche), so daß der Gleichstromanteil der Biegung des Hebels konstantgehalten wird, und gleichzeitig der Tunnelstrom gemessen wird, können die geometrie-spezifische Information und die magne tische Domäneninformation in dem Probenoberflächenbereich diskriminierend gemessen werden, während die geometrie-spezifische Information mit der magnetischen Bereichsinformation in Wechselbeziehung steht. Bei Annäherung des ferromagnetischen Fühlers an die Probenoberfläche kann eine Änderung in der Magnetisierung des Fühlers unter dem Einfluß des magnetischen Streufeldes der Probenoberfläche auftreten. In diesem Fall kann der Tunnelstrom nur eine kleine Änderung erfahren, was ein geringes S/N- Verhältnis (Signal/Rausch-Verhältnis) mit sich bringt. Um ein solches nachteiliges Phänomen zu vermeiden wird es vorgezogen, eine Erregerspule teilweise um den ferromagnetischen Fühler herum vorzusehen, um hierdurch den Strom bei einer maximalen Frequenz während der Energiezufuhr zu dem Fühler bei einer bestimmten Frequenz zu messen.
Obwohl eine mono-magnetische Domänenstruktur eines Monokristalls am wünschenswertesten für den ferromagnetischen Fühler ist, kann eine durch ein pyhsikalisches Bedampfungsverfahren, wie einem Zerstäubungsprozeß und einem Vakuumbedampfungsprozeß, gebildete dünne Schicht verwendet werden. Weiter kann die Ausrichtung der Spin-Polarisation des Fühlers senkrecht zu oder parallel zu der Probenoberfläche sein und kann willkürlich in Abhängigkeit von der Probe gewählt werden. Nebenbei bemerkt müssen der Fühler und die Probenoberfläche aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch eine allgemeine Anordnung einer Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Diagramm zur konzeptionellen Darstellung der Betriebsweise eines an einem freien Ende eines Hebels an einer in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung angebrachten Fühlers;
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm zur Darstellung eines Ablaufes zum Messen einer dreidimensionalen magnetischen Streufeld-Verteilung;
Fig. 4a bis 4c zeigen schematisch ein Oberfiächenstrukturbild (AFM-Bild) und Magnetkraftgradienten-Verteilungen, wie sie durch eine Messung eines magneto-optischen Aufnahmemediums erhalten werden;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration einer Servosteuerung entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm zur Darstellung des Betriebes des in Fig. 5 gezeigten Servosteuer-Schaltkreises;
Fig. 7 ist eine Ansicht, welche einen Aufbau zur Änderung der Magnetisierungsrichtung eines Fühlers zeigt;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Mechanismus zur Änderung der Magnetisierung eines Fühlers zeigt;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das den Aufbau zum Ändern einer elektrischen Ladung eines Fühlers zeigt;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das den Aufbau zum gleichzeitigen Messen einer elektrostatischen Kraftverteilung und einer Magnetkraft-Verteilung zeigt;
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch den Aufbau eines Hebels entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 12 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Fühlers zum Messen einer Magnetfeld-Verteilung zeigt, der sich parallel zu der Probenoberfläche entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt;
Fig. 13 ist eine Ansicht, die allgemein den Aufbau einer Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 14 ist eine Ansicht, die allgemein den Aufbau einer Oberflächen- Beobachtungsvorrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 15 ist eine Ansicht zur Darstellung des Prinzips zum Hervorrufen eines Aufnahmefehlers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 16a und 16b sind Diagramme, die einen größeren Abschnitt der mikroskopischen Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen;
Fig. 17 ist ein Blockdiagramm, das einen allgemeinen Aufbau einer Proben-Beobachtungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 18 ist ein Blockdiagramm, das einen Aufbau einer Vorrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 19 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das eine in der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung angewandte Schaltung zeigt;
Fig. 20 ist eine Ansicht, die graphisch eine Beziehung zwischen einer auf den Hebel wirkenden Kraft F und einer Abstand z zwischen dem Fühler-Spitzenende des Hebels und einer Probenoberfläche zeigt;
Fig. 21 ist eine Ansicht, die graphisch eine Beziehung zwischen einer Frequenzänderung bei Verlagerung eines Resonar:zpunktes des Hebels und eines Abstandes zwischen einer Probenoberfläche und einem Spitzenende eines Hebels zeigt, wobei die Beziehung experimentell durch Bewegen des Hebels gegen die Probenoberfläche erhalten wird;
Fig. 22 ist ein Blockdiagramm, das einen weiteren Aufbau der Schaltung gemaß der Erfindung zeigt;
Fig. 23a und 23b sind Diagramme zur Darstellung eines Meßprinzips gemaß der Erfindung; und
Fig. 24 ist ein Diagramm, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die vorliegende Erfindung wird nunmehr im Detail in Verbindung mit bevorzugten oder beispielhaften Ausführungsformen derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Ausführungsform 1

Fig. 1 ist eine Ansicht, die schematisch einen Grundaufbau einer Oberflächen-Beobachtungs oder -untersuchungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Unter Bezugnahme auf die Figur bezeichnet eine Bezugsziffer 1 einen Hebel 1, der an dessen einem freien Ende einen angebrachten Fühler 17 aufweist, und der mit einem Vibrationsanregungselement, veranschaulicht durch eine piezoelektrische Einrichtung 15, an dem anderen Ende versehen ist. Als Antwort auf die Kraft, welche auf den Fühler 17 durch die Probe 2 ausgeübt wird, deformiert sich der Hebel und vibriert. Die somit verursachte Biegung des Hebels 1 wird mit anderen Worten durch Verwendung eines laaserstrahl-Ablenkungs-Erfassungsverfahrens oder ein optisches Hebelmeßgerät-Verfahren erfaßt.
Zu diesem Zweck ist ein Laserstrahl-Ablenkungsdetektor, der in einer Laserlichtquelle 3 enthalten ist, ein Positionssensorelement 4 und eine Positionserfassungsschaltung vorgesehen. Von den Signalanteilen werden nur solche, die sich in einem Niederfrequenzbereich eines Gleichstromanteils befinden, durch einen Tiefpaßfilter 60 ausgewählt, wie in Fig. 1 mit 8 angezeigt, und zu einem Serovsteuerungskreis 9 geleitet, der eine solche Steuerung durchführt, daß der niederfrequente Anteil oder Gleichstromanteil der Vibration oder Biegung des Hebels auf einem kdnstanten Niveau durch die Wirkung einer einen Teil einer XYZ-Abtastvorrichtung 14 bildenden Z- Achsen piezoelektrischen Vorrichtung. Aufgrund dieser Anordnung kann der Fühler 17 die Oberfi;.che einer Probe 2 mit einer äquidistanten Entfernung hiervon abtasten, wobei eine Oberflächenstruktur (AFM-Bild) der Probe für eine Beobachtung oder Untersuchung erhalten werden kann.
Andererseits wird der Signalanteil des Ausgangssignals von der Positionserfassungsschaltung 5, das dieselbe Frequenz hat wie die der Vibration der piezoelektrischen Einrichtung 15, erfaßt durch einen Einrastverstärker 6, wie durch 7 angezeigt, um hierdurch Änderungen der Kraftgradienten in der X- und Y-Richtung relativ zu der Fühlerposition zu erfassen. Aufgrund dieser Anordnung können eine Verteilung oder Verteilungen der magnetischen Streufelder, elektrischen Streufelder und/oder Potentiale für eine Anzeige an einer Anzeigeeinrichtung (nicht gezeigt) erhalten werden. Ferner kann das durch den Einrastverstärker 6 erfaßte Vibrationssignal auf die piezoelektrische Einrichtung 15 zum Vibrieren des Hebels 1 angelegt werden.
Nun wird die Betriebsweise der Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung genauer dargestellt. Der Hebel 1, der einen an einem freien Ende desselben angebrachten Fühler 17 aufweist, wird mit einer geringen Amplitude mittels der piezoelektrischen Einrichtung 15 vibriert. In diesem Zustand wird, wenn der Fühler 17 gegen die Probe 2 bewegt wird, der Hebel 1 unter einer Rückstoßkraft oder Anziehung gebogen. Die Biegung oder Auslenkung des Fühlers 17 wird durch das Positionserfassungssystem, das in Übereinstimmung mit dem zuvor genannten Iaaserstrahl-Ablenkungserfassungsverfahren durch Verwendung eines reflektierten Laserstrahls 19, der von der Reflexion eines eingefallenen Laserstrahls 18 an der hinteren Oberfläche des Hebels 1 resultiert, erfaßt. Als Oberflächen-Strukturinformation der Probe 2 kann eine Dreidimensions-Information 2000 der Probenoberfläche auf der Basis einer Änderung der Position der Probe 2 oder des Fühlers 17 durch Steuerung der Position der Z-Achse der Probe 2 (d.h. der zu der Probe 2 senkrechten Achse) erhalten werden, so daß die an dem Fühler 17 wirkende Kraft oder dessen niederfrequente Biegung konstantgehalten wird durch Verwendung des Gleich- oder Niederfrequenzanteils der Biegung des Hebels 1 (d.h. die Biegung in dem Niederfrequenzbereich wird nicht höher als, z.B., 5 kHz unter Einschluß des Gleichspannungsanteiles wie zuvor erwähnt) durch die Servosteuerung. (Auf diesen Betrieb wird als konstante Rück stoßkraft-Modus-Operation Bezug genommen.)
Zur gleichen Zeit wird die wechselspezifische Biegung des Hebels 17 (d.h. der Biegungsanteil der gesamten Frequenz wie die der durch die piezoelektrische Einrichtung 15 aufgebrachte Vibrationsfrequenz selektiv aus dem Ausgang der Positionserfassungsschaltung 5 erfaßt, wie hier zuvor beschneben, wobei ein Kraftgradientensignal 1000 erhalten werden kann. Auf der Basis dieses Kraftgradientensignals 1000 können das magnetische Streufeld ebenso wie das elektrische Streufeld, die in der Nähe der Probenoberfläche liegen, erfaßt werden.
Als ein Verfahren zum Erfassen der Kraftgradienten kann zuerst ein Verfahren genannt werden, nach dem die auf den Hebel 1 aufgebrachte Vibrationsfrequenz leicht von der Resonanzfrequenz des Hebels 1 abweicht und eine Änderung der Vibrationsamplitude des Hebels, die bei einer Änderung der auf den Fühler 17 wirkenden Kraft sichtbar wird, erfaßt wird. Als ein zweites Verfahren zu diesem Zweck wird eine Änderung der Resonanzfrequenz des Hebels 1 durch eine Änderung der auf den Fühler 17 wirkenden Kraft für ein Erfassen der Kraftgradienten verwendet.
Von dem quantitativen Standpunkt aus gesehen wird das zuletzt erwähnte Verfahren gegenüber dem ersteren bevorzugt wegen der größeren Direktheit. Es sollte erwähnt werden, daß die Ansprechfrequenz der Servoschaltung 9 kleiner sein muß als die auf den Hebel 1 aufgebrachte Vibrationsfrequenz. Genauer muß, wegen der Ansprechfrequenz des hier betrachteten Servosy- stems auf etwa 5 kHz oder weniger im Hinblick auf die Ansprechcharak teristik der piezoelektrischen Einrichtung 15 und des Verstärkers 6 oder der des Servosystems selbst begrenzt ist, die Vibrationsfrequenz größer sein als einschließlich 10 kHz Nebenbei bemerkt erfährt die Vibrationsfrequenz eine Begrenzung aufgrund der mechanischen Resonanz des Hebels 1.
Es sollte auch erwähnt werden, daß die Messung der magnetischen Streufeldverteilung die Verwendung eines Fühlers 17 notwendig macht, der eine mit einer Schicht magnetischen Materials beschichtete Oberfläche aufweist, oder einen aus magnetischem Material hergestellten Fühler 17 aufweisen kann. Ähnlich muß für die Messung der elektrischen Streufeldverteilung zumindest die Oberfläche des Fühlers aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sein. Weiter können gleichfälls andere Verfahren als das Laserstrahl-Ablenkungserfassungsverfahren für ein Erfassen der atomaren Kraft, magnetischen Kraft oder elektrostatischen Kraft angewendet werden. Als ein typisches Verfahren zu diesem Zweck kann ein berührungsloses Großflächen- Biegungserfassungsverfahren wie ein Laser-Interferometer-Verfahren, ein Kapazitanzverfahren, ein astigmatisches Verfahren und dergleichen genannt werden.
Im folgenden wird sich die Beschreibung, nur anhand eines Beispiels, auf eine verbundene Erfassung einer Oberflächenstruktur und einer dreidimensionalen Magnetfeld-Verteilung oder einer dreidimensionalen elektrischen Feldverteilung entsprechend der vorliegenden Erfindung gerichtet werden. Fur die Erfassung oder Messung der magnetischen Streufeld-Verteilung oder elektrischen Streufeld-Verteilung, die über der Probe 2 herrscht, ist es erforderlich, die mit der Probenoberfläche verbundene Positionsinformation zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird die Oberflächeninformation durch Abtasten des Fühlers 17 in der X- und Y-Richtung in dem Konstant-Rückstroßkraft-Modus erfaßt. In diesem Fall wird die X- und Y-Abtastoperation zeitweise an jedem Pixel angehalten, um den Abstand zwischen der Oberfläche der Probe 2 und der Spitze des Fühlers 17 durch Bewegen des Fühlers 17 oder der Probe 2 in der Z-Richtung zu ändern, und der Gradient der auf den Fühler 17 wirkenden Kraft wird zu diesem Zeitpunkt gemessen. Durch Wiederholen dieser Prozedur auf einer Pixel-für-Pixel- Basis können sowohl die Oberflächenstruktur der Probe 2, als auch die dreidimensionale Verteilung der magnetischen Streufelder oder des elektrischen Streufeldes gleichzeitig gemessen werden.
Fig. 2 ist ein Diagramm zum Darstellen der Bewegung des Fühlers 17 bei jedem Pixel. Bezugnehmend auf die Figur befindet sich der Fühler 17, an einer durch mit einem Kreis versehenen "1" bezeichneten Position, in einer Lage zum Erfassen der Oberflächenstruktur der Probe 2 in dem Konstant- Rückstoßkraft-Modus. An einer mit durch eine mit einem Kreis versehenen "2" bezeichneten Position wird der Fühler 17 von der Bewegung in der X- und Y-Richtung abgehalten, wobei der Fühler 17 oder die Probe 2 inkremental in der Z-Richtung ausgelenkt wird, um hierdurch den Abstand zwischen der Probe 2 und dem Fühler 17 zu vergrößeren, und der hierzwischen wirkende Gradient der Kraft erfaßt oder gemessen wird. Dann wird die Abstand zwischen der Probe 2 und dem Hebel 17 progressiv verringert, um den dazwischenwirkenden Gradienten der Kraft an einer durch eine mit einem Kreis versehene "3" bezeichneten Position zu messen. Obwohl die Messung der Kraftgradienten an zwei diskreten Positionen "2" und "3" in dem Fall des dargestellten Beispieles angenommen wird, versteht es sich von selbst, daß Messungen einer größeren Anzahl der Positionen zu dem Erhalten von Daten höherer Genauigkeit wünschenswert sind. Ferner kann die Messung der Kraftgradienten durch progressives Bewegen des Fühlers 17 in Richtung der Probe 2 wie für den Fall des dargestellten Beispiels durchgeführt werden oder alternativ inkrementelles Bewegen des Fühlers von der Probe weg. Es sollte weiter hinzugefügt werden, daß, obwohl der Fühler 17 in dem Fall des dargestellten Beispieles (Fig. 2) schräg nach oben bewegt wird, der Fühler 17 nach oben in der zu der Probenoberfläche senkrechten Richtung bewegt werden kann.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das eine Prozedur zum Messen einer dreidimensionalen magnetischen Streufeld-Verteilung entsprechend dem oben erwähnten Verfahren der Erfindung darstellt.
Bezugnehmend auf Fig. 3 wird der Fühler 17 zuerst zu einer Abtast-Startposition durch die Konstantkraft-Servosteuerung (Schritt 301) bewegt. Daraufhin wird der Fühler 17 zu der Position eines ersten Pixels bewegt, bei dem die Messung durchgeführt werden soll (wobei die Pixelpositionen durch Xi und Xj bezeichnet sind), und die Oberflächengeometrieinformation (X&sub1;, Y&sub1;, Z&sub1;&sub1;) wird erfaßt (ein Schritt 302). Dann wird der Fühler 17, bei zeitweisem Halten der Servosteuerung, zu einer Position oberhalb der Probe 2 bewegt (Schritt 303). In diesem Fall wird eine entsprechend der um ΔZ eines ersten Wertes erhöhten Wertes Z&sub1;&sub1; entsprechende Spannung an die piezoelektrische Einrichtung der Z-Achse angelegt, um hierdurch den Fühler 17 entsprechend zu bewegen (Schritt 304), worauffim eine Messung des Gradienten der Magnetkraft (Schritt 305) folgt. Im Anschluß wird, durch Hinzugeben eines zweiten Wertes auf den Wert ΔZ, der Magnetkraftgradient an einer anderen Stelle gemessen (Schritte 306 und 307). Mit Abschluß der Messung der Magnetkraftgradienten an gewünschten Positionen wird eine entsprechend dem Startwert Z&sub1;&sub1; entsprechende Spannung auf die Z-piezoelektrische Einrichtung aufgebracht (Schritt 308). Dann wird die Konstantkraft- Servosteuerung zurückgestellt, um dem Fühler 17 zu ermöglichen, die Ursprungsposition auf der Oberfläche der Probe 2 wieder einzunehmen (Schritt 309), und der Fühler 17 wird nach einem kurzen Bereitschaftszustand zu einem nächsten Pixel bewegt (Schritte 310, 311 und 302). Der oben erwähnte Meßablauf wird wiederholt ausgeführt. Nach Erhalt von Daten für eine Linie entlang der X-Achse wird der Fühler 17 entlang der Y-Achse um einen Schritt (Inkrement) bewegt, wonach die Daten in der X- Richtung gesammelt werden (Schritte 312 und 313). Der oben beschriebene Meßablauf wird an allen Pixelpositionen in der Y-Richtung durchgeführt, um die gewünschten Daten an allen Pixeln verfügbar zu machen (Schritte 314 und 315).
Fig. 4a bis 4c zeigen schematisch ein Oberflächenstrukturbild (AFM-Bild) und eine durch den oben unter Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Meßablauf erhaltene Magnetkraft-Gradientenverteilung für den Fall, bei dem eine Oberfläche einer magneto-optischen Platte beobachtet wird. Durch diese Messung können Informationen über die magnetische Streufeld-Verteilung gleichzeitig mit den Informationen über die Oberflächenstruktur der Probe erhalten werden. Genauer zeigt Fig. 4a eine an der Position "2" in Fig. 2 erhaltene Magnetkraft-Gradientenverteilung, Fig. 4b eine an der Position "3" in Fig. 2 erhaltene Magnetkraft-Gradientenverteilung, und Fig. 4c zeigt eine Oberflächenstruktur der Probe oder magneto-optischen Platte, die an der Position "1" in Fig. 2 beobachtet worden ist.
Fig. 5 zeigt einen beispielhaften Aufbau der Servosteuerung-Schaltung 9, die eingesetzt werden kann, um die oben unter Bezug auf Fig. 2 beschriebene Operation auszuführen. Der Servosteuerschaltkreis 9 antwortet auf ein Positionsfehlersignal 20, das von dem Ausgang der Positionserfassungsschaltung 5 erfaßt worden ist, um hierdurch die Position des Fühlers 17 oder die der Probe 2 so zu steuern, daß das Positionsfehlersignal 20 Null wird durch Betätigung einer Pl- oder PID-Regelschaltung 30 zur Erzeugung einer Spannung auf der Basis einer Integration (oder zusätzlich Differentiation) des Fehlersignals in Verbindung mit einer Halteschaltung 31 und einem Leistungsverstärker 32. In dem Fall des dargestellten Beispieles ist zwischen der Halteschaltung 31 und dem Leistungsverstärker 32 eine Addierschaltung 27 geschaltet, um es den Spannungen V&sub1; und V&sub2; zu ermöglichen, sequentiell zwischen der Probe 2 und dem Fühler 17 in dem XYZ-Haltezustand (d.h. dem Zustand, in dem der Fühler 17 zeitweise stationär relativ zu der Probenoberfläche in der X-, Y- und Z-Richtung gehalten wird) angelegt zu werden, um hierdurch die Abstand zwischen der Probe 2 und dem Fühler 17 auf gewünschte Werte einzustellen.
Fig. 6 ist ein Zeitdiagramm eines Signals V&sub3;, das auf die in Fig. 5 gezeigte Addierschaltung 27 angelegt wird. Die Ilalteschaltung 31 ist im allgemeinen durch eine Abtast- und Halteschaltung oder einer Kombinations schaltung eines ADC (Analog-zu-Digital-Wandler) und eines DAC (Digital- Analog-Wandler) aufgebaut. Ein Servo-/Haltesteuerungssignal V&sub4; wird an die Halteschaltung so angelegt, daß die in dem Servosteuerungsmodus durchgeführte Messung der Oberflächenstruktur sowie die in dem Haltemodus durchgeführte Messung der magnetischen Streufeld-Verteilung voneinander durch das Signal V&sub4; unterschieden werden kann. Im einzelnen wird die Steuerung in dem Servomodus für den Fühler 17 oder die Probe 2 so durchgeführt, daß sich der Fühler 17 von einem zum anderen Pixel bei Abtasten der Probenoberfläche in der X- und Y-Richtung mit einer zwischen dem Fühler 17 und der Probe 2 wirkenden konstanten Rückstoßkraft bewegt, um hierdurch die Oberflächenstrukturinformation zu erfassen. Auf der anderen Seite, in dem Haltemodus, wird die Spannung V&sub3;, die in die Addierschaltung 27 eingegeben wird, und einen Wert Null in dem Haltemodus annimmt, schrittweise auf V&sub1; und V&sub2; geändert, um hierdurch schrittweise oder inkremental den Fühler 17 gegen die Probe von oben zu bewegen. Zu diesem Zeitpunkt bewegt sich der Fühler 17 von der durch eine in einem Kreis befindliche Ziffer "2" bezeichnete Position zu der mit einer "2" bezeichneten Position und dann zu der durch eine "3" bezeichneten Position. Zu diesem Zweck werden die Spannungen V&sub1; und V&sub2; durch Potentiometer 21 bzw. 22 eingestellt, wobei die Spannung V&sub3; der in Fig. 6 dargestellten Wellenform an die Addierschaltung 27 durch Schaltkreise 22 und 24 und eine Verzögerungsschaltung 25 angelegt wird. Es sollte beachtet werden, daß synchron mit der Erzeugung des Haltesignals V&sub4; die Schaltkreise 22 und 24 durch ein mit 26 in Fig. 5 bezeichnetes Zeitgabesignal V&sub5; getriggert werden. Nebenbei bemerkt wird der Fühler 17 zu einem nachfolgenden Pixel für die Messung wahrend eines in Fig. 6 gezeigten Zeitintervalls T&sub1; durch die Servosteuerung bewegt. Obwohl die oben beschriebene Fühlersteuerung durch Verwendung einer analogen Schaltungstechnik realisiert wird, ist es leicht zu verstehen, daß die ähnliche Sequenz unter der Steuerung eines entsprechend programmierten Computers durchgeführt werden kann.
Weiter kann, durch Zwischenschalten einer auf einem hier zuvor bekannten Tunnelstrom-Erfassungsvertahren basierende spektrochemische Analyse (siehe hierzu z.B. STS: IBM Journal of Research and Developments, Bd. 30, Seite 355 (1986)) zwischen den durch in Kreisen befindlichen Ziffern "1" und "2" in Fig. 2 bezeichneten Positionen, eine Elementanalyse eines winzigen Bereiches der Probenoberfläche durchgeführt werden, womit die Möglichkeit geschaffen wird, eine komplexe oder zusammengesetzte Messung mit höherer Genauigkeit zu realisieren. In diesem Fall ist erforderlich, daß der Fühler 17 aus einem magnetischen Material gebildet und mit einer elektrisch leitenden Materialschicht beschichtet wird. Zusätzlich kann die Vorrichtung, durch Betreiben der Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung entsprechend der unmittelbaren Ausführungsform unter Vakuum, vor dem ungünstigen Einfluß von Feuchtigkeit bewahrt und zum selben Zeitpunkt dessen Resonanzcharakteristik weiter verbessert werden, wodurch Messungen höherer Genauigkeit gewahrleistet werden können. Nebenbei sollte erwähnt werden, daß die Erfindung nicht auf den dargestellten Hebelaufbau beschränkt ist, sondern durch die Verwendung irgendeiner Hebelstrukturart zur Biegungserfassung durchgeführt werden kann, die in der Lage ist, die Bewegungen des Hebels ohne Anwendung des Gebrauchs des Laserstrahl-Ablenkungserfassungsverfahrens zu erfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Hebel mit einer piezoelektrischen Einrichtung, einer Dehnmeßeinrichtung, einer Halbleiter-Dehnungswiderstandseinrichtung oder dergleichen versehen, die an der Oberfläche durch ein Halbleiter-Herstellungs verfahren angebracht sind, die verwendet werden können, um ein gesteiger tes Leistungsvermögen der Vorrichtung zu realisieren.

Ausführungsform 2

Fig. 7 zeigt einen Hauptabschnitt der Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung dieser Ausführungsform ist ausgelegt, um die Magnetfeld-Verteilung mit höherer Genauigkeit zu messen. Unter Bezugnahme auf Fig. 7 ist ein magnetischer Fühler 17 von einer Spule 40 umwickelt, wobei ein Strom veranlaßt wird, durch die Spule 40 alternierend in zwei entgegenliegende Richtungen zu fließen, so daß die Magnetpole aus S- und N-Polaritäten abwechselnd an einer Spitze des Fühlers 17 erscheinen, um hierdurch die Magnetkräfte mit diesen wechselnden magnetischen Polaritäten zu messen. Die mit einer Polarität erhaltenen magnetischen Kraftdaten und solche mit der anderen Polarität erhaltenen werden voneinander subtrahiert, um hierdurch falsche mikroskopische Kräfte, andere als die Magnetkraft, zu elimi nieren. Auf diese Art kann eine Eigenmagnetkraft oder Magnetkraft-Gradientenverteilung gemessen werden. In Fig. 7 sind Stromquellen oder Spannungsquellen 41 und 42 mit entgegengesetzten Polaritäten parallel geschaltet, wobei der der Spule 40 zugeführte Strom von der Quelle 41 zu der 42 oder umgekehrt mittels eines Wechselschalters 43 umgeschaltet wird. Eine Messung zum Erhalten der Daten der Magnetkraft und/oder des Magnetkraft-Gradienten kann auf einer Pixel-für-Pixel-Basis, wie zuvor beschrieben, durchgeführt werden. Für eine Prozedur zum Erhalten der Daten durch die Messung der Magnetfeld-Verteilung oberhalb der Probenoberfläche, wie hier zuvor unter Bezug auf Fig. 1 beschrieben, wird die Position des Fühlers 17 an jedem Pixel gehalten und die an der Spitze des Fühlers 17 auftretende magnetische Polarität wird in Antwort auf ein externes Steuersignal 44 (vorzugsweise unter der Steuerung eines Computers) übergewechselt. Mit Beendigung der Abtastung mit dem Fühler 17 über dem gesamten interessierenden Probenoberflächenbereich sind Daten der Oberflächengeome trie zusammen mit Daten der Magnetkraft und/oder Daten der Magnetkraft- Gradientenverteilung erhältlich.

Ausführungsform 3

Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt. In dem Fall der jetzigen Ausführungsform ist daran gedacht, die Magnetismus-Daten oder -informationen durch Veränderung der Intensität des durch einen Fühler (in Fig. 8 nicht gezeigt) erzeugten Magnetfeldes zu erhalten durch entsprechende Veränderung eines durch um den Fühler gewickelten Spule 40 fließenden Stromes. Zu diesem Zweck wird eine an die Spule 40 angeschlossene veränderliche Stromquelle 45 so durch ein externes Steuerungssignal 44 gesteuert, daß die Magnetfeldstärke des Fühlers variiert wird, und die Magnetfeld-Verteilungen mit verschiedenen Werten der Magnetfeldstarke gemessen werden. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform können die Magnetfeld-Verteilung und andere mit verschiedenen Magnetfeldstärkeen an gewünschten Positionen gemessen werden. Das Verfahren zur Messung kann auf dieselbe Art wie hier zuvor unter Bezug auf Fig. 6 beschrieben durchgeführt werden. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß der Abstand zwischen der Fühlerposition und der Probe nicht geändert, sondern die Magnetfeldstärke geändert wird bei Ausführen der Messung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform

Ausführungsform 4

Fig. 9 zeigt einen Aufbau des Fühlers, der entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in der Vorrichtung eingesetzt werden kann. Unter Bezug auf die Figur ist der Fühler 17 mit einem elektrisch leitenden Material, wie bei 47 gezeigt, für den Zweck des Ausführens eines Verfahrens zum Messen einer elektrischen Streufeld-Verteilung oder einer elektrischen Feldgradienten-Verteilung beschichtet. Zu diesem Zweck wird eine Spannung gewünschter Größe an der Oberfläche des Fühlers relativ zu der Probe angelegt, um hierdurch ein elektrisches Feld zwischen den beiden zu erzeugen, wie in dem Fall der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform Mit dem Aufbau des Fühlers 17 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform können Bilddaten der elektrischen Feldverteilung und der elektrischen Kraftgradienten-Verteilung an der Probenoberfläche oder an gewünschten Positionen an oder oberhalb der Probe gemessen werden. In diesem Zusammenhang soll jedoch bemerkt werden, daß die an den Fühler und die Probe angelegte Spannung in dem Fall der vorliegenden Ausführungsform geändert wird, anstelle einer Änderung der Magnetfeldstärke, wie sie unter Bezug auf Fig. 8 beschrieben worden ist.

Ausführungsform 5

Fig. 10 ist eine Darstellung, die einen Fühleraufbau entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Unter Bezug auf die Figur ist ein Fühler aus einem magnetischen Material 48 gebildet. Alternativ kann der Fühler mit einer magnetischen Materialschicht 48 über dessen Oberfläche beschichtet sein. Zusätzlich ist der Fühler mit einer elektrisch leitenden Matenalschicht 47 beschichtet. Bei dem Fühleraufbau entsprechend der vorliegenden Erfindung ist daran gedacht, die Daten (oder Informationen) sowohl für das Magnetfeld als auch für das elektrische Feld gleichzeitig zu messen oder zu erhalten. Zu diesem Zweck wird die Anwendung eines elektrischen Potentials an den Fühler von einer Stromversorgungsquelle 49 ein- und ausgeschaltet mittels eines Wechselschalters 43. Wenn das elektrische Potential an den Fühler angelegt ist, wird die elektrostatische Kraft gegenüber der Magnetkraft dominant, um hierdurch zu ermöglichen, die elektrische Feldstärken-Verteilung oder die elektrostatische Kraftgradienten- Verteilung zu messen. Durch Abschalten des anliegenden elektrischen Potentials oder Steuerung desselben unter der Steuerung eines externen Signals 44, so daß die Magnetkraft dominant wird, ist es möglich, die Daten der Magnetfeld-Verteilung, der Magnetkraftgradienten-Verteilung oder andere zu erhalten. Durch Ausführen der oben erwähnten Operation an jeder Pixelposition über der Probenoberfläche oder an gewünschten Stellen ist es möglich, eine dreidimensionale Verteilung der Probenoberfiächengeome trien oder solcher der magnetischen und/oder elektrischen Feld/Kraftgradienten, die derzeitig über der Probenoberfläche herrschen, zu erhalten.

Ausführungsform 6

Fig. 11 ist ein Diagramm, das schematisch einen größeren Abschnitt der Vorrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt. Mit der vorliegenden Ausführungsform ist beabsichtigt, Magnetfeldprofile und elektrische Feldverteilungen durch Vibrieren des Fühlers 17 in zu der Oberfläche der Probe 2 paralleler Richtung zu messen. Bezugnehmend auf die Figur zeigt ein Bezugszeichen 50, das eine Diodenanordnung als zweidimensionaler Positionssensor zum Erfassen eines reflektierten Laserstrahls 19, der von einer Reflexion eines einfallenden Laserstrahls 18 an der Oberfläche eines Hebels, der an einem freien seiner Enden angebrachten Fühler 17 aufweist, bezeichnet. In dem Fall des dargestellten Aufbaus vibriert der reflektierte Laserstrahl 19 entlang eines Ptädes 52 in Übereinstimmung mit der Vibration des Fühlers 17 entlang eines Pfades 51. Auf der anderen Seite schwingt der reflektierte Laserstrahl 19 entlang einem Pfad, der durch einen Doppelpfeil mit Strichlinie 53 in Abhängigkeit der auf den Hebel in der zu der Probenoberfläche senkrechten Richtung wirkenden Kräfte. Somit kann die Vibration des Fühlers 17 in der zu der Probenoberfläche parallelen Richtung ebenso wie die hierzu in einer orthogonalen Richtung gegenüber der letzteren wirkenden Kraft unterschiedlich voneinander durch die Diodenanordnung als zweidimensionalem Positionssensor erfaßt werden. In diesem Zusammenhang ist es wünschenswert, daß die Richtung der Vibration des Fühlers 17 parallel zu einer Endoberfläche des Basisgliedes 56 ist, an dem der Hebel 1 befestigt ist, und daß diese Richtung mit der X-Abtastrichtung des Fühlers 17 übereinstimmt. Die Vibration des Fühlers 17 entlang des Pfades 51 kann durch Aufbringen einer Torsionsbewegung auf den Hebel 1 durch Verwenden piezoelektrischer Einrichtungen realisiert werden. Genauer ist der Hebel 1 als gabelförmige Struktur ausgeführt, wobei jeder Gabelarm mit einer aus einem zwischen Elektroden 1005 und 1006 schichtweise angeordneten piezoelektrischen Materials 1007 gebildete piezoelektrische Einrichtung versehen ist. Durch Anlegung von Spannungen der in der Figur gezeigten Polaritaten auf die piezoelektrischen Einrichtungen findet eine solche Torsion des Hebels 1 statt, daß der Fühler 17 in die Richtung (A) bewegt wird. Durch Umkehren der Polaritäten der auf die piezoelektrischen Einrichtungen angelegten Spannungen wird der Fühler 17 veranlaßt, sich in die Richtung (B) zu bewegen. Durch Wiederholung dieser Bewegung des Fühlers 17 und dessen hier zuvor unter Bezug auf Fig. 1 beschriebenen Bewegung, oder Zusammensetzen beider dieser Bewegungen, können die magnetische Feldkraftgradienten-Verteilung ebenso wie die elektrische Feldkraftgradienten-Verteilung nicht nur in der horizontalen Richtung, sondern auch in der vertikalen Richtung gemessen werden. Daneben ist es möglich, die Magnetkraft und die elektrische Kraft auf der Basis einer Änderung bei niedriger Vibrationsfrequenz (kleiner als 5 Hz) oder den Wechselspannungsanteil zu dem Zeitpunkt zu messen, an dem die Vibration des Fühlers 17 angehalten wird. Zusätzlich können durch Kombinieren der Messung mit der in Fig. 6 dargestellten Fühlersteuerung die Magnetfeld-Verteilung (Profil) und die elektrische Feldverteilung mit weiter verbesserter Genauigkeit gemessen werden.

Ausführungsform 7

Fig. 12 ist eine Darstellung, die einen Fühleraufbau entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt, der angelegt ist, um die Magnetfelddaten in der zu der Oberfläche der Probe parallelen Richtung zu erfassen. Eine magnetische Schicht 54 ist über einem Fühler 56 durch ein Bedampfungsverfahren aufgebracht und in der durch einen Pfeil 55 an dem Spitzenende des Fühlers bezeichneten Richtung magnetisiert. Mit dem Fühleraufbau entsprechend der vorliegenden Ausführungsform kann der Zustand der Magnetisierung der Probenoberfläche gemessen werden. In diesem Zusammenhang sollte die Richtung der oben erwähnten Magnetisierung des Fühlers vorzugsweise parallel zu dem in Fig. 11 gezeigten Pfad 51 verlaufen.
Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten oder beispielhaften Ausführungsformen der Erfindungen wurden im Zusammenhang mit der Beobachtung der Probenoberflächenstruktur und Messungen der magnetischen und elektrischen Kraftgradienten an optionalen Höhen oberhalb der Probenoberfläche gemacht. In diesem Zusammenhang soll erwähnt werden, daß eine magnetische Eigenstreufeld-Verteilung und elektrische Streufeld-Verteilung durch infinite Integration der von den oben erwähnten Messungen erhaltenen Daten bestimmt werden können. Zusätzlich können Dämpfungseigenschaften des magnetischen Streufeldes ebenso wie des elektrischen Streufeldes der Probenoberfläche gleichfiills bestimmt werden. Somit sind eine Vielzahl von Informationsdarstellungen möglich. Obwohl die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung unabhängig voneinander beschrieben worden sind, sollte klar sein, daß zahlreiche Kombinationen und Modifikationen der dargestellten Ausführungsformen dem Durchschnittsfachmann im Rahmen oder Umfang der vorliegenden Erfindung leichtfallen werden. Es sollte weiter hinzugefügt werden, daß die oben beschriebenen Steuerungen bequem und leicht durch Verwenden eines Computers bewirkt werden können.

Ausführungsform 8

Fig. 13 ist ein Diagramm, das schematisch einen Aufbau eines Mikroskops entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Mit der vorliegenden Ausführungsform ist daran gedacht, ein Mikroskop zu schaffen, mit dem eine Probe mit großem Oberflächenbereich ohne die Notwendigkeit eines Schneidens der Probe in Bruchteile beobachtet werden kann. Ein vorteilhaftes Merkmal dieses Mikroskops wird in einem Bewegungsmechanismus für einen Fühler und eine Probe gesehen. Die folgende Beschreibung wird mit größtem Wert hinsichtlich des Bewegungsmechanismus und des Fühlers gemacht werden, wobei klar sein sollte, daß eine wiederholte Beschreibung unnötig für die der vorhergehenden Ausführungsformen gleichen oder äquivalenten Bestandteile ist, die durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind.
Fig. 13 zeigt eine allgemeine Anordnung des Mikroskops in einer Draufsicht. Wie aus der Figur zu entnehmen, weist das Mikroskop entsprechend der vorliegenden Ausführungsform einen stativartigen Bewegungs- oder Abtastmechanismus 1303 auf, der zu einem steuerbaren Bewegen des Hebels l dient, welcher einen an ihm angebrachten Fühler 17 aufweist, relativ zu einer Oberfläche einer Probe 2 in der X- und Y-Abtastrichtung und Steuern der Position des Hebels 1 in der Richtung entlang der Z-Achse, einen Magnetkraft-Erfassungsmechanismus zum Erfassen einer zwischen dem Fühler 17 und der Oberfläche der Probe 2 wirkenden mikroskopischen Kraft durch Erfassen eines Biegungswinkels des Hebels 1, einen Probenträger 1321 zum Halten der Probe 1321 und eine Steuerungseinheit, die zuständig ist für die Steuerung der gesamten Vorrichtung.
Wie in der Figur gezeigt, wird die Probe 2, die der Oberflächen-Beobachtung der Sichtkontrolle unterzogen werden soll, an dem Probenträger (auch als der XY-Träger bezeichnet) 1321 gehalten und mit der einem Spitzenende des Fühlers 17 gegenüberliegenden Oberfläche angeordnet, der an einem freien seiner Enden von dem Träger 1 gelagert wird. Das andere Ende (festehendes Ende) des Hebels 1 ist an ein bewegliches Glied des stativartigen Bewegungsmechanismus 1303 fest angebracht, das seinerseits aus einer X-Achsen-piezoelektrischen Einrichtung 1304 und einer Y-Achsenpiezoelektrischen Einrichtung (nicht gezeigt) zum Bewegen des Hebels 1 in der X- und Y-Richtung beim Abtasten der Probenoberfläche und einer Z- Achsen-piezoelektrischen Einrichtung 1305 zum Steuern der Position des Hebels 1 in der Z-Richtung besteht. Diese X-, Y- und Z-Achsen-piezoelektrischen Einrichtungen haben jeweils stationäre Endabschnitte, die fest an einem stationären Sitzglied 1306 befestigt sind, das seinerseits stationär auf einer Basis 1302 angeordnet ist.
An der rückwärtigen Seite des Hebels 1 ist ein laseroptisches System angeordnet, das zum Erfassen eines Biegungswinkels des Hebels 1 dient. Das optische System besteht aus einer Laserlichtquelle 3, einem Linsensystem 1309, Reflexionsspiegeln 1310 und 1311, einem Positionssensor 4 und einem Positionseinstellmechanismus (XY-Träger) 1313 zum Einstellen der Position des Positionssensors 4 in der X- und Y-Richtung.
Nebenbei bemerkt wird angenommen, daß ein Probenhalter 1321 zum Halten der Probe 2 mit einem XY-Bewegungsmechanismus auf herkömmliche Art ausgestattet ist.
Die oben erwahnte Steuerungseinheit besteht aus einer Treiberschaltung zum Treiben der Laserlichtquelle 3, einer Positionserfassungsschaltung 5 einschließlich einer Erfassungsschaltung für den Positionssensor 4, einer XY- Abtast-Steuerschaltung 1323, die den an dem Hebel 1 angebrachten Fühler veranlaßt, die Probenoberfläche mittels des stativartigen Bewegungsmecha nismus 130 abzutasten, einer Servosteuerschaltung 1324 zur konstanthaltenden Steuerung der zwischen dem Fühler 17 und der Probenoberfläche wirkenden Kraft, und einem Computersystem 1325 für eine Datenverarbeitung, Anzeige und für andere Zwecke.
Das zuvor erwähnte laseroptische System ist so ausgeführt, daß es eine zwischen dem Fühler 17 und der Probenoberfläche wirkende Kraft erfaßt durch Erfassen des Biegungswinkels des Hebels 1 auf der Basis des hier zuvor beschriebenen Laserstrahl-Ablenkungs-Verfahrens. Zu diesem Zweck werden eine Funktion zum Ausführen einer solchen Einstellung, daß der von der Laserlichtqueile 3 emittierte Laserstrahl 18 einen Lichtfieck an der rückwärtigen Oberfläche des Hebels 1 an einem freien Endabschnitt hiervon bildet, unterhalb dessen der Fühler 17 angebracht ist, selbst bei Auswechslung des Hebels 1 zusammen mit dem Fühler, und eine Funktion für eine solche Einstellung, daß der von der rückwärtigen Oberfläche des Hebels 1 5 reflektierte Reflexionsstrahl 19 genau in dem Zentrum des Positionssensors 4 auftrifft, erfordert. Um die erste erwähnte Funktion zu realisieren, ist es wünschenswert, einen Zweiachsen-Neigungs-Mechanismus in Verbindung mit der laaserlichtquelle 3 und dem Lasersystem 1309 vorzusehen, damit die Fokusposition des Laserstrahls 18 eingestellt werden kann, während ein Drehmechanismus in Verbindung mit entweder einem der Reflexions-Spiegel 1310 und 1317 vorgesehen ist, um hierdurch zu ermöglichen, die optische Achse des Reflexions-Lichtstrahls zur Realisierung der zweiten genannten Funktion einzustellen, obwohl diese Mechanismen zum Zwecke der Darstellung weggelassen werden, wobei klar sein soll, daß die Ausführung derselben innerhalb des Könnens eines Durchschnittsfachmannes liegt.
Zusätzlich ist, um zu gewährleisten, daß der Reflexions-Lichtstrahl in das Zentrum des Positionssensors 4 sicher auftrifft, ein XY-beweglicher Träger 1313 für den Zweck einer Einstellung der Position des Positionssensors 4 in der X- und Y-Richtung vorgesehen, wie es in Fig. 13 gezeigt ist. Genauer wird der XY-Träger 1313 aus einem X-beweglichen Glied 1315, das an und entlang einer fest an einer stationären Plattform 1319 mittels einer X-Einstellschraube 1316 befestigt ist, bewegt, und einem Y-beweglichen Glied (nicht gezeigt), das sich durch eine Y-Einstellschraube 1318 an und entlang einer Y-Basis 1317, die fest an dem X-beweglichen Glied 1315 befestigt ist, bildet, wobei der Positionssensor 4 stationär auf dem Y-beweglichen Glied angeordnet ist. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Position des Positionssensors 4 in der X- und Y-Richtung durch manuelle Betätigung der X- und Y-Einstellschrauben 1316 und 1318 einzustellen.
Nunmehr richtet sich die Beschreibung auf den Betrieb der Vorrichtung.
Zuerst wird, bevor der Fühler 17 in Richtung Oberfläche der Probe 2 bewegt wird, eine Einstellung in der Art vorgenommen, daß der von der Laserlichtquelle 3 emittierte Laserstrahl 18 durch ein Linsensystem 1309 so fokussiert wird, daß ein Lichtfleck an der rückwärtigen Oberfläche des Hebels 1 an dem freien Endabschnitt desselben gebildet wird. Zusätzlich wird eine Einstellung des Reflexionswinkeis der Spiegel 1310 und 1311, ebenso wie eine Einstellung der Position des Positionssensors 4 in der X- und Y-Richtung durch den XY-Träger 1313 durchgeführt, so daß der von der rückwärtigen Oberfläche des Hebels 1 reflektierte Laserstrahl genau in dem Zentrum des Positionssensors 4 mittels der Spiegel 1310 und 1311 auftrifft.
Daraufhin wird die Z-piezoelektrische Einrichtung 1305 des stativartigen Bewegungsmechanismus durch elektrische Energiezuführung desselben ausgedehnt, um hierdurch den Fühler 17 gegen die Oberfläche der Probe 2 zu bewegen. Wenn sich das Spitzenende des Fühlers 17 nahe an die Oberfläche der Probe 2 annähert bis kurz vor einem physikalischen Kontakt mit der letzteren (z.B. innerhalb einer Abstand von ca. 10 Å) wird eine mikroskopische oder infinitesimale Anziehung (Rückstoßkraft) zwischen dem Spitzenende des Fühlers 17 und der Oberfläche der Probe 2 wirksam werden, die in einer Biegung des Hebels 1 unter Anziehung (oder Rückstoß) und somit in einer Änderung des Biegungswinkels des Hebels 1 an einem von dem Laserstrahl 18 illuminierten Abschnitt resultiert. Infolge dessen erfährt die Reflexionsrichtung des Laserstrahls 18 eine entsprechende Änderung. Genauer wird der von der rückwärtigen Oberfläche des Hebels 1 reflektierte Laserstrahl nach oben unter dem Einfluß einer mikroskopischen oder infinitesimalen Anziehung oder nach unten unter infinitesimaler Rückstoßung, wie in der Figur gezeigt, abgelenkt. Die Ablenkung des Laserstrahls wird durch die Spiegel 1310 und 1311 auf der Basis eines optisches Hebelmeßgerät-Prinzips verstärkt, d.h. als ein Resultat, bei dem sich die Einfallsposition des reflektierten Laserstrahls auf den Positionssensor 4 entsprechend ändert. Die Änderung der Einfallsposition wird durch den Positionssensor 4 erfaßt, wodurch ein entsprechendes Positions-Erfassungs-Signal zu der Positions-Erfassungs-Schaltung 5 übermittelt wird.
In dem Konstantkraft-Servo-Modus wird das von dem Positionsservo 4 übermittelte Signal durch die die mikroskopische Kraft erfassende Schaltung 1322 in ein für die Kraft, die zwischen dem Fühler 17 und der Probenoberfläche wirkt, repräsentatives Signal umgewandelt, wobei das aus der Umwandlung resultierende Signal in eine Servo-Steuerschaltung 1324 eingegeben wird. Auf der Basis dieses Eingangssignales steuert die Servo-Steuerschaltung 1324 die Ausdehnung der Z-piezoelektrischen Einrichtung 1305, um hierdurch die Position des Spitzenendes des Fühlers 17 in der Z-Richtung zu steuern, wodurch die Größe der zwischen dem Fühler und der Probenoberfläche wirkenden mikroskopischen oder infinitesimalen Kraft konstant gehalten wird. In einem Zustand, in dem die mikroskopische Kraft durch die Servosteuerung konstant gehalten wird, wird die XY-Abtastschaltung 1323 betätigt, um die Probenoberfläche mit dem Fühler 17 in der X- und Y- Richtung durch Energiezufuhr an die X-piezoelektrische Einrichtung 1304 und die Y-piezoelektrische Einrichtung (nicht gezeigt) in einer hier zuvor beschriebenen Art abzutasten. Auf diese Art können Änderungen in der Position des Fühler-Spitzenendes in der Z-Richtung im Verlauf der Probenoberfläche-Abtastung durch den Fühler 17 in der X- und Y-Richtung in der Form von Ausdehnung und Kontraktion der Z-piezoelektrischen Einrichtung 1305 herausgelesen werden. Auf der Basis der Änderungen der Fühlerposition in der Z-Richtung, die während der Oberflächenabtastung durch den Fühler stattfinden, kann das Computersystem ein dreidimensionales Bild, Geometrien wie Rauheit der Probenoberfläche in einem Grauwertbild, ein Bild in Vogelperspektive (perspektivisches Bild) oder dergleichen generieren.
Wie aus dem Obigen hervorgeht, ist es nun entsprechend der vorliegenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, gegebene Oberflächengebiete einer Probe großer Abmessung zu beobachten oder visuell zu inspizieren aufgrund des Vorsehens eines XY-Trägers 1321 für die Probe, was ermöglicht, daß die Probe in einer Ebene über ein weites Bereich im Gegensatz zu den bisher bekannten Vorrichtungen, bewegt werden kann, die mit dem stativartigen Bewegungsmechanismus für den Fühler versehen sind, bei denen eine Beobachtung auf eine Probe, welche ein Bereich von maximal 10 mm² aufwies, begrenzt war. Mit anderen Worten kann eine, eine große Fläche aufweisende Probe, direkt beobachtet werden, ohne sie in Bruchteile schneiden zu müssen.
Fig. 14 zeigt einen mikroskopischen Aufbau entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei dem der Fühler 17 unter einem anderen Winkel als einem rechten Winkel relativ zu dem Hebel 1 angebracht ist.
In diesem Fall ist es wünschenswert, daß der Fühler 17 gegenüber der Probe 2 unter einem rechten Winkel relativ zu der Probenoberfläche in Oppositionslage ausgerichtet wird. Weiter ist es erforderlich, selbst wenn der Fühler nicht an dem Hebel 1 in einem rechten Winkel relativ zu der Hebeloberfläche angebracht ist, daß der X-piezoelektrischen Einrichtung 4 ebenso wie der Y-piezoelektrischen Einrichtung (nicht gezeigt), die den stativartigen Bewegungsmechanismus 1303 bilden, parallel mit der Oberfläche des Probenträgers 1321 installiert werden, oder daß die Probe 2 mit der Zpiezoelektrischen Einrichtung 1305 orthogonal zu der oben genannten Oberfläche installiert wird. In dem in Fig. 14 gezeigten Aufbau erstreckt sich die X-piezoelektrische Einrichtung 1304 auch nicht parallel zu der Hebeloberfläche. Bei dem Mikroskopaufbau, mit dem sich die vorliegende Ausführungsform der Erfindung beschäftigt, ist der Hebel 1 an den stativartigen Bewegungsmechanismus durch einen hier zwischen gesetzten Adapter 1426 verbunden. In diesem Fall wird ein Fehler bei der Messung zu berücksichtigen sein, der aufgrund einer parallelen Bewegung des reflektier ten Laserstrahls 19 auftritt, der auf dem Positionssensor 4 im Verlauf des Abtastens in der X- und Y-Richtung auftrifft. Jedoch kann, entsprechend der Lehre der Erfindung, die auf dem Laserstrahl-Ablenkverfahren oder optischen Hebelmeßgerät-Verfahren beruht, um es mit anderen Worten zu sagen, der oben erwähnte Meßfehler praktisch vernachlässigt werden.
Ähnlich neigt die Bewegung des Fühlers 17 in der Z-Richtung dazu, mit einem Fehler verbunden zu sein, aufgrund der parallelen Bewegung des Hebels 1 nicht nur in dem in Fig. 14 gezeigten Aufbau, sondern auch in dem in Fig. 13 gezeigten Punkt. Jedoch ist der Fehler von einer solchen Größe, daß er entsprechend wegen der Anwendung des Laserstrahl-Ablenkverfahrens (oder optischen Hebelmeßgerät-Prinzips) vernachlässigt werden kann.
Als nächstes werden die Fehler ΔX und ΔY aufgrund einer parallelen Bewegung oder Transiation des reflektierten Laserstrahls auf dem Positionssensor 4 unter Bezug auf Fig. 15 besprochen werden, wobei die Fehler bei einer Bewegung des Hebels 1 in der X- und Y-Richtung auftreten. Es sei angenommen, daß der Hebel 1 mit einem Winkel θ relativ zu der X-Richtung geneigt ist, und daß der Leserlichtstrahl 18 auf der rückwärtigen Oberfläche des Hebels 1 auftritt und von diesem unter einem Winkel 4 reflektiert wird. Wenn der Hebel 1 in die X- und Y-Richtung über Abstände X bzw. Y zu dem oben erwähnten Zeitpunkt bewegt werden, dann können die Fehler ΔX und ΔZ durch die folgenden Ausdrücke (1) bzw. (2) gegeben werden.
ΔX = 2X sin θ sin ( /2) (1)
ΔZ = Z sin (2)
Üblicherweise weisen die Winkel und θ Werte von etwa 200 bzw. 300 auf. Entsprechend, unter der Annahme, daß die Verschiebungen X und Z jeweils einen Mikrometer betragen, ist jeder auf dem Positionssensor 4 auftretende Translationsfehler ΔX und ΔZ kleiner als 1 µm. Auf der anderen Seite, wenn man die Empfindlichkeit der auf dem optischen Hebelmeßgerät-Prinzip basierenden Erfassung der mikroskopischen oder infinitesimalen Kraft betrachtet, ist zu bemerken, daß der Erfassungswinkel des Hebels 1, der aufgrund der zwischen dem Spitzenende des Fühlers 17 und der Oberfläche der Probe 2 wirkenden mikroskopischen Kraft auftritt, um einen Faktor der Ordnung "8" aufgrund der Reflexion auf der rückwärtigen Oberfläche des Hebels und der Reflexion an den beiden Spiegeln 1310 und 1311 verstärkt wird. Weiter kann, unter der Annahme, daß der Abstand zwischen dem festen Ende des Hebels 1 und der Position, an der der Laserstrahl von der rückwärtigen Oberfläche des Hebels reflektiert wird, 100 i£m beträgt, wobei der Abstand zu dem Positionssensor 4 von dem Hebel 1 100 mm beträgt, die Größe der Bewegung oder Verschiebung des Fühlers 17 durch den Positionssensor 4 als die Verschiebung der optischen Achse des reflektierten Laserstrahis mit einem Verstärkungsfaktor von etwa 10000, erfaßt werden. Dies ist das dem Laserstrahl-Ablenkungsverfahren oder optischen Hebelmeßgerät-Prinzip zugrundeliegende Prinzip. Nehmen wir weiter an, daß der an dem freien Ende des Hebels 1 befestigte Fühler 17 um 1 Ä auslenkt. Dann bewegt sich der reflektierte Laserstrahl, der auf dem Positionssensor 4 auftrifft, um etwa 1 µm mit der Translation. Nebenbei bemerkt entspricht die Translation (parallele Bewegung) von 1 µm einer mikroskopischen oder infinitesimalen Kraft von etwa 10-10 N, da die Federkonstante des Hebels 1 gewöhnlich die Größenordnung von einem Newton pro Meter hat. Infolgedessen hat der Fehler bei der Erfassung der mikroskopischen Kraft aufgrund einer Translation des reflektierten Laserstrahls, der die Abtastoperation des Hebels 1 in der X- und Y-Richtung begleitet, eine Größenordnung von 10&supmin;¹&sup0; N pro 1 µm Abtastung in der X- und Y-Richtung, was ausreichend klein ist bei einem Vergleich mit einem mikroskopischen Kraftwert von 10&supmin;&sup9; bis 10&supmin;&sup8; N, die gewöhnlich bei einer auf mikroskopischer Krafterfassung basierenden Oberflächenbetrachtung auftreten. Somit ist es sicher möglich zu sagen, daß der durch eine Translation des reflektierenden Laserstrahls bei X- und Y-Abtastungen über einen Abstand von mehreren Mikrometern erzeugte Fehler bei der mikroskopischen Krafterfassung entsprechend vernachlässigt werden kann.
Wie nun aus der obigen Beschreibung verständlich ist, kann eine Änderung der mikroskopischen Kraft mit einer ausreichend hohen Genauigkeit erfaßt werden, selbst wenn die Probenoberfläche mit dem Fühler 17 in der X- und Y-Richtung aufgrund einer solchen Anordnung abgetastet wird, daß eine Änderung der zwischen dem Spitzenende des Fühlers 17 und der Oberfläche der Probe 2 wirkenden mikroskopischen Kraft durch ein Erfassen der Änderung des Winkels der Biegung des Hebels 1 in Übereinstimmung mit dem Laserstrahl-Ablenkungs-Verfahren oder optischen Hebelmeßgerät-Prinzip erfaßt wird. In diesem Zusammenhang soll hinzugefügt werden, daß der Anschluß des oben erwähnten Erfassungsfehlers weiter durch Verwendung eines Hebels mit geringer Federkonstante oder durch Steigerung der Verstärkung oder Vergrößerungsfaktor des optischen Hebelmeßgerät-Systems einschließlich des laserstrahl-optischen Systems und des Hebels verringert werden können.

Ausführungsform

Fig. 16A und 16B sind Darstellungen, die einen größeren Abschnitt der mikroskopischen Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen. In dem Fall dieser Ausführungsform wird ein zylinderartiger Bewegungsmechanismus 1340 anstelle des stativartigen Bewegungsmechanismus 1303 verwendet. In dem Fall des zylinderartigen Bewegungsmechanismus 1340 ist es wichtig, daß der Hebel 1 an einem äußeren Umfangsabschnitt, wie aus der radialen Richtung betrachtet wird, so angebracht ist, daß ein optisches Mikroskop verwendet werden kann, um das optische Hebelmeßgerät-System so einzustellen, daß der Laserlichtstrahl 18 auf der rückwärtigen Oberfläche des Hebels 1 an dessen freiem Endabschnitt auftreffen kann, wo der Fühler auf der gegenüberliegenden Seite angebracht ist. Selbstverständlich kann in dem Fall, bei dem der zylinderartige Bewegungsmechanismus 1340 einen ausreichend großen Durchmesser hat, damit die rückwärtige Oberfläche des Hebels mit einem optischen Mikroskop durch einen innerhalb des zylinderartigen Bewegungsmechanismus 1340 erhältlichen inneren Raum beobachtet werden kann, der Hebel alternativ an einem inneren peripheren Abschnitt dieses Bewegungsmechanismus angebracht werden, wie in dessen radialer Richtung gezeigt. Jedoch wird, in Anbetracht der Notwendigkeit, die Verfügbarkeit des optischen Pfades für ein Auftreffen und eine Reflexion des Laserstrahls 18 zu gewährleisten, um den Winkel der Biegung des Hebels 1 zu erfassen, üblicherweise bevorzugt, den Hebel 1 an einem radial äußeren peripheren Abschnitt des zylinderartigen Bewegungsmechanismus 1340 zu installieren. Genauer wird er, in dem Fall des dargestellten Aufbaus, mit einem mit 1A bezeichneten Hebel an dem zylinderartigen Bewegungsmechanismus 1340 an einem beweglichen Endabschnitt hiervon durch Zwischenanordnung eines Adapters 1347 angebracht, so daß der freie Endabschnitt des Hebels 1 über eine ausreichend große Strecke von dem radialen äußeren peripheren Abschnitt des zylinderartigen Bewegungsmechanismus 1340 herausragt. Der Bewegungsmechanismus 1340 weist einen aus piezoelektrischem Material hergestellten Zylinder 1341 und Elektroden 1342 bis 1346 auf, die durch Aufbringung eines elektrisch leitenden Materials über innere und äußere Oberflächen des piezoelektrischen Zylinders und Härten desselben durch Brennen gebildet sind. Genauer wird die zylindrische äußere Elektrode 1342 für die Servosteuerung in der Z-Richtung verwendet, während vier äußere Elektrodenteile 1344, 1345 und 1346 (der eine andere Elektrodenteil ist von einer Darstellung ausgelassen) fur eine Verwendung in der Probenabtastung in X- und Y-Richtung bestimmt sind. Die innere zylindrische Elektrode 1343 dient als eine gegenüber den äußeren Elektroden 1342 bis 1346 gemeinsam entgegengesetzte Elektrode.

Ausführungsform 10

Fig. 17 ist eine Darstellung, die eine Mikroskop-Beobachtungsvorrichtung entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der eine Basis 1320, die einen an ihr befestigten stativartigen Bewegungsmechanismus 1303, der einen Hebel 1 mit einem Fühler 17 hält, und ein mikroskopischer Kraft-Erfassungs-Mechanismus (3, 4, 9, 1310, 1311) an einem schrittweisen, feinen Bewegungsmechanismus nach Art einer millimeterweise arbeitenden Schnecke, generell durch Ziffer 1339 bezeichnet, angebracht ist. Der Aufbau entsprechend der vorliegenden Erfindung ist sehr vorteilhaft, insbesondere wenn gegebene mikroskopische Bereiche auf der Oberfläche einer großflächigen Probe durch Bewegen der Probe 2 über einen weiten Bereich in der X- und Y-Richtung beobachtet werden sollen. Bei einer solchen Anwendung sollten nicht nur der Dreidimensionen-Feinbewegungsmechanismus für den Fühler 17 und der Mikrokraft-Erfassungsmechanismus, sondern auch der für eine Annäherung des Fühlers 17 an die Probenoberfläche verwendete Z-Richtung-Bewegungsmechanismus alle an einer Seite des Fühlers installiert werden. Zu diesem Zweck werden ein XY-Träger 1321 zum Halten einer Probe 2, der Dreidimensionen-Bewegungsmechanismus 1303 für den Fühler und der Mikrokraft-Erfassungsmechanismus (3, 4, 9, 1310, 1311) an einer Basis oder Plattform 1320 angeordnet, die ihrerseits an einem vorderseitigen beweglichen Glied oder Wagen 1331 des schrittweisen, feinen Bewegungsmechanismus 1339 nach Art einer millimeterweise arbeitenden Schnecke, der feststehend auf der Standardbasis 1337 installiert ist, befestigt ist. Mit dem Aufbau, bei dem die Plattform 1320 verschieblich auf der Standardbasis 1337 mittels eines schrittweisen, feinen Bewegungsmechanismus 1339 nach Art einer millimeterweise arbeitenden Schnecke bewegt wird, kann ein Mikroskopaufbau realisiert werden, der ein vergrößertes Vermögen zum Widerstehen von Vibrationen und anderen äußeren Störungen aufweist. Somit ist der Aufbau entsprechend der vorliegenden Erfindung vorteilhaft geeignet für ein Mikroskop, das für eine Beobachtung einer extrem feinen Oberflächenstruktur einer Probe konstruiert ist.
Der schrittweise, feine Bewegungsmechanismus 1339 nach Art einer millimeterweise arbeitenden Schnecke umfäßt eine als Beweger dienende piezoelektrische Einrichtung 1333, vorderseitige (links) und rückseitige (rechts) bewegliche Glieder 1331 und 1332, die an vorderseitigen und rückseitigen Enden der bewegenden piezoelektrischen Einrichtung 1333 jeweils angebracht sind, vorderseitige und rückseitige Klemmen 1334 und 1335 und eine Klemmen lagernde Platte 1336. Bei dem Aufbau des feinen Bewegungsmechanismus 1339 nach Art einer millimeterweise arbeitenden Schnecke wollen wir dessen Betriebsweise in dem Fall betrachten, bei dem der Fühler 17 gegen die Oberfläche der Probe 2 bewegt werden muß. Zu einem Anfangszeitpunkt werden sowohl das frontseitige bewegliche Glied 1331 und das rückseitige bewegliche Glied 1332 stationär unter der durch sowohl der frontseitigen als äuch der rückseitigen Klemmen 1334 bzw. 1335 ausgeübten Klemmwirkung gehalten. Ausgehend von diesem Zustand wird das frontseitige bewegliche Glied 1331 von der Klemmwirkung der frontseitigen Klemme 1334 befreit. Darauffim wird die bewegliche piezoelektrische Einrichtung 1333 nach dort ausgelenkt durch Bewegung des frontseitigen beweglichen Gliedes 1331 in Richtung der Probe 2. Dann wird das frontseitige bewegliche Glied 1331 mittels der frontseitigen Klemme 1334 festgeklemmt. Als nächstes wird das rückseitige bewegliche Glied 1331 von der Klemmwirkung der rückseitigen Klemme 1335 befreit, indem eine Kontraktion der beweglichen piezoelektrischen Einrichtung 1333 folgt, um hierdurch dem rückseitigen beweglichen Glied 1332 zu ermöglichen, sich in Richtung zur Probe 2 zu bewegen. Danach wird das rückwärtige bewegliche Glied 32 stationär durch die Klemme 1335 festgeklemmt. Das Gesamtresultat ist, daß sowohl die frontseitigen als auch die rückseitigen beweglichen Glieder 1331 und 1332 in die Richtung der Probe durch einen einzigen Schritt bewegt worden sind, der üblicherweise etwa 10 µm entspricht.
Durch Wiederholen der oben beschriebenen schrittweisen, feinen Inkrementbewegung mit hoher Geschwindigkeit wird der stationär auf der Basis 1320 angebrachte Fühler 17 veranlaßt, sich progressiv der Oberfläche der Probe 2 zu nähern. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Winkel der Biegung des Hebels 1 und somit die zwischen dem Fühler 17 und der Probe 2 wirkende Kraft ein vorbestimmtes Niveau oder einen vorbestimmten Wert erzielt hat, worauffim der Vorgang der schrittweisen Bewegung der Basis 1320 in Richtung Probe 2 einmal angehalten wird, und die Ausdehnung der bewegenden piezoelektrischen Einrichtung 1333 ist auf eine solche Basisposition eingestellt, daß die Z-piezoelektrische Einrichtung 1305 des fühlerbewe genden Mechanismus in befriedigender Weise dem Profil der Probenoberfläche folgen kann. Ausgehend von dem so erreichten Zustand wird der stativartige Fühlerbewegungsmechanismus 1303 betätigt, wie zuvor in Verbindung mit der in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform beschrieben. Die Probenoberfläche kann somit in dem Mikrokraft-Konstant-Modus beobachtet werden. Alternativ kann die Probenoberfläche in einem Mikrokraft-Konstant- Modus beobachtet werden durch Bewegen des Fühlers 17 in der X- und Y- Abtastrichtung, ohne die Servosteuerung hiervon in der Z-Richtung herbeizuführen.
Wenn ein anderer Bereich der Probenoberfläche beobachtet werden soll, wird der Fühler 17 auf einmal mit ausreichendem Abstand von der Probenoberfläche weg bewegt durch Betätigung des schrittweisen, feinen Bewegungsmechanismus 1339 nach Art einer millimeterweise arbeitenden Schnecke.
Danach wird der XY-Halter 1321 betätigt, um die Probe 2 zu einer Position zu bewegen, bei der der interessierende Bereich gegenüber dem Fühler 17 positioniert wird. Daraufhin wird der Fühler 1 wieder nahe an die Oberfläche der Probe 2 mittels des schrittweisen, feinen Bewegungsmechanismus 1339 durch das gleiche, oben beschriebene Verfahren bewegt, um die Probenoberflächenstruktur des zu betrachtenden Bereiches zu beobachten. Obwohl angenommen wird, daß der schrittweise, feine Bewegungsmechanismus 1339 nach Art einer millimeterweise arbeitenden Schnecke des oben beschriebenen Aufbaus für den Fall der beschriebenen Ausführungsform eingesetzt wird, wird es leicht verständlich sein, daß andere Annäherungs mechanismen wie solche, die einen herkömmlichen Elektromotor verwenden, einen Schrumpfmechanismus, allein oder in Verbindung mit einer Reduktionsgetriebeeinrichtung als Modifikationen der vorliegenden Ausführungsform eingesetzt werden können. Weiter versteht es sich von selbst, daß der horizontal angeordnete Annäherungsmechanismus der Basis 1320 in vertikaler Anordnung zu dem selben Zweck ausgerichtet sein kann.
Nebenbei bemerkt sei darauf hingewiesen, daß in dem Fall der dargestellten Ausführungsform der Abtastmechanismus 1303, der eine extrem feine Bewegung des Fühlers 17 gewährleisten kann, notwendigerweise im Hinblick auf die Abdeckung des Abtastvorganges beschränkt ist. Entsprechend ist, wenn ein mikroskopisches Bereich von einer großen Probenoberfläche für eine Beobachtung durch Betätigung der XY-Träger oder Probenträger abgesucht werden soll, d.h. bei Auswahl des Sichtfeldes, eine Kombination mit einem Raster-Elektronenmikroskop (SEM), einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) oder einem optischen Mikroskop (OM) sehr vorteilhaft. Solche Kombination fällt natürlich in den Umfäng der Erfindung.
Weiter ist als weitere bevorzugte Modifikation der vorliegenden Erfindung eine Kombination des Oberflächenmikroskops des in Fig. 17 gezeigten Aufbaus mit einem Raster-Elektronenmikroskop (SEM) für eine Verwendung als Längenmeßvorrichtung zum Messen einer Modellgröße einer, einer feinen Bearbeitung unterworfenen, Probenoberfläche erdacht. In diesem Fall wird ein gesamtes Muster zunächst durch ein Raster-Elektronenmikroskop beobach tet, und dann wird eine Fläche, bei der eine dreidimensionale Strukturgeometrie zu beachten ist oder ein extrem feines Muster oder Struktur, die nicht durch das Raster-Elektronenmikroskop ausgewertet werden kann, mit der Hilfe des Oberflächenmikroskops entsprechend der Erfindung beobachtet werden. Auf diese Art kann eine mikroskopische Untersuchung eines extrem kleinen, von einem Halbleiterprozeß, Magnetplatten-Herstellungsverfahren, oder dergleichen Verfahren resultierendes Teil mit sehr hoher Genauigkeit ausgeführt werden.
Der an dem freien Ende des Hebels angebrachte Fühler 17 kann vorzugs weise aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein. In diesem Fall kann die Vorrichtung entsprechend der Erfindung ihre Anwendung finden bei einem Prüfgerät zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften einer Halbleitervorrichtung, wie einer Hochfrequenzcharakteristik, Potentialverteilung und dergleichen durch Verwendung eines Tunnelstroms oder eines Feldemissionsstromes des Fühlers 17 oder einem bei Kontakt des Fühlers 17 mit einer Probenoberfläche auftretenden Stromfiusses. Diese Anpassungen werden ebenfalls durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, daß das Oberfiächenmikroskop entsprechend der Erfindung unter Vakuum betrieben wird, wenn es in Kombination mit dem Elektronenmikroskop oder dergleichen verwendet wird.
Darüber hinaus kann durch Beschichtung des Fühlers 17 mit einem magnetischen Material oder durch Bilden desselben aus einem magnetischen Material die Vorrichtung gemaß der Erfindung als ein Magnetkraftmikroskop für eine direkte Beobachtung oder Untersuchung z.B. der magnetischen Eigenschaften einer Probe, die eine große Fläche, wie eine Magnetplatte oder dergleichen, betätigt werden, ohne daß die Probe in Bruchteile zerschnitten werden muß. In diesem Fall ist eine Kombination der erfinderischen Vorrichtung mit einem Raster-Elektronenmikroskop, einem Transmissions-Elektronenmikroskop oder einem optischen Mikroskop ebenfalls, ohne von dem Gedanken der Erfindung abzuweichen, denkbar.
Als eine weitere Anwendung der Vorrichtung entsprechend der Erfindung mag eine Aufnahmevorrichtung genannt sein. Zu diesem Zweck kann eine Spule um den Fühler aus magnetischem Material gewickelt werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen, um eine magnetische Aufnahme auf einer Probe eines magnetischen Materials durchzuführen, um hierdurch Informationen oder Daten durch entsprechende Modulation eines durch die Spule fließenden Stromes zu schreiben. Auf der anderen Seite können die Aufzeichnungsbits als Magnetverteilung herausgelesen werden, unter Verwendung des dem Magnetkraftmikroskop zugrundeliegenden Prinzips oder alternativ, durch Verwendung einer in der Spule induzierten elektromotorischen Kraft. In diesem Fall kann der probenbewegende Mechanismus 1321 zweckmäßigerweise als magnetplattenartiger, R-θ bewegender Mechanismus ausgeführt werden. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung bei einem Atom-Manipulationsverfahren oder einem Musterbildungsverfahren von atomarer Größe oder Nanometergröße angewendet werden durch Ausnutzung des in der Probe oder dem Fühler bei Anwendung eines elektrischen Feldes hoher Intensität zwischen der Probe und dem Fühler stattfindenden Magnetfeld-Vaporisations- pH:nomens, oder eines Ablagerungsphänomens, das aufgrund einer Resistzersetzungserscheinung stattfindet, die dem Tunnelstrom oder einem der Zersetzung widerstehenden Phänomen zugeschrieben werden kann. Durch selektives Kombinieren dieser Merkmale der Erfindung mit einem Elektronenstrahlmuster-Abbildungsverfahren wird es möglich, selbst ein extrem feines oder mikroskopisches Muster zu bilden, das allein mit dem den Elektronenstrahl bildenden Verfahren schwer zu realisieren ist.
Als eine beispielhafte Anwendung wurde eine Kombination eines Oberflächenmikroskopes entsprechend der Erfindung, mit einem Raster-Elektronenmikroskop (SEM) beschrieben, das eine Oberflächenbeobachtung oder Prüfung über einen großen Bereich von einer globalen Beobachtung großflächiger Proben bis zu atomarer Größe ermöglicht. In diesem Zusammenhang soll weiter erwähnt werden, daß, wenn ein Auger-Elektronendetektor, ein Detektor für ein reflektiertes Elektron oder ein Detektor für ein absorbiertes Elektron anstelle eines gewöhnlich in dem Raster-Elektronenmikroskop eingesetzten, Sekundär-Elektronendetektors verwendet wird, ebenfalls solche Probenoberflächeninformationen, wie ein Auger-Elektronenbild, ein Reflexions-Elektronenbild, ein Absorptions-Elektronenbild, ein Induktions-Elektronenbild oder dergleichen, erhalten werden können. Nebenbei kann durch Kombinieren des Oberflächenmikroskops entsprechend der Erfindung mit einem Transmissions-Elektronenmikroskop oder einem Reflexions-Elektronenmikroskops anstelle des Raster-Elektronenmikroskops, eine Beobachtung einer internen Probenstruktur, ebenso wie die Auswertung einer kristallinen Struktur durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, daß ein Elektronenstrahl-Diffraktions-Verfahren ebenso benutzt werden kann.
Darüber hinaus kann durch Kombinieren des Oberflächenmikroskopes entsprechend der Erfindung mit einer Sekundärionen-Massenspektroskopie, die eine Elementanalyse einer Probenoberfläche oder in der Dickenrichtung einer Probe ermöglicht, oder alternativ durch Kombinieren des erfinderischen Oberflächenmikroskops mit einer spektrochemischen Analyse, um hierdurch ein Raster-Tunnelstroms-Spektrometer (STS) für ein spektrokopisches Analysieren von durch Anregung durch einen durch das Spitzenende des Fühlers strömenden Tunneistrom emittierte Strahlungsbündel zu bilden, eine Elementanalyse eines infinitesimal kleinen Teils der Probenoberfläche durchgeführt werden.
In dem Fall der dargestellten Ausführungsform wird als Beispiel angenommen, daß eine Spaltlänge zwischen dem Spitzenende des Fühlers und der Probenoberfläche bei Beobachtung der Probenoberfläche stationär gehalten wird. Es sollte jedoch gewürdigt werden, daß die Lehren der Erfindung gleichfälls bei einem Atomkraftmikroskop des Vibrationstyp und einem Magnetkraftmikroskop angewendet werden können, indem die Spaltlänge zwischen Fühler und Probe bei einer gegebenen Frequenz variiert wird. Diese Mikroskope fallen natürlich in den Rahmen der vorliegenden Erfin dung. Darüber hinaus kann die Erfindung bei einem Atomkraftmikroskop, einem Magnetkraftmikroskop oder dergleichen von solcher Art verwendet werden, bei dem eine innerhalb der Probe aufgrund von Änderungen der atomaren Kraft oder Magnetkraft erzeugten Dehnungswelle, oder alternativ eine transmittierte oder reflektierte Schallwelle für die Beobachtung oder Analyse angewendet wird.

Ausführungsform 11

Fig. 18 zeigt allgemein den Aufbau eines Oberflächenmikroskopes entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In dem Fall der vorliegenden Ausführungsform sind ein aus einem Positionsdetektor gebildeter Schwingkreis, ein Regelverstärker und eine piezoelektrische Einrichtung für den Zweck einer Erfassung einer Auslenkung oder Bewegung des Hebels 1 vorgesehen. Der Schwingkreis wird in bezug auf die Frequenz mittels eines Referenzsignalgenerators stabilisiert, wobei ein Z-Betätigungselement dazu dient, die Schwingungsftequenz durch Änderung des Abstandes zwischen dem Spitzenende des Hebels und der Probe einzustellen. Außer diesen Merkmalen sind andere Bestandteile gleich oder äquivalent zu solchen der hier zuvor beschriebenen Ausführungsformen und durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
Der Positionsdetektor 5 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung dient zur Signalverstärkung, Filterung, Eliminierung der Einflüsse der Schwankungen bei einer Lichtquellenstärke. Mit der vorliegenden Ausführungsform werden nur Wechselspannungskomponenten abgezweigt, während Gleichstromkomponenten abgeschnitten werden. Das Ausgangssignal des Positionsdetektors 5 wird auf den Eingang des Regelverstärkers 1823 angelegt, nachdem Rauschkomponenten durch einen Bandpaßfilter 1822 entfernt worden sind. Die Ausgabe des Regelverstärkers 1823 wird durch eine Amplituden-Erfassungsschaltung 1824 überwacht. Der Regelverstärker 1823 ist so konstruiert, daß er die Verstärkung so steuert, daß die Ausgabe der Amplituden-Erfassungsschaltung 1824 mit einem extern hierzu gegebenen Wert zusammenfällt. Die Ausgabe des Regelverstärkers 1823 ist auf eine piezoelektrische Einrichtung 15 angelegt. In diesem Fall wird eine Phaseneinstellung so durchgeführt, daß die auf den Hebel 1 durch die piezoelektrische Einrichtung 15 aufgebrachte Vibration in Phase ist mit der Auslenkung oder der Bewegung des Hebels 1 bei der Resonanzfrequenz des letzteren. Mit anderen Worten wird eine positive Rückkopplung durchgeführt. Infolgedessen beginnt dieses System, wenn die Schleifenverstärkung "1" übersteigt, bei der Resonanzfrequenz des Hebels 1 zu schwingen. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß sich die Schleife in dem schwingenden Zustand befindet.
Ein Teil des Schwingungssignals wird auf einen Eingangsanschluß eines Phasenkomparators 1832 angelegt. Die andere Eingabe des Phasenkomparators 1832 ist ein Referenzfrequenzsignal, das von einem Referenzoszillator 1831 gespeist wird, der durch einen Oszillator gebildet werden muß, welcher eine hohe Frequenzstabilität aufweist, wie ein quarzgesteuerter Oszillator oder dergleichen. Übrigens wird von dem Referenzoszillator 1831 erwartet, daß er eine ausgezeichnete Phasenstabilität bei einer veränderlichen Schwingungsfrequenz aufweist. Als ein typischer Vertreter eines solchen Referenzoszillators kann ein Oszillator vom Frequenzsynthetisatortyp genannt werden, der als Standard einen quarzgesteuerten Oszillator aufweist. Der Phasenkomparator kann durch Verwendung eines Multiplizierers eingesetzt werden. In dem Fall der vorliegenden Ausführungsform ist der Phasenkomparator durch einen Multiplizierer realisiert.
Fig. 19 ist ein Diagramm, das eine größere Anordnung der in Fig. 18 gezeigten Anordnung zeigt. Vom Standpunkt der elektrischen Schaltungstechnik aus gesehen, bildet die den Hebel einschließende Schwingungsschleife einen spannungsgesteuerten Oszillator 1840 in dem Sinne, daß die Schwingungsftequenz durch Regulieren des Abstandes zwischen dem Spitzenende des an einem freien Ende des Hebels 1 angebrachten Fühlers und der Probenoberfläche mittels des Z-Betätigungselementes modifiziert wird, weil die Resonanzfrequenz des Hebels 1 als eine Funktion des oben genannten Abstandes variieren kann. Wie aus Fig. 19 zu ersehen ist, bildet dieses System eine Phasenverriegelungsschleife (PLL-Kreis). Wenn die Frequenz des Referenzoszillators und die des spannungsgesteuerten Oszillators ausreichend nahe beieinander liegen, nähert sich der Phasenunterschied zwischen den beiden Signalen in dem System der Fig. 19 einem Wert Null, was zur Folge hat, daß die Schwingungsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators mit der des Referenzsignales übereinstimmt. Dies ist der phasenverriegelte Zustand. Die Eigenschaft des spannungsgesteuerten Oszillators ist im Hinblick auf die Beziehung zwischen der Steuerspannung (Ausgabe des Phasenkomparators) des spannungsgesteuerten Oszillators und dessen Schwingungsfrequenz so eingestellt, daß die Phasendifferenz gegen den Wert Null geht. Genauer heißt dies, daß die Schwingungsfrequenz verringert wird, wenn das Spitzenende des Hebels veranlaßt wird, sich der Probenoberfläche zu nahern. Dementsprechend kann in dem Fall der in Fig. 18 gezeigten Anordnung die Ausgabe des Phasenkomparators an das Z-Betätigungselement einfach durch Addieren einer Offset-Spannung geeigneter Größe eingegeben werden. Jedoch ist im Gegensatz zu einem herkömmlichen Phasenkomparator, bei dem die Betriebsspannung in der Größe von mehreren Volt liegt, eine hohe Spannung von mehreren zehn Volt zum Betreiben des Z- Betätigungselementes erforderlich, das durch die piezoclektrische Einrichtung in dem Fall der hier dargestellten Ausführungsform realisiert ist. Entsprechend muß ein Leistungsverstärker 1834 mit einer Offset-Spannung vorgesehen werden, die an diesen Verstärker ebenfalls angelegt wird.
Nebenbei bemerkt ist die Phasenverriegelungstechnik weit verbreitet auf dem Gebiet von Kommunikationssystemen, Steuerungssystemen etc. angewendet. Zum Beispiel kann Bezug genommen werden auf: Roland Best: "Phase- Locked Loops", McGraw-Hill, Inc., (1984) and Floyd Gardner: "Phase Lock Techniques", John Wiley & Sons (1966).
Als nächstes wird sich die Beschreibung auf eine zwischen der Resonanzfrequenz des Hebels und einer aufletzteren einwirkenden Kraft beziehen. Eine Bewegungsgleichung des Hebels kann durch den unten genannten Ausdruck 4 im Hinblick auf die Tatsache gegeben werden, daß der Hebel gezwungen ist, bei Anwesenheit eines Potentials der Probenoberfläche zu schwingen.
m{δ² (z - a) / δt²} = - k (z - a) - Γ {δ (z - a) / δt} - {δV(z) / δZ} + Feiωt (4)
wobei m eine effektive Masse darstellt, k eine Federkonstante des Hebels darstellt, Γ einen Widerstandsbeiwert darstellt, V(z) das Potential darstellt, F die Amplitude einer den Hebel antreibenden Kraft darstellt, a die z- Koordinate eines Gleichgewichtspunktes des Hebels darstellt und ω eine Winkelfrequenz einer externen Kraft darstellt. Eine Verschiebung des Resonanzpunktes unter dem Einfluß des Potentials kann durch Annäherung unter der Annahme bestimmt werden, daß die Amplitude der Vibration des Hebels ausreichend klein in der Nähe des Gleichgewichtspunktes des Hebels ist, wie durch den folgenden Ausdruck (5) gezeigt werden kann.
Δω = 0,5ωR0 {f'(a) / k}
ωR0 = (k/m)
f'(z) = δ f(z) / δz
f(z) = - δ V(z) / δz (5)
Fig. 20 ist eine Ansicht, die grafisch eine Beziehung zwischen der auf den Hebel einwirkenden Kraft F und einem Abstand z zwischen dem Fühlerspitzenende des Hebels und einer Probenoberfläche zeigt, wenn das Fühlerspitzenende des Hebels veranlaßt wird, sich der Probenoberfläche anzunähern. In dem Fall der Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung liegt die auf den Hebel einwirkende Kraft in einem magnetischen Bereich, d.h., die Kraft liegt in einem Anziehungsgebiet, wie aus Fig. 20 zu ersehen ist. Entsprechend nimmt der Differentialkoeffizient der Kraft in der Z- Richtung einen negativen (-) Wert ein. Dies bedeutet, daß die Schwingungsfrequenz des Schwingkreises geringer wird, wenn das Fühlerspitzenende des Hebels in Richtung der Probenoberfläche bewegt wird.
Fig. 21 ist eine Ansicht, die grafisch eine Beziehung zwischen einer Frequenzänderung ΔF bei der Verschiebung des Resonanzpunktes des Hebels und einer Abstand z zwischen einer Probenoberfläche und dem Spitzenende eines Hebels zeigt, wobei die Beziehung experimentell durch Bewegen des Hebels in Richtung Probenoberfläche beobachtet werden kann. Es ist ersichtlich, daß die Schwingungsfrequenz abnimmt, wenn der Abstand z kleiner wird.
Nun wird die Betriebsweise der Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung allgemein unter Bezug auf Fig. 18 beschrieben.
Die Schwingungsfrequenz des Standardoszillators wird auf einen Wert gesetzt, der geringer ist als die Resonanzfrequenz in dem freien Zustand des Hebels. Anfänglich befindet sich ein Umschalter 1837 in einem geschlossenen Zustand mit einer automatischen Annäherungs-Steuereinheit 1838. Zu is diesem Zeitpunkt befindet sich das Z-Betätigungselement 1806 in einem vollständig gestreckten Zustand, während die Schwingungsschaltung bei einer dem freien Zustand des Hebels entsprechenden Resonanzfrequenz schwingt. Die automatische Annäherungs-Steuereinheit 1838 weist eine Schaltung zum Erfassen der Schwingungsfrequenz der Schwingungsschaltung und eine Schaltung zum Antreiben des Z-Betätigungselementes ebenso wie eine Funktion zum automatischen Umschalten des Schalters 1837 auf. Die Schwingungsfrequenz des Standardoszillators wird an die automatische Annäherungs Steuereinheit 1838 als ein gewünschter Frequenzwert angelegt.
Die automatische Annäherungs-Steuereinheit 1839 verkleinert progressiv das Z-Betätigungselement 1806. In dem Bereich, in dem der Einfluß des Potentials wirksam wird, wird die Schwingungsfrequenz progressiv klein gegen den gewünschten Wert, und wenn die vorhergehende Annäherung ausreichend nahe an der letzteren ist, schaltet die automatische Annäherungs Steuereinheit 1838 automatisch den Schalter 1837 um, woraufhin die Vorrichtung in der Phasenverriegelungsschleife zu arbeiten beginnt. Mit anderen Worten treibt das betrachtete System das Z-Betätigungselement derart an, daß die Schwingung bei der gewünschten Frequenz stattfindet. Auf diese Art wird der Abstand zwischen dem Fühler-Spitzenende des Hebels und der Probenoberfläche automatisch gesteuert.
Wir wollen annehmen, daß das Fühler-Spitzenende des Hebels ausschließlich auf eine atomare Kraft reagiert. Wenn die XY-Abtasteinrichtung unter der Steuerung der XY-Abtast-Steuerungseinheit 1845 in diesem Zustand betrieben wird, folgt das Fühler-Spitzenende des Hebels einem Ptäd auf einer Ebene, über der die Schwingungsfrequenz konstant bleibt, d.h. einer von der Probenoberfläche mit konstantem Abstand beabstandeten Ebene. Somit wird ein Atomkraftmikroskop realisiert. Das Abtastsignal der XY-Abtast-Steuerungseinheit wird auch an eine Anzeigeeinheit 1836 ausgegeben. Nebenbei bemerkt wird die Anzeigeeinheit 1836 ebenso mit der Steuerspannung der Schwingungsschaltung beschickt, d.h., einer Rauhheitsinformation der Probenoberfläche, wobei die Information bei jeder Abtastposition angezeigt wird. In diesem Zusammenhang enthält, wenn das Fühler-Spitzenende des Hebels aus einem ferromagnetischen Material gebildet wird, die angezeigte Information Informationen, die das Streumagnetfeld der Probe betreffen, sofern dieses existiert. Dann kann die Vorrichtung als ein Magnetkraftmikroskop wirken. Darüber hinaus werden, wenn der Hebel-Spitzenende-Fühler empfindlich gegenüber einer elektrostatischen Kraft oder anderen Kräften ist, Informationen über diese Kräfte ebenfalls erhältlich.
Es sollte erwähnt werden, daß die Kraft, welche mit der erfinderischen Vorrichtung erfaßt werden kann, nur der Differentialquotient der auf das Hebel-Fühler-Spitzenende wirkenden Kraft in der Z-Richtung ist. Jedoch ist es möglich, durch Wobbeln der Frequenz des Standard- oder Referenzoszillators in derselben Abtastrichtung, die Abstände von der Probenoberfläche an jedem Wert des Differentialkoeffizienten zu erfassen, was seinerseits bedeutet, daß eine Änderung der Differentialkoeffizienten der Kraft in der Z- Richtung bestimmt werden kann. Durch Integration des Differentialkoeffizienten in der Z-Richtung kann die auf den Hebelfühler einwirkende Kraft, außer für dessen Gleichspannungsanteil, bestimmt werden.
Ein vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Ausführungsform ist darin zu sehen, daß die Schwingungsschaltung im phasenverriegelten Zustand gegenüber dem Standard- oder Referenzoszillator ist, der in bezug auf die Frequenz und Phase hochstabilisiert ist. Aufgrund dieser Anordnung kann die Ausgabe des spannungsgesteuerten Oszillators, der hinsichtlich der Frequenzstabilität inhärent ziemlich schlecht ist, eine extrem hohe Stabilität erfahren. Die in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung verwendete Schwingungsschaltung ist hinsichtlich der Frequenzstabilität recht schlecht, wenn sie in Luft betrieben wird, wegen des niedrigen Wertes der Federkonstante des Hebels in der Größenordnung von 200. Es hat sich jedoch überraschenderweise herausgestellt, daß die Frequenzstabilisierung durch Anwendung der oben beschriebenen phasenverriegelten Technik verbessert werden kann, die mit einer signifikanten Verringerung von Rauschen in dem Ausgangssignal begleitet wird. Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung wird darin gesehen, daß der Rauschpegel der Schwingungsschaltung extrem niedrig ist. Das räumliche Auflösungsvermögen, insbesondere in der Z-Richtung, kann vergrößert werden, wenn die Schwingungsamplitude des Hebels klein wird. Entsprechend wird eine kleine Amplitude bevorzugt.
Jedoch wird in diesem Fall eine Schwierigkeit hinsichtlich der Gewährleistung einer stabilen Schwingung, selbst bei hohem Rauschpegel auftreten. Diesbezüglich wird der Rauschpegel auf ein mögliches Minimum infolge der Anwendung der Phasenverriegelungstechnik in dem Fall der vorliegenden Ausführungsform reduziert. Somit kann eine stabile Schwingung erfolgreich realisiert werden, selbst wenn die Amplitude klein ist (wobei die Vibrations amplitude des Hebels klein ist). Schließlich kann ein hohes räumliches Auflösungsvermögen erzielt werden.

Ausführungsform 12

Fig. 22 ist ein Diagramm, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die Anordnung ebenso wie die Betriebsweise des Fühlers 17, des Hebels 1, der Probe 3, des Positionssensors 4, der Positionserfassungsschaltung 5, der Servosteuerschaltung 7, des XY-Abtasters 14 und anderer sind grundsätzlich ähnlich gegenüber denjenigen der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.
Entsprechend der in der vorliegenden Ausführungsform verkörperten Lehre der Erfindung wird als der Fühler 17 ein ferromagnetischer Fühler verwendet, der in einer bestimmten Richtung spin-polarisiert ist, z.B. in der zu der Probenoberfläche senkrechten Richtung, wobei ein zwischen dem Fühler 17 und der Probe 2 fließender Tunnelstrom erfaßt wird. Im einzelnen wird der Tunneistrom durch einen Stromdetektor 2012 zu dem Zeitpunkt erfaßt, zu dem ein Tunneistrom 2012 zwischen dem Fühler 17 und der Probe 2 angelegt wird. Durch Liefern des durch den Stromdetektor 2012 bei Fühlerpositionen in den XY-Richtungen erzeugten Ausgangssignales an die Anzeigeeinheit 2210, synchron mit einem Steuerungssignal für die Z-piezoelektrische Einrichtung, wird eine magnetismus-spezifische Information, wie die der magnetischen Domänen, getrennt von der Information über die Oberflächenstruktur der Probe verfügbar gemacht. Dieses Merkmal basiert auf der Tatsache, daß der zwischen dem Fühler 17 und der Probe 2 fließende Tunnelstrom 1 in Abhängigkeit der Spin-Ausrichtungs- und Spin-Polarisations- Verhältnisse P variiert. Genauer gesagt kann, wenn die Spin-Ausrichtung des Fühlers 17 identisch mit der der Probe ist, ein durch I = I&sub0; (1 + P) gegebener Tunnelstrom erfaßt werden, während, wenn die oben erwähnten Spin-Ausrichtungen einander entgegengesetzt sind, ein durch I = I&sub0; (1 - P) gegebener Tunneistrom erfaßt werden. In den obigen Ausdrücken stellt 10 einen Strom dar, wenn P gleich 0 ist. In diesem Zusammenhang soll hinzugefügt werden, daß die Spin-Ausrichtung und das Spin-Polarisations- Verhältnis an dem Spitzenende des Fühlers 17 durch Vorsehen einer Erregerspule 2013 um den Hebel 1 in Verbindung mit einer Erregerstromquelle 2014 gesteuert werden kann.
Fig. 23A und 23B zeigen beispielhafte Aufbauten des Fühlers 17. Bezugnehmend auf die Figur wird der Fühler 17 durch Stapeln oder Laminie ren eines magnetischen Films 2022 aus ferromagnetischem Material wie Permalloy (Ni-Fe-Legierung) über ein aus Si oder Si&sub2; hergestelltes Fühlersubstrat 2023 mit einem nichtmagnetischen Film 2021 wie Kupfer oder dergleichen gbbildet, die zwischen das Substrat 2023 und dem magnetischen Film 2022 gelegt ist. Der laminierte Film sollte vorzugsweise durch ein Epitaxie-Verfahren gebildet werden. Weiter kann der magnetische Film 2022 aus einem magnetischen Material gebildet werden, das zumindestens ein Element von Fe, Ni und CO zusätzlich zu Permalloy enthält. Ähnlich kann der nichtmagnetische Film 2021 -aus einem Film gebildet werden, der zumindestens ein einzelnes Element von Cr, Pt, Au, Ag, Ae und C zusätz lich zu Cu enthält. Nebenbei kann durch alternierendes Stapeln nichtmagne tischer Schichten aus Mn und A£ ein magnetischer Fühler realisiert werden, der gleichtalls zu demselben Effekt benutzt werden kann.
Im allgemeinen werden der Spin P&sub1; (bezeichnet mit 2024) in dem darüberliegenden magnetischen Film und der Spin P&sub2; (2025) in dem darunterliegenden magnetischen Film anti-parallel zueinander ausgerichtet, wie in der Figur gezeigt. Jedoch versteht es sich von selbst, daß derselbe beabsichtigte Effekt erzielt werden kann, wenn beide Spins dieselbe Ausrichtung aufweisen. Weiter sollte hinzugefügt werden, daß das Polarisationsverhältnis des Spins P&sub1; (2024) des oberen magnetischen Films in etwa gleich der des Spins P&sub2; (2025) des unteren magnetischen Films ist.
Es sei nun angenommen, daß der Spin des Fühlers 17 orthogonal zu der Oberfläche der Probe 2 ausgerichtet ist, während die Spins 2026 der Probe auch senkrecht zu der Probenoberfläche mit alternierenden Ausrichtungen sind. Durch Anlegen einer Tunnelstrom-Vorspannung zwischen dem Fühler 17 und der Probe 2 wird ein zu diesem Zeitpunkt fließender Strom durch eine Stromerfassungsschaltung 2012 erfaßt. Wenn die Polarisationsrate des Spins P&sub1; (2024) des oberen magnetischen Films gleich der des Spins P&sub2; (2025) des unteren magnetischen Films ist, d.h., wenn P&sub1; gleich P&sub2; ist, wie in Fig. 23A gezeigt, bleibt der zwischen dem Fühler 17 fließende Strom 2027 konstant, selbst wenn die Ausrichtungen der Spins in der Probe 2026 alternierend wechseln. Durch Vorsehen einer Erregerspule 2013 um den Fühler 17 und Erregen der Spule 2013 durch einen von einer Erregerstromquelle 2014 abgegebenen Gleichstrom ist es möglich, einen Unterschied in dem Polarisationsverhältnis oder -faktor zwischen Spin P&sub1; (2024) in dem oberen magnetischen Film und Spin P&sub2; (2025) in dem unteren magnetischen Film wie P&sub1; ≤ P&sub2;, wie in Fig. 238 gezeigt, aufzuprägen. Natürlich können verschiedene Polarisationen, so daß P&sub1; ≤ P&sub2;, durch Umkehren der Erregung realisiert wird. Wenn die Probenoberfläche mit dem Fühler 17, der ein durch P2 - P1 gegebenes Polarisationsverhältnis aufweist, abgetastet wird, kann ein größerer Wert der Spannung 2027 in dem Oberflächenbereich erfaßt werden, wobei dessen Spinausrichtung dieselbe ist wie die des Fühlers 17 im Vergleich mit dem Bereich, bei dem die oben erwähnten Spin-Ausrichtungen einander entgegengesetzt sind.
Somit wird in einer Anordnung, bei der der Fühler 17 an einem freien Spitzenende des Hebels 1 angebracht ist, wie in Fig. 22 gezeigt, die Z- piezoelektrische Einrichtung des XYZ-Abtasters 14 so gesteuert, daß die zwischen dem Fühler 17 und der Probe wirkende atomare Kraft konstant bleibt, d.h. der Abstand zwischen dem Fühler 17 und der Probe 2 ist konstant. In diesem Fall kann die Oberflächengeometrie-Information der Probe von dem Steuersignal für die Z-piezoelektrische Einrichtung erhalten werden, während die magnetismus-spezifischen Informationen von Änderungen des zwischen dem Fühler 17 und der Probe 2 fließenden Stromes separat von der Oberflächengeometrie-Information abgeleitet werden kann.
Die obige Beschreibung beruht auf der Annahme, daß die Ausrichtungen der Spins in dem Fühler 17 und der Probe 2 beide senkrecht zu der Probenoberfläche sind. Es ist jedoch verständlich, daß ähnliche Effekte selbst in dem Fall erhalten werden können, wenn die Spins parallel mit der Probenoberfläche ausgerichtet sind. Eine Auslenkung des Hebels 1 kann gleichtälls durch Anwenden eines berührungslosen, Großflächenauslenkungs-Erfassungsverfahren erfaßt werden, beispielsweise durch ein Laser-Interferometerverfahren, ein Kapazitanz-Verfahren, ein astigmatisches Verfahren oder ein Tunnelstrom-Erfassungsverfahren anstelle des Laserstrahl-Ablenkungsverfahrens oder des oben erwähnten optischen Hebelmeßgerät-Verfahrens.
Schließlich soll ebenfalls erwähnt werden, daß der einen aktiven Teil des Fühlers 17 bildende ferromagnetische Film in einem einlagigen ferromagnetischen Film anstelle einer laminierten, in Fig. 23A und 23B gezeigten, Schichtstruktur eingebracht werden kann.

Ausführungsform 13

Fig. 24 ist ein Diagramm, das eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt. Eine Erregerspule 2013 wird durch einen Wechselstrom einer spezifischen Frequenz in einem Bereich von mehreren zehn Hertz bis mehreren MHz mittels eines Oszillators 2015 erregt, um hierdurch das Spin-Polarisationsverhältnis des an einem freien Spitzenende des Hebels 1 angebrachten Fühlers 17 zu verändern. In diesem Fall ändert sich ein zwischen dem Fühler 17 und der Probe 2 fließender Strom als ein alternierender Strom. Die Erregerfrequenz des Oszillators 2015 wird einem Einrastverstärker 2016 als ein Referenzsignal zugeführt, um hierdurch einen Spitzenwert des Tunnelstroms zu erfassen, der denselben Frequenzanteil wie die Erregerfrequenz aufweist. Was andere Aspekte angeht, wirkt die Vorrichtung gleich der vorhergehenden Ausführungsform Mit der Anordnung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung kann das Signal-Rausch-Verhältnis der Erfassungsschaltung verbessert werden.
Wie aus der vorhergehenden Beschreibung klar wird, kann entsprechend der Lehren der Erfindung eine magnetische Domänenstrnktur und geometrische Oberflächenstruktur der Proben gleichzeitig und getrennt voneinander gemessen werden, was mit den hier zuvor bekannten Techniken unmöglich war. Somit ist es mit der vorliegenden Erfindung nun möglich, eine korrelative Analyse der Proben hinsichtlich deren Struktur ünd Magnetisierzuständen durchzuführen.

Claims

1. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung zum Erhalten von Informationen einer Probe, welche aufweist:

a) einen Fühler (17), welcher in dichter Nähe zu der Probe (2) angeordnet ist;

b) eine verformbare Hebeleinrichtung (1) zum Halten des Fühlers (17);

c) eine Vibrationseinrichtung (15, 6) zum Vibrieren der Hebeleinrichtung (1);.

d) eine Abtasteinrichtung (13) zum Abtasten einer Oberfläche der Probe (2) mit dem Fühler (17);

e) Einrichtungen (3, 4, 5) zum Erfassen eines Auslenkungssignals (7, 8) der Hebeleinrichtung (1), um dadurch Informationen der Probe auf der Basis des Auslenkungssignals (7, 8) ableiten zu können;

f) eine Einrichtung (14) zum Regeln eines Abstandes zwischen dem Fühler (17) und der Probe (2);

g) Einrichtungen (60, 9, 14) zum Betätigen der Vorrichtung in einem Modus konstanter Rückstoßkraft zum Messen der dreidimensionalen Struktur der Oberfläche der Probe (2) in Kombination mit der Abtasteinrichtung (13), aufweisend eine Servosteuerschaltung (9), welcher die Auslenkungssignalanteile (8) einer sehr niedrigen Frequenz einschließlich von Gleichstromanteilen zugeführt wird;

h) eine Einrichtung (6), um gleichzeitig mit der dreidimensionalen Struktur einen Kraftgradienten in der Nähe der Oberfläche der Probe (2) auf der Basis der Wechselstrom-Auslenkungssignalanteile (7) zu messen;

i) Einrichtungen (9, 21 bis 27) zum willkürlichen Festlegen eines vorbestimmten Abstandes zwischen dem Fühler (17) und der Probe (2) in dem Zustand, in welchem die Servosteuerschaltung (9) sich in einem Haltemodusbetrieb befindet, um den Kraftgradienten bei dem willkürlich festgelegten Abstand zu messen.

2. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher die Einrichtung gemäß Merkmal h) von Anspruch 1 ein Lock in-Verstärker (6) ist.

3. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher ein Spitzenendabschnitt des Fühlers (17) aus einem magnetischen Material ausgebildet ist und bei welcher Einrichtungen (40 bis 45) zum Steuern des magnetischen Zustandes des magnetischen Materials vorgesehen sind. (Fig. 7 und 8)

4. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher die Oberfläche eines Spitzenendabschnittes des Fühlers (17) aus einem elektrisch leitenden Material (47) ausgebildet ist und bei welcher eine Einrichtung (43, 44, 46, 49) zum Anlegen einer Spannung an den elektrisch leitenden Spitzenendabschnitt des Fühlers vorgesehen ist. (Fig. 9 und 10)

5. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher Einrichtungen zum Messen eines Anteils der in der Richtung senkrecht zur Oberfläche der Probe (2) wirkenden Kraft und ein Anteil der in der Richtung horizontal zu der Oberfläche der Probe wirkenden Kraft durch Ändern der Richtung der Magnetisierung des Fühlers (54, 56) vorgesehen sind. (Fig. 12)

6. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher eine Einrichtung zum Vibrieren des Fühlers (17) parallel zu einer Oberfläche der Probe (2), eine Lichtquelleneinrichtung zum Beleuchten des Hebels (1) mit einem Lichtstrahl und eine zweidimensionale Sensoreinrichtung (50) zum Erfassen eines reflektierten Lichtstrahls von dem Hebel (1) vorgesehen sind. (Fig. 11)

7. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher ein Fühlerbewegungsmechanismus (1303, 1304, 1305, 1306) vorgesehen ist, welcher der Funktion des Bewegens des Hebels (1), welcher den Fühler (17) hält, auf und entlang einer Ebene dient, welche sich im wesentlichen parallel zu einer Oberfläche der Probe (2) erstreckt, wobei bewirkt wird, daß der Fühler die Oberfläche der Probe abtastet, wahrend er durch den Fühlerbewegungsmechanismus bewegt wird. (Fig. 13, 14, 15)

8. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, bei welcher der Hebel (1) an dem Fühler (17) in einer derartigen Anordnung installiert ist, daß der Fühler außerhalb des Fühlerbewegungsmechanismus angeordnet ist.

9. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, bei welcher ein Probenbewegungsmechanismus (1321) vorgesehen ist, welcher einer Funktion zum zweidimensionalen Bewegen der Probe (2) in einer Ebene dient, welche sich im wesentlichen parallel zu der Oberfläche der Probe erstreckt.

10. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei welcher der Probenbewegungsmechanismus (1321) einen Bewegungsbereich von größer als 1 mm einschließlich in sowohl der zweidimensionalen X- als auch der Y-Richtung besitzt.

11. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher eine Einrichtung (15) zum Erregen des Hebels (1) auf der Basis der erfaßten Auslenkung, eine Bezugssignal-Erzeugungseinrichtung (1831) zum Erzeugen eines Signals mit einer konstanten Frequenz und einer konstanten Phase, eine Phasendifferenz-Erfassungseinrichtung (1832) zum Erfassen einer Phasendifferenz zwischen einer Phase eines Ausgabesignals der Bezugssignal-Erzeugungseinrichtung (1831) und einer Phase eines Ausgabesignals der Hebelauslehkungs-Erfassungseinrichtung (5) und Einstelleinrichtungen (1833, 1834, 1806) zum Einstellen eines Abstandes zwischen dem Hebel (1) und der Oberfläche der Probe (2) vorgesehen sind, so daß die Phasendifferenz zwischen dem Ausgabesignal der Bezugssignal-Erzeugungseinrichtung (1831) und einem Hebelauslenkungssignal, welches von der Hebelauslenkungs-Erfassungseinrichtung (5) ausgegeben wird, gegen Null geht. (Fig. 18 und 19)

12. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemaß Anspruch 11, bei welcher Einrichtungen zum Anlegen einer elektrostatischen Vorspannung zwischen der Probe (2) und dem Fühler (17) vorgesehen sind.

13. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher eine Einrichtung zum Erfassen eines Gleichstromanteils einer Auslenkung des Hebels (1), eine Einrichtung zum Regeln der Position des Fühlers (17), so daß der Gleichstromanteil der Auslenkung des Hebels konstant gehalten wird, eine Einrichtung (2012) zum Erfassen eines zwischen dem Fühler und der Probe (2) fließenden Stromes, eine Einrichtung zum Ausstatten des Fühlers in der Form eines spin-polarisierten ferromagnetischen Fühlers, eine Einrichtung zum Ändern eines Spin-Polarisationsverhältnisses des ferromagnetischen Fühlers; und eine Einrichtung zum Erfassen eines Stromes mit einer spezifischen Frequenz, welcher zwischen der Probe und dem Fühler fließt, vorgesehen sind. (Fig. 20 und 21)

14. Eine Oberflächen-Beobachtungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, bei welcher Einrichtungen zum Ändern des Spin-Polarisationsverhältnisses des ferromagnetischen Fühlers mittels einer ausgewählten spezifischen Frequenz vorgesehen sind. (Fig. 22)

15. Ein Verfahren zum Erhalten von Informationen einer Probe, welches die nachfolgenden Schritte aufweist:

a) Abtasten einer Oberfläche der Probe (2) mit einem Fühler (17) in einem Rückstoßkraftmodus durch relatives Bewegen des Fühlers (17) und der Probe;

b) wahlweise Anhalten der Bewegung des Fühlers (17) oder der Probe (2) bei jedem Pixel der Oberfläche der Probe (2);

c) Bewegen des Fühlers (17) oder der Probe (2), so daß der Abstand zwischen dem Fühler (17) und der Oberfläche der Probe (2) sich ändert;

d) Erfassen einer Kraft und eines Kraftgradienten zwischen dem Fühler (17) und der Oberfläche der Probe (2); und

e) Wiederholen der zuvor erwähnten Schritte für jedes der Pixel auf der Oberfläche der Probe;

gekennzeichnet durch

f) Erfassen einer Kraft und eines Kraftgradienten zwischen dem Fühler (17) und der Oberfläche der Probe (2) zumindest an zwei verschiedenen Höhenpositionen für jedes der Pixel auf der Oberfläche der Probe (2) zur selben Zeit, um dadurch ein Profil der Oberfläche der Probe (2) und der Kraftgradienten-Verteilung zu messen.

16. Ein Verfahren gemäß Anspruch 15, bei welchem eine magnetische Streufeldverteilung als die Kraftgradienten-Verteilung gemessen wird.

17. Ein Verfahren gemäß Anspruch 16, bei welchem eine elektrische Streufeldverteilung als die Kraftgradienten-Verteilung gemessen wird.