DE19531465C2 - Rastersonde für die optische Nahfeldmikroskopie - Google Patents

Description

Es ist allgemein bekannt, die Auflösungsgrenze der Lichtmikroskopie dadurch zu überwinden, daß mit Aperturen wesentlich kleiner als die Wellenlänge des Lichtes im Nahfeld der Oberfläche gearbeitet wird.

Mit der Entwicklung der Tunnelmikroskopie wurden Voraussetzungen für Oberflächenmessungen im Nanometerbereich geschaffen.

Bei der Tunnelmikroskopie wird mittels Piezostelltechnik eine Spitze in einem Bereich kleiner 1 nm an eine leitfähige Probenoberfläche gebracht. Wird zwischen Spitze und Probenoberfläche eine elektrische Spannung angelegt, so beginnt ein Tunnelstrom in nA-Größenordnung zu fließen. Eine Veränderung des Spaltes zwischen Spitze und Probenoberfläche von z. B. 0,1 nm bewirkt eine Veränderung des Tunnelstroms um eine Größenordnung. Diese starke Abstandsabhängigkeit wird ausgenutzt, um die Nadel mittels Piezostelltechnik der Probenoberfläche nachzuführen.

G. Binnig, H. Rohrer, "Scanning tunneling microscopy - from birth to adolescence", Rev. Mod. Phys. 59 (1987) 3, pp. 615-625.

Aus dem US-Patent 4 604 520 zur optischen Nahfeldmikroskopie ist bekannt, eine Apertur von 20 nm dadurch zu gewinnen, daß eine transparente pyramidale Kristallecke metallbeschichtet und die Spitze z. B. durch Ionenätzen wieder freigelegt wird. Das aus der Apertur austretende Licht durchstrahlt das Objekt oder wird an ihm reflektiert und von einem lichtempfindlichen Detektor als Meßsignal erfaßt. Die Führung der Sonde über die Objektoberfläche erfolgt mechanisch wie beim Profilometer oder interferometrisch, kapazitiv oder über das evaneszente elektromagnetische Feld.

Der Nachteil dieser Methoden besteht u. a. in der aufwendigen Sonderpräparation und Sondenführung.

Gemäß US 5 354 985 wird eine Sonde mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 für die optische Nahfeldmikroskopie vorgeschlagen, bei der das Licht über mikroskopische Wellenleiter der Sondenspitze zugeführt wird. Die Sondenspitze, ausgebildet als Apertur-Blende, weist eine ummantelte Metallschicht auf, wobei die für das austretende Licht angeordnete Öffnung kleiner λ/2 ist.

Durch Reflexionen und Absorptionen an der Apertur treten starke Intensitätsverluste auf, die die Empfindlichkeit der Sonde stark verringern.

Eine weitere optische Nahfeldmikroskopie-Methode ist aus EP 0 545 538 A1 bekannt geworden. Dabei wird eine Monomode-Glasfaser zu einer feinen Spitze ausgezogen und durch Bedampfungstechniken metallummantelt. Eine Apertur für den Lichtdurchtritt wird an der Faserspitze freigehalten. Die Führung der Sonde über die Objektoberfläche erfolgt dadurch, daß die Glasfaserspitze von einem Piezoröhrchen in laterale Schwingungen versetzt wird, diese Schwingungen durch die Nähe der Objektoberfläche gedämpft werden und die Schwingungsdämpfung von einem zusätzlichen optischen System gemessen wird. Die Meßsignale des optischen Systems dienen der Sondenführung. Ein photoempfindlicher Detektor erfaßt das das Objekt transmittierende oder das von diesem reflektierende Licht und bildet das Meßsignal.

Sowohl diese, als auch alle bekannten technischen Lösungen der Sonden nahfeldoptischer Rastermikroskope besitzen den Nachteil, daß die erreichbaren Lichtintensitäten relativ gering sind und deshalb zu langsamen Scannzeiten eines Bildes führen.

Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Rastersonde im Hinblick auf ihre Meßdynamik und Empfindlichkeit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine hohe Lichtintensität erreicht, wodurch sich die Zeiten für das Scannen eines mikrooptischen Bildes verkürzen.

Der Querschnitt des optischen Wellenleiters kann sehr gering sein, wodurch eine lokale Beleuchtung eines Objektes mit großer Lichtstärke oder die lokale Erfassung der Lichtintensität im Nahfeld eines Objektes mit geringen optischen Verlusten möglich ist.

Die erfindungsgemäße mikrooptische Sonde soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Bei der in der Figur schematisch dargestellten mikrooptischen Sonde sind der Übersichtlichkeit wegen einzelne Teile nicht in den tatsächlich vorteilhaften Größen zueinander wiedergegeben.

Mit der mikrooptischen Sonde können die optischen Eigenschaften eines Objektes 1 gemessen werden. Ein optischer Wellenleiter 4, ein Dünnschicht-Wellenleiter, besteht aus dem für die verwendete Wellenlänge transparenten und besonders hochbrechenden Material Siliziumkarbid (SiC). Eine dem Objekt 1 zugewandte Mikrotastspitze 2 des optischen Wellenleiters 4 besitzt in den beiden zur Lichtausbreitung senkrechten Richtungen jeweils eine Breite, die etwa gleich der halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes, dividiert durch den Brechungsindex n des Materials des optischen Wellenleiters 4 ist. Der optische Wellenleiter 4 ist mit einem piezoelektrischen Erreger 3 mechanisch gekoppelt. Das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters 4 ist mit einer Lichtquelle 5 optisch über eine Lichtleitfaser 6 gekoppelt. Ein optisches System, bestehend aus der Lichtleitfaser 6 mit einem Faserkern 8 ist zur Vermeidung größerer Koppelverluste mit einem linsenförmigen Teil 7 versehen. Dadurch wird das Licht der Lichtquelle 5 auf das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters 4 fokussiert. Der piezoelektrische Erreger 3 besitzt die geometrische Form eines Balkens, der in seinem Mittelteil im Bereich des Schwingungsknotens gehaltert ist. Er wird durch die beiden Schichten 9, 10 gebildet, die aus Aluminiumnitrid (AlN) bestehen. Das AlN besitzt eine niedrigere Brechzahl als das SiC. Der optische Wellenleiter 4 ist innerhalb des piezoelektrischen erregers 3 zwischen den piezoelektrischen Schichten 9, 10 angeordnet und besitzt außerhalb des piezoelektrischen Erregers 3 objektseitig einen kegelförmigen Bereich 11, der das Licht in die Mikrotastspitze 2 überführt. Der piezoelektrische Erreger 3 wird mittels der Elektroden 12, 13 zu Schwingungen angeregt. Die Länge L des piezoelektrischen Erregers 3 ist so gewählt, daß sie in etwa einer viertel Wellenlänge der akustischen Welle des piezoelektrischen Erregers 3 bei vorgegebener Anregungsfrequenz entspricht. Auf diese Weise wird eine Längsresonanz des piezoelektrischen Erregers 3 parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes ermöglicht. Die Länge L ergibt sich dabei nährungsweise nach der Formel L=c/(4f), wobei c die Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Erreger 3 und f die Frequenz der piezoelektrisch angeregten Schwingung ist. Bei einer Arbeitsfrequenz von f=50 MHz und einer Schallgeschwindigkeit von c=2,5 · 10³ m/s für AIN ergibt sich eine Länge L=12,5 µm für den piezoelektrischen Erreger. Die elektrischen Zuleitungen 14, 15 für die Elektroden 12, 13 des piezoelektrischen Erregers 3 sind über Kontaktinseln 16 angeschlossen. Die gesamte Anordnung befindet sich auf einem Substrat 17 aus Silizium (Si).

Das Substrat 17 kann beispielsweise eine Fläche von ca. 1 mm² und eine Dicke von ca. 300 µm besitzen.

Die Fixierung der Lichtleitfaser 6 auf dem Si-Substrat 17 erfolgt durch eine in das Substrat eingeätzte V-förmige Nut.

Der piezoelektrische Erreger 3 und der dem Objekt zugewandte Teil des Lichtwellenleiters 2, 11 bestehen aus freitragenden Schichten, um die freie Schwingung des Piezoresonators zu gewährleisten.

Claims (6)

1. Rastersonde für die optische Nahfeldmikroskopie,

• - mit einem optischen Dünnschicht-Wellenleiter (4 ),
• - der an seinem objektseitigen Ende eine konisch zulaufende Tastspitze (11) aufweist, die in das optische Nahfeld einer zu untersuchenden Probe eintaucht und Lichtenergie von der Probe aufnimmt oder an diese abgibt,
• - und der piezoelektrisch angetrieben mit seiner Resonanzfrequenz schwingt,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Dünnschicht-Wellenleiter (4) breitseitig zwischen zwei Begrenzungsschichten (9, 10) mit einem niedrigeren Brechungsindex als derjenige des Dünnschicht-Wellenleiters (4) eingebracht ist,
• - welche als piezoelektrische Schichten (9, 10) ausgebildet sind und die mechanische Resonanzschwingung des Dünnschicht-Wellenleiters (4) erzeugen,
• - und daß der Dünnschicht-Wellenleiter (4) zusammen mit den beiden Begrenzungsschichten (9, 10) mittig gehalten ist und dort einen Schwingungsknoten aufweist.

2. Rastersonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnschicht-Wellenleiter (4) an seinem objektabgewandten Ende optisch an eine Lichtleitfaser (6) gekoppelt ist, deren Faserkern zu dem Wellenleiter (4) hin mit einer Linse (8) versehen ist.

3. Rastersonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnschicht-Wellenleiter (4) aus SiC und die beiderseitigen Begrenzungsschichten (9, 10) aus AlN bestehen.

4. Rastersonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der objektabgewandten Seite des Dünnschicht-Wellenleiters (4) eine Halbleiterdiode ausgebildet ist.

5. Rastersonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, daß der Dünnschicht-Wellenleiter (4) aus dotiertem Halbleitermaterial besteht.