| Scannende Fühlermikroskope (SPMs) sind Instrumente, die Eigenschaften von Oberflächen messen. Sie enthalten Atomkraftmikroskope (AFMs) und Scannentunnelbaumikroskope (STMs). In ihren Erstanträgen wurden SPMs hauptsächlich für das Messen der Oberflächentopographie 3D verwendet und, obgleich sie jetzt verwendet werden können, um viele anderen Oberflächeneigenschaften zu messen, ist die noch ihre Hauptanwendung. SPMs sind die leistungsfähigsten Hilfsmittel unserer Zeit für Oberflächenmetrologie und messen Oberflächenmerkmale, deren Abmessungen vom interatomic Abstand bis zu einem zehnten eines mm reichen. Das Hauptmerkmal, das alles SPMs gemeinsam haben, ist, dass die Maße mit einem scharfen Fühler durchgeführt werden, der im Nahfeld d.h. funktioniert über der Oberfläche beim Beibehalten eines sehr nahen Abstandes zur Oberfläche scannen. Diese Instrumente, speziell STMs, waren die ersten, zum von Realraumbildern von Atomvorbereitungen auf Planum zu produzieren. SPMs sind jetzt allgemein am verwendetsten, die sehr genauen, dreidimensionalen Maße auf der Ångstrom-zu-Mikrometer Schuppe durchzuführen. Tabelle 1. Vergleich und die Eigenschaften von geläufigen Mikroskopen. | | | | | | Schärfentiefe | Klein | Groß | Medium | | Schärfentiefe | Medium | Groß | Klein | | Auflösung: X, O | 1.0μm | 5nm | 2-10nm für FLUGHANDBUCH
0.1nm für STM | | Auflösung: Z | n/a | n/a | 0.05nm | | Effektive Vergrößerung | 1X - 2x103X | 10X - 106X | 5x102X - 108X | | Probenaufbereitungsanforderung | Wenig | Wenig zum Wesentlichen | Wenig oder keine | | Eigenschaften benötigt für Probe | Probe darf nicht vollständig transparent sein, die verwendete Wellenlänge zu beleuchten | Oberfläche darf Ladung nicht aufbauen und muss das kompatible Vakuum sein | Probe darf lokale Schwankungen Oberflächenhöhe >10 μm nicht haben | *Environmental SEMs funktionieren am Hochdruck- und niedrigen eV, aber Auflösung wird geopfert. Bis die achtziger Jahre hatten Forscher auf andere Instrumente für Darstellung und das Messen der Morphologie der Oberflächen gebaut. Jetzt für über zwei Jahrzehnte, bestehen SPMs der neueste Eintrag in den Oberflächenmetrologiebereich. Im Gegensatz zu optischen Mikroskopen und Elektronenmikroskopen (SEMs, TEMs), SPMs-Maßnahme taucht in alle drei Abmessungen auf: X, O und Z. Wie SEMs messen SPMs-Bild und die Oberfläche der Probe. X und O die topographische Auflösung für das meiste SPMs, einschließlich AFMs, ist gewöhnlich 2 bis 10 nm (STM-Auflösung kann wie 0.1nm so gut sein). Z-Auflösung ist über 0.1nm für ein gut entworfenes FLUGHANDBUCH oder STM. Optische Mikroskope und SPMs sind das einfachste, zu verwenden, wenn weniger oder keiner Probenaufbereitung und kein Vakuum benötigt sind. Optische Mikroskope und SEMs können größere Gesichtsfelder haben, aber SPMs stellen die höchsten Vergrößerungen und die Auflösung in 3D zur Verfügung. Außerdem nur SPMs-Arbeit über die meisten Proben mit minimaler Probenaufbereitung. Kurze Geschichte Das Scannentunnelbaumikroskop (STM) war die erste SPM-Technologie und wurde als erkannt, Atomauflösungsfähigkeit im Jahre 1981 habend. STM tatsächlich liefert noch die beste erhältliche Auflösung (Abbildung 1). STM verwendet den Tunnelbaustrom zwischen Spitze und Probe zum Bild die Beispieloberfläche. Leider gibt es etwas Beschränkungen, das beträchtlichste für, welches ist, dass die Oberfläche der Probe Leiter oder Halbleiter sein muss. Dieses begrenzt die Materialien, die studiert werden können. 
Abbildung 1. STM-Bild, das Einzelatom Defekt im Jodadsorbatgitter auf Platin zeigt. Scan 2.5nm. Diese Beschränkung führte zu die Erfindung im Jahre 1986 des ersten Atomkraftmikroskops. Das erste handelsübliche FLUGHANDBUCH, die Digital-Instrumente NanoScope® wurde im Jahre 1989 eingeführt. Wie STM verwendet das FLUGHANDBUCH auch eine sehr scharfe Spitze, um die Morphologie einer Oberfläche zu prüfen und abzubilden. Jedoch in FLUGHANDBUCH gibt es keine Anforderung, einen Strom zwischen Spitze und Probe zu messen. In diesem Fall ist die Spitze am Ende eines mikro-fabrizierten Kragbalkens mit einer niedrigen Federkonstante. In Kontaktmodus FLUGHANDBUCH wird die erste FLUGHANDBUCH-Technik, die Spitzeprobe Kraft örtlich festgelegt angehalten, indem man eine Konstante und sehr einen niedrigen Ausschlag vom freitragenden beibehält und die Spitze gegen die Probe drückt. Diese Kraft kann im Bereich von den interatomic Kräften in den Körpern sein. Als Nächstes beschreiben wir die Grundlagen von FLUGHANDBUCH und umfassen, wie der vertikale Antrag der Spitze in topographische Daten entdeckt und umgewandelt wird. Grundlegende FLUGHANDBUCH-Bauteile Das grundlegende FLUGHANDBUCH ist im Konzept verhältnismäßig einfach (Abbildung 2a). Sein nähster Vorgänger ist das Stiftauswerteprogramm. 
Abbildung 2. (a) Vereinfachte Diagramm eines generischen FLUGHANDBUCHS. Fotos zeigen Beispiele von (b) Mehrmoden-SPM, (c) Abmessung 3100 SPM und (d) völlig automatisierte Roboteranlage der abmessung X3D für Halbleiteranwendungen. FLUGHANDBUCH-Technologie wendet schärfere Fühler und untere Kräfte als Stiftauswerteprogramme auf, um höhere Auflösungsinformationen ohne Beispielschaden zur Verfügung zu stellen. Ein generisches FLUGHANDBUCH enthält die folgenden Bauteile: - Abfrage-System
- Fühler
- Fühler-Antrag-Fühler
- Controller Elektronik
- Geräusche Isolierung
- Computer
Abfrage-System Das meiste Grundbestandteil des FLUGHANDBUCHS und des Inneren des Mikroskops ist der Scanner. Abhängig von der einzelnen Auslegung scannt der Scanner möglicherweise (Bewegung) die Probe (Abbildung 2b, MultiMode™ SPM) wenn die Probe genug klein ist, oder sie möglicherweise scannt den Fühler über einer größeren Probe (Abbildung 2c, Dimension™ 3100 SPM). Um die benötigte Präzision durchzuführen, wird ein piezoelektrischer Gefäßscanner gewöhnlich verwendet um unter--Ångstrom Antragregelung zur Verfügung zu stellen. Fühler Eine Andere Schlüsselkomponente in der Anlage ist der Fühler. Wie bereits erwähnt kann der Fühler stationär sein und die Probe kann unter ihr gescannt werden, oder der Fühler kann über der Probe gescannt werden. Mit heutiger hoch entwickelter Technologie können Spitze/freitragende Einheiten, die den Fühler bilden (Abbildung 3), mit den durchweg geformten, sehr scharfen Spitzen in Serienfertigung hergestellt werden. Diese Spitzen sind in das Ende von Kragbalken integriert, die eine große Auswahl von den Eigenschaften haben, die für eine Vielzahl von Anwendungen bestimmt sind. 
Abbildung 3. SEM-Mikrograph einer geätzten Einzelkristall Silikon FLUGHANDBUCH-Spitze und der Spitze/der freitragenden Einheit Fühler-Antrag-Fühler Dieses Gerät ermittlt die Kraft zwischen dem Fühler und der Probe und stellt ein Korrektursignal zum Z-Teil des piezoelektrischen Scanners (Abbildung 2a) zur Verfügung die Kraftkonstante zu halten. Die geläufigste Auslegung für diese Funktion wird die optische Strahlauslenkungsanlage, die das lärmärmste ist, am stabilsten, und die meiste vielseitige erhältliche Anlage genannt. Diese Auslegung verwendet ein Laserstrahlglänzen auf und das Reflektieren weg von der Rückseite des Kragbalkens und auf eine segmentierte Fotodiode, um den Fühlerantrag zu messen. Controller Elektronik Dieses Gerät liefert die Zusammenschaltung zwischen dem Computer, dem Abfrage-System und dem Fühlerantragfühler. Es liefert die Spannungen, die den piezoelektrischen Scanner steuern, annimmt das Signal vom Fühlerantragfühler und enthält die Regelungselektronik für das Halten der Kraft zwischen Probe und Spitzenkonstante. Geräusche Isolierung Um die höchste Auflösung zu erzielen, muss das Mikroskop von den Geräuschen in seinen Umgebungen getrennt werden. Es gibt sehr effektive, dennoch einfache Anlagen für das Trennen von AFMs von den Bodenschwingungen und von den akustischen, elektrischen und optischen Lärmquellen. Computer Schließlich würden scannende Fühlermikroskopie und FLUGHANDBUCH nicht ohne die Verfügbarkeit von den leistungsfähigen, Hochgeschwindigkeitspc durchführbar sein, zum der Anlage zu treiben und des Reichtums der vorgelegten Daten aufzubereiten, anzuzeigen und zu analysieren. Anwendungen/Abtastverfahren In seiner kurzen Lebenszeit hat SPM bereits viele Varianten dem grundlegenden Scannentunnelbauthema hinzugefügt. Sobald das FLUGHANDBUCH die schwere Anwendungsgrenze auf STM (die Beispielleitfähigkeitsanforderung) ausglich, die Vielzahl von Techniken und die Benutzungsmöglichkeit fing an sich explosionsartig zu vermehren. Obgleich topographische Karte noch die dominierende Anwendung für FLUGHANDBUCH ist (Abbildung 4), handelsübliches SPMs jetzt, stellen Sie einiges oder alle folgenden Techniken zur Verfügung: Scannende Tunnelbau-Mikroskopie Scannende Tunnelbau-Mikroskopie (STM)maßnahmetopographie unter Verwendung des Tunnelbaustroms zwischen der Fühlerspitze und einer leitfähigen Probe tauchen auf. 
Abbildung 4. Ausführliche Topographie von drei Defekten - zwei Vorsprünge und eine Krise - in einer Phasenänderungsphotolithographiemaske. Ein Querschnitt misst das kleinere der zwei Vorsprünge (a) ~140nm herüber in der Fläche des Bildes. Der Krisendefekt (b) misst kleiner als 6nm tief. 1.5μm Scan. Kontakt-Modus FLUGHANDBUCH Kontakt-Modus FLUGHANDBUCH misst Topographie mit dem Fühler unaufhörlich in Verbindung mit der Probe. TappingMode FLUGHANDBUCH Maßnahmetopographie TappingMode FLUGHANDBUCHS (patentiert), durch die Oberfläche mit einer oszillierenden Fühlerspitze leicht klopfen. Beseitigt Scherkräfte (Geschenk im Kontaktmodus). TappingMode ist jetzt der Scannenmodus der Wahl für die meisten Anwendungen, besonders für weichere Oberflächen wie Polymere. Berührungsfreier Modus FLUGHANDBUCH Berührungsfreier Modus FLUGHANDBUCH-Maßnahmetopographie, indem sie Anziehungskraft Vans Der Waals zwischen Oberfläche und Fühler ermittlt, neigen sich. Sie ist weniger stabil als entweder Kontakt oder TappingMode. LiftMode LiftMode (patentiert) ist eine in zwei Durchläufentechnik, die separat Topographie und ein anderes ausgewähltes Eigentum (magnetische Kraft, elektrische Kraft, Usw.) unter Verwendung der topographischen Informationen misst, um die Fühlerspitze in einem konstanten Abstand über der Oberfläche aufzuspüren. PhaseImaging PhaseImaging (patentiert) bildet die Oberflächenzusammensetzung ab, die auf Unterschieden bezüglich der lokalen mechanischen oder klebenden Eigenschaften der Probe basiert. Seitliche Kraft-Mikroskopie Seitliche Kraft-Mikroskopie (LFM)karten-Reibungskräfte zwischen der Fühlerspitze und der Probe tauchen auf. Die Spitze kann mit chemischen Spezies für chemische Kraftmikroskopie functionalized. Magnetische Kraft-Mikroskopie Magnetische Kraft-Mikroskopie (MFM) bildet Steigung und Verteilung der magnetischen Kraft über der Beispieloberfläche unter Verwendung LiftMode ab (Abbildung 5). 
Abbildung 5. FLUGHANDBUCH (a) und Bilder LiftMode MFM (b) der Polspitzenregion auf dem magnetoresistenten (MR) Lese-Schreibkopf verwendet in den Festplattenlaufwerken des Computers. MFM-Bild zeigt Gebietszelle und HERRN Fühler, die nicht in der FLUGHANDBUCH-Topographie gesehen werden können. 12μm Scan. Kraft Modulation Erzwingen Sie relative Steifheit der Karten der Modulation (patentiert) von Oberflächenmerkmalen. Elektrische Kraft-Mikroskopie Elektrische Kraft-Mikroskopie (EFM) bildet elektrischen Feldgradienten und Verteilung über der Beispieloberfläche unter Verwendung LiftMode ab. Mögliche Oberflächendarstellung Mögliche Oberflächendarstellung ist eine der wenigen FLUGHANDBUCH-Techniken, die quantitativ bestimmbare Karten von einer Menge anders als Oberflächentopographie macht. Unter Verwendung LiftMode bildet sie die Verteilung des Oberflächenelektrischen potentials der Probe ab. Neue Anwendungen umfassen Korrosionsstudien von Legierungen. Elektrochemisches SPM Elektrochemisches SPM bildet die topographischen Änderungen ab, die in-situ sind, wie durch elektrochemische Reaktionen in den Elektrolytlösungen mit elektrochemische Zellmöglicher Regelung (z.B. Voltametrie) gleichzeitig verursacht. Kann mit FLUGHANDBUCH oder STM durchgeführt werden. Scannende Elektrochemische Mögliche Mikroskopie Die Scannende Elektrochemische Mögliche Mikroskopie (SECPM) (patentiert) ist in-situdarstellung oder mögliches Abbilden der Elektrodenoberfläche, indem sie die Spannungsdifferenz zwischen dem potenziometrischen Fühler und der Probe misst, die in einer Elektrolytlösung untergetaucht werden oder einer polaren Flüssigkeit (Abbildung 6). 
Abbildung 6. Scannendes elektrochemisches mögliches Mikroskop (SECPM). Scannen Kapazitanz-Mikroskopie-und Scannen-Ausbreitungswiderstand-Mikroskopie Scannen Kapazitanz-Mikroskopie- (SCM)und Scannen-Ausbreitungswiderstand-Mikroskopie (SSRM) beide Konzentrationsprofile des Transportunternehmers der Karte 2D (Dopant) in den Halbleitermaterialien. Scannende Thermische Mikroskopie Scannende Thermische Mikroskopie (SThM) bildet Oberflächentemperaturverteilung ab. Tunnelbau FLUGHANDBUCH und Leitfähiges FLUGHANDBUCH Tunnelbau FLUGHANDBUCH und Leitfähiges FLUGHANDBUCH messen Spitzeprobe Strom für Kennzeichnung der elektrischen Leitfähigkeit und Bewertung von Dünnfilmintegrität. TRmode TRmode bildet seitliche Kräfte und Kraftsteigungen ab. Überlappen mit TappingMode für ergänzende seitliche und vertikale Kennzeichnung (Abbildung 7). 
Abbildung 7. TRmode ist eine Technik, die Dreh- Oszillationen eines FLUGHANDBUCH-Fühlers verwendet. Nanoindenting Nanoindenting misst mechanische Eigenschaften und Abnützungseigenschaften (Härte, Beitritt, Haltbarkeit) von Dünnfilmen, von Polymeren, von Usw. (z.B. Dielektrika, von DLC). Diese Techniken werden an einer großen Auswahl Verwendungsgebieten, von Biologie zu Halbleiter, von Datenspeichergeräte zu Polymere und von integrierter Optik zum Maß von Kräften zwischen Partikeln und Oberflächen angewendet. Andere Anwendungen umfassen MEMS-Fälschung, Lacke und Beschichtungen, Metalle/Legierungen/Überzüge, Plastik/Polymere, Biosubstanzen, Biotechnologie, Nahrung und Verpacken der Lebensmittel, Optik/optische Filme, optische Platten, Keramik, Dünnfilme, Flüssigkristalle, Kosmetik und geologische und Umweltstudien. Darüber hinaus sind FLUGHANDBUCH-Anlagen bereits für in hohem Grade spezifische Anwendungen, einschließlich automatisierte Roboteranlagen für das Handhaben von Halbleiterwafer entwickelt worden (Abbildung 2d). Sie sind auch mit den Analyseprogrammen entwickelt worden, die für spezifische Anwendungen wie CD- und DVD-Stoß-/-vertiefungsmaße bestimmt sind, sowie den Polspitzenrezessionsmaßen für Datenspeicher-Lese-Schreibkopfherstellung. Diese Anwendungen fahren fort zu erweitern. Klimatisierungen FLUGHANDBUCH-Anwendungen werden in einer Vielzahl von Umgebungen durchgeführt. AFMs kann in der Luft, im Vakuum und in den Flüssigkeiten bedient werden (Abbildung 8). Biologische Maße insbesondere werden häufig in vitro in den Flüssigkeiten durchgeführt. Elektrochemische Experimente werden in den flüssigen Zellen durchgeführt und erlauben Atom-schuppe Beobachtung von elektrochemischen Prozessen. In einigen Fällen werden Oberflächenreinigungsstudien mit Atmosphärendruck in der esteuerten Umgebung einer trockenen Handschuhschachtel durchgeführt. 
Abbildung 8. Kondensierte Desoxyribonukleinsäure (DNS) ist vorgeschlagen worden als Genlieferungsvorrichtung für Biotechnologieanwendungen. Hier waren gelöste Moleküle in der Salzlösung abgebildet. 20μm Scan. Neue neue Produkte umfassen Heizsysteme für die biologische und Polymeranwendungen bis zu 250°C (die Abbildung 9), komplett mit hoch entwickelter Probe und dem Umweltermittlen. Anlagen sind auch jetzt für die Steuerung der gasförmigen Umgebung der Probe unter Studie erhältlich (Abbildungen 10a und B). 
Abbildung 9. Aufeinander folgende Phasenbilder Poly (hexacyclodimethyl) Siloxans (a) an 85ºC und (b) an 90ºC. Heizung verursacht Entstehung von flüssigen Inseln innerhalb der formlosen Polymere (a), die in Reihen der kleinen Punkte auf zusätzlicher Heizung (b) konvertieren. 10μm Scans. 
Abbildung 10a. Die Atmosphärische Haube für das Mehrmoden-SPM lässt Regelung der gasförmigen Darstellungsumgebung sich Feuchtigkeit oder Bild unter Edelgase unterscheiden. 
Abbildung 10b. Das EnviroScope bietet Hochvakuum, Heizung, elektrochemische Zellmögliche Regelung und gereinigte Gasumgebung an. Neue Technologie-Fortschritte Neue Kleinteile und Software hat das Hilfsprogramm von Spitzen-SPM-Anlagen über Maß und Kennzeichnung hinaus ausgedehnt, um nanomanipulation und nanolithography zu enthalten. Beispiele von auf gleicher Ebene und Aus-vonflugzeug nanomanipulation werden in den Abbildungen 11a und 11b gezeigt. Ein Beispiel nanolithography des zum Zeigen und Klicken wird in der Abbildung 11c gesehen. 
Abbildung 11a. Nanomanipulation FLUGHANDBUCHS auf gleicher Ebene verwendet den FLUGHANDBUCH-Fühler zum Bild, manipulieren Nmschuppe Nachrichten (Kohlenstoff nanotubes) und Bild wieder, um die Ergebnisse zu sehen. 
Abbildung 11b. FLUGHANDBUCH-aus-vonflugzeug nanomanipulation verwendet den FLUGHANDBUCH-Fühler zum Bild, zieht ein einzelnes Biomolekül die Fläche der Probe heraus, beim das Ausbreiten des Moleküls wieder messen und Bild, um die Ergebnisse (in diesem Fall, den Ausbau von einem Molekül von einer Reihe) zu sehen. 
Abbildung 11c. FLUGHANDBUCH-nanolithography. Neue Controller und Elektronik (z.B., die NanoScope IV und IVa SPMs Controller) sind konstruiert worden, um Leistung im Verhältnis zu traditionellen Auslegungen zu erhöhen. Einige der Neuentwicklungen in FLUGHANDBUCH-Technologie umfassen: Kombinierte Klimatisierungen Die späteste Generation von SPMs-Angebotkombinationen von Klimatisierungen, einschließlich Vakuum und hohe Temperatur (Abbildung 12). 
Abbildung 12. Poly-sbs bei Zimmertemperatur in einer Luft (a) und an 180°C in 10-5 Torr Druck (b). Bilder erfasst mit dem Enviroscope (Abbildung 10b). Höhere seitliche Auflösung FLUGHANDBUCH-Anlagen liefern jetzt höhere Datendichte, um in die feinsten Details, sogar über große Scans laut summen zu dürfen. Dieses liefert die Auflösung, die benötigt wird, um Seitenwände auf solchen Proben zu kennzeichnen, die DVD stößt,/und Halbleiter Löcher bildet. Es erlaubt auch Beobachtung und Maß von nanoscale Details über große Scans - ohne den Bedarf, die zusätzliche Zeit zu verbringen, welche die Probe mit einem kleineren Scan-Bereich wieder ablichtet (Abbildung 13). 
Abbildung 13. TappingMode+-Höhenbild und lautes Summen eines Copolymers. Das quadratische Bild ist ein lautes Summen in den eingepackten Bereich im ursprünglichen rechteckigen Bild. Dieses Sonderkommando wird aufgedeckt, indem man einfach herein mit Software und ohne den Bedarf an Zeit raubenden, sich wiederholenden kleineren Scans laut summt. Ohne dieses höhere Auflösungsscannen würde das laut gesummte Bild nicht die Pixelauflösung haben, die benötigt wurde, um nanoscale Details anzusehen. 10μm x 1.24μm Scan und 1μm x 1μm lautes Summen. „Q-“ - Regelung Die Steuerung des Qualitätsfaktors oder des Q, des oszillierenden FLUGHANDBUCH-Fühlers erlaubt bessere Regelung der Kräfte zwischen Spitze und Probe und verbessert die Empfindlichkeit von Maßen wie mit PhaseImaging und MFM (Abbildung 14). 
Abbildung 14. Bilder des gleichen Bereiches auf Klebeband der magnetischen Aufzeichnung scannten mit und ohne Q-Regelung. Bilder des Phasenbefunds MFM und durchschnittliche Querschnittsmaße der FühlerPhasenänderung stellen fast 4x erhöhtes störsignalisierendes Verhältnis für das Q-Kontrollierte Bild dar. 15μm Scans. Zusammenfassung Scannende Tunnelbaumikroskopie produzierte drastische Bilder von Atomgittern und Atomkraftmikroskopie erweiterte die Technologie zu den nicht leitfähigen Oberflächen. Entwicklung von Atomkraftmikroskopen hat Wissenschaftler und Ingenieuren erlaubt, Zelle und Sonderkommando mit beispielloser Auflösung und ohne den Bedarf an der rigorosen Probenaufbereitung zu sehen. Einige Fortschritte haben weiter das Hilfsprogramm dieser Technik auf eine große Auswahl von Anwendungen ausgedehnt. TappingMode ermöglicht Darstellung von weichen Materialien ohne Schaden der Probe und LiftMode erlaubt unterschiedliche aber simultane Darstellung der Topographie und andere Parameter, wie magnetische oder elektrische Kräfte, ohne Kreuzkontamination. PhaseImaging hat die Fähigkeit für das Abbilden von kompositionellen Oberflächenvarianten erschlossen. Neue Scannen- und Maßtechnologien haben die Reichweite der Maße erweitert und folglich weiter das Hilfsprogramm von FLUGHANDBUCH für eine breite Vielzahl von Anwendungen erhöht. Diese Entwicklungen haben FLUGHANDBUCH, in einige kurze Jahre, von einer Laborneugier bis eine der stärksten, flexibelsten und weit verbreiteten Technologien für Oberflächenkennzeichnung genommen. |