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Dokumentenidentifikation DE69817239T2 01.07.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000864899
Titel Optisches Nahfeld-Rastermikroskop
Anmelder Seiko Instruments Inc., Chiba, JP
Erfinder Tomita, Eisuke, Chiba-shi, Chiba, JP
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Aktenzeichen 69817239
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, IT, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.03.1998
EP-Aktenzeichen 983018086
EP-Offenlegungsdatum 16.09.1998
EP date of grant 20.08.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.07.2004
IPC-Hauptklasse G02B 21/00
IPC-Nebenklasse G01B 7/34   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Nahfeld-Rastermikroskop mit einer optischen Auflösung kleiner als eine Wellenlänge, und insbesondere auf ein optisches Nahfeld-Rastermikroskop für die Beobachtung einer lokal angeregten Emission von Licht von einer Halbleitervorrichtung oder dergleichen unter Niedertemperaturbedingungen.

Ein sogenanntes optisches Nahfeld-Rastermikroskop war als optisches Mikroskop mit einer optischen Auflösung kleiner als die Wellenlänge bekannt. Beispiele für diese Art von Mikroskop sind beschrieben in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr.291310/1992 mit dem Titel "Near-Field Scanning Optical Microscope and its Applications", von Robert Erik Betzig, und in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr.50750/1994 mit dem Titel "Scanning Microscope Including Forcedetecting Means", von Robert Erik Betzig. Ein Beispiel eines optischen Niedertemperatur-Nahfeld-Rastermikroskops, das eine Probe kühlen kann, ist offenbart in Rev. Sci. Instrum. 65(3), 1994, S. 626–631, von Robert D. Grobner u. a. Ein Beispiel eines optischen Nahfeld-Mikroskops, das einen Quarzoszillator verwendet, ist offenbart in Appl. Phys. Lett. 66(14), 1995, S. 1842–1844, von Kaled Karai u. a. Diese Instrumente werden im folgenden kurz dargestellt.

Das optische Nahfeld-Rastermikroskop ist auch als NSOM bekannt. 2 ist eine schematische Ansicht eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops des Standes der Technik. Die Spitze einer Lichtleitfaser 310 wird zu einer konischen Form 70 bearbeitet. Eine Öffnung kleiner als eine Wellenlänge wird an der zulaufenden Spitze des Fühlers ausgebildet. Eine Probenbühne 20 ist auf einer XYZ-Bühne 50 platziert. Eine Probe 30 wird auf die Probenbühne gesetzt. Sie wird unter Verwendung einer XYZ-Feinbewegungsvorrichtung 40 dicht an der Probenoberfläche gehalten, wobei ein bestimmter Bereich im Raster abgetastet wird. Der Lichtleitfaserfühler 70 wird parallel zur Probenoberfläche unter Verwendung einer Feinbewegungsrichtung 40 bewegt. Eine horizontale Kraft von der Probenoberfläche, oder eine Scherkraft, wirkt auf die Spitze des Fühlers. Somit verändert sich der Schwingungszustand des Fühlers. Um den Schwingungszustand des Fühlers 70 zu messen, wird (nicht gezeigtes) Laserlicht, das für die Positionsregelung verwendet wird, auf die Spitze des Fühlers gerichtet, wobei der Schatten des Fühlers 70 mittels einer Linse 90 und eines Photodetektors 80 erfasst wird. Der Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitze des Fühlers wird unter Verwendung der Feinbewegungsrichtung 40 so geregelt, dass die Scherkraft konstant gehalten wird, d. h. die Rate, mit der die Amplitude oder Fase variiert, wird konstant gehalten. Die Scherkraft fällt mit dem Abstand von der Probe stark ab. Dies wird genutzt, um den Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitze des Fühlers in der Größenordnung von Nanometern konstant zu halten. Unter dieser Bedingung wird Laserlicht 60 unter Verwendung einer Linse 150 in die Faser 310 geleitet, um die Probenoberfläche aus der Öffnung an der Spitze zu beleuchten. Ein Teil des Lichts, das reflektiert oder durchgelassen wird, wird mittels herkömmlicher Optik (nicht gezeigt) erfasst. Soweit beschrieben worden ist, hängt die Auflösung eines NSOM von der Abmessung der Öffnung an der Spitze des Fühlers ab. Da es einfach ist, Öffnungen kleiner als die Wellenlänge (z. B. kleiner als 100 nm) auszubilden, kann eine hohe Auflösung kleiner als die Wellenlänge verwirklicht werden.

3 ist eine schematische Ansicht des optischen Nahfeldmikroskops des Standes der Technik. C ist eine Probe und ein piezoelektrischer Abtasten zum Abtasten der Probe. D ist ein Lichtleitfaserfühler und eine piezoelektrische Vorrichtung für Schwingungen. Der Lichtleitfaserfühler ist zu einer Pegelform verarbeitet und mit einer Öffnung kleiner als die Wellenlänge in seiner Spitze versehen. Der Lichtleitfaserfühler schwingt parallel zur Probenoberfläche, wobei die piezoelektrische Vorrichtung für Schwingungen verwendet wird. Eine horizontale Kraft von der Probenoberfläche, oder eine Scherkraft, wirkt auf die Spitze des Fühlers. Somit variiert der Schwingungszustand des Fühlers. Um den Schwingungszustand des Fühlers zu messen, wird (nicht gezeigtes) Laserlicht verwendet. A ist ein Diodenlaser. B ist eine Linse. F ist ein Photodioden-Detektor. Das Laserlicht für die Positionsregelung wird auf die Spitze des Lichtleitfaserfühlers gerichtet. Der Schatten des Fühlers wird mittels der Linse und des Detektors erfasst.

Der Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitze des Fühlers wird unter Verwendung des piezoelektrischen Abtasters C so geregelt, dass die Scherkraft konstant gehalten wird, d. h. die Rate, mit der die Amplitude oder Fase variiert, wird konstant gehalten. Die Scherkraft fällt mit dem Abstand von der Probe schnell ab. Dies wird genutzt, um den Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitze des Fühlers in der Größenordnung von Nanometern konstant zu halten. Unter diesen Bedingungen wird (nicht gezeigtes) Laserlicht, das für die optische Nahfeldmessung verwendet wird, in die Faser D geleitet, um die Probenoberfläche aus der Öffnung der Spitze zu beleuchten. Ein Teil des reflektierten Lichts wird durch (nicht gezeigte) herkömmliche Optik erfasst. Die Auflösung hängt von der Abmessung der Öffnung an der Spitze des Fühlers ab. Da es einfach ist, Öffnungen kleiner als die Wellenlänge (z. B. kleiner als 100 nm) auszubilden, kann eine hohe Auflösung kleiner als die Wellenlänge verwirklicht werden. Ein Kälteregler wird verwendet, um die Probe zu kühlen. E ist eine Kammer und ein optisches Fenster im Kälteregler. Durch Platzieren der Probe innerhalb des Kältereglers kann die Probe auf die Temperatur flüssigen Heliums heruntergekühlt werden. Diese Struktur erlaubt eine optische Nahfeldmessung, während die Probe gekühlt wird.

4 ist eine schematische Ansicht des Hauptabschnitts des "optischen Nahfeldmikroskops, das einen "Quarzoszillator" des Standes der Technik verwendet. Mit 400 ist ein Lichtleitfaser-Fühler bezeichnet. Mit 410 ist ein Quarzoszillator bezeichnet. Der Lichtleitfaser-Fühler ist mit dem Quarzoszillator verklebt, der durch eine (nicht gezeigte) piezoelektrische Vorrichtung für Schwingungen zum Nachschwingen veranlasst wird. Die Schwingung des Quarzoszillators lässt den Lichtleitfaser-Fühler schwingen. Wenn die Spitze des Fühlers nah an die Probe kommt, wirkt eine horizontale Kraft von der Probenoberfläche, oder eine Scherkraft, auf die Spitze des Fühlers, wodurch der Schwingungszustand des Quarzoszillators verändert wird. Der Schwingungszustand des Quarzoszillators wird gemessen, in dem die durch den piezoelektrischen Effekt des Quarzes erzeugte elektrische Ladung gemessen wird. Der Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitzes des Fühlers wird unter Verwendung einer (nicht gezeigten) piezoelektrischen Abtastvorrichtung so geregelt, dass die Scherkraft konstant gehalten wird, d. h. die Rate, mit der die Amplitude oder Fase variiert, wird konstant gehalten. Die Scherkraft fällt mit dem Abstand von der Probe schnell ab. Dies wird genutzt, um den Abstand zwischen der Probeoberfläche und der Spitze des Fühlers in der Größenordnung von Nanometern konstant zu halten.

Das obenbeschriebene Nahfeld-Rastermikroskop des Standes der Technik weist folgende Nachteile auf. In der optischen Nahfeld-Rastermikroskopie (NSOM) wird Laserlicht auf die Probenoberfläche nach der Spitze des optischen Fühlers gerichtet, wobei ein Bild (Schatten) der Spitze des Fühlers anhand des reflektierten Lichts erfasst wird, um die Scherkraft zu erfassen. Die Menge des reflektierten Lichts wird daher leicht durch die Topographie der Probenoberfläche und durch die Reflektivität beeinflusst. Somit ist es schwierig, die Amplitude der Schwingung zu messen, wobei es schwierig ist, die Oberflächenkontur genau zu messen. Ferner ist es nicht einfach, das Laserlicht auszurichten, so dass sich bei der Reproduzierbarkeit der Daten Probleme ergeben. Ferner wird der gemessene Bereich auf der Probenoberfläche mit dem Laserlicht beleuchtet, das für die Erfassung der Scherkraft verwendet wird, sowie mit dem Anregungslicht vom optischen Fühler. Dies erhöht das Hintergrundrauschen. Außerdem ist es schwierig, das Rauschen zu beseitigen. In der spektroskopischen Messung ist unmöglich, Wellenlängen nahe der Wellenlänge des für die Scherkraft verwendeten Laserlichts zu messen. Außerdem ist eine Lichtleitfaser oder dergleichen erforderlich, um das für die Scherkraft verwendete Laserlicht zu beseitigen. Dies führt zu einer Verringerung der Menge des emittierten Lichts, das zur Erfassung beiträgt. Als Ergebnis wird der Störabstand der Daten verschlechtert.

Das optische Niedertemperatur-Nahfeld-Rastermikroskop verwendet Laser für die Erfassung einer Scherkraft in der selben Weise wie das obenbeschriebene optische Nahfeld-Rastermikroskop (NSOM). Dies macht es schwierig, die Amplitude der Schwingung zu messen. Außerdem ist es schwierig, die Oberflächentopographie genau zu messen. Ferner ist es nicht einfach, das Laserlicht auszurichten. Die Daten werden mit einer unzureichenden Reproduzierbarkeit reproduziert. Ferner wird der gemessene Bereich der Probenoberfläche mit dem Laserlicht beleuchtet, das für die Scherkraft verwendet wird, sowie mit Anregungslicht vom optischen Fühler. Dies erhöht das Hintergrundrauschen. In der spektroskopischen Messung ist es unmöglich, Wellenlängen nahe der Wellenlänge des für die Scherkraft verwendeten Laserlichts zu messen. Außerdem ist eine Lichtleitfaser oder dergleichen erforderlich, um das für die Scherkraft verwendet Laserlicht zu beseitigen. Dies führt zu einer Verringerung der Menge des emittierten Lichts, das zur Erfassung beiträgt. Als Ergebnis verschlechtert sich der Störabstand der Daten. Die Probe wird innerhalb des Kältereglers positioniert, während die Optik einschließlich des Laserlichts für die Erfassung einer Scherkraft außerhalb des Kältereglers platziert ist. Daher dämpft das optische Fenster tendenziell die Menge des Laserlichts. Folglich wird die Messung erschwert. Außerdem veranlasst der Fluss von Niedertemperatur-Heliumgas oder von flüssigen Helium das Laserlicht, zu schwanken. Folglich ist es schwierig, die Position des optischen Fühlers zu regeln. Ferner ist es schwierig, die Aberration zu beseitigen, da ein Lichtsammelsystem verwendet wird, das reflektierende Spiegel nutzt. Folglich hat das Verschleiern des Bildes Probleme bereitet.

In dem optischen Nahfeldmikroskop, das einen Quarzoszillator verwendet, ist der Abschnitt, an dem der Quarzoszillator und die Lichtleitfaser miteinander verklebt sind, tendenziell ein mikroskopischer Bereich (z. B. ein quadratischer Bereich von etwa 100 &mgr;m im Quadrat). Es ist schwierig, die Verbindungsoperation durchzuführen. Ferner werden die Eigenschaften der Quarzoszillatorvorrichtung leicht durch die Klebstoffmenge, die Härte, den Ort, an dem diese verklebt werden, und andere Faktoren beeinflusst. Somit ist es schwierig, einen Oszillatorsensor mit hoher Reproduzierbarkeit zu erhalten. Aus diesen Gründen war es schwierig, das Instrument in industriellen Anwendungen zu verwenden. Wenn der optische Fühler ausgetauscht wird, muss auch der Quarzoszillator ausgetauscht werden. Dies erhöht die Kosten. Außerdem war es unmöglich, eine optische Nahfeldmessung mit hoher Reproduzierbarkeit durchzuführen.

Ein optisches Nahfeld-Rastermikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt einen Lichtwellenleiter-Fühler, der mit einem mikroskopischen Öffnungsabschnitt mit einem Durchmesser von weniger als einer Wellenlänge an seiner Spitze versehen ist, einen Schwingungsbeaufschlagungsabschnitt, der einen piezoelektrischen Schwingungskörper und einen Wechselspannungserzeugungsabschnitt umfasst, ein Grobverschiebungsmittel, um den Lichtwellenleiter-Fühler nahe an einer Oberfläche einer Probe zu bringen, ein optisches Erfassungsmittel, das Linsen und einen Photodetektor umfasst, ein Probe-Zu-Fühler-Abstandskontrollmittel, das eine Z-Bewegung-Feineinstellungsvorrichtung und eine Z-Servoschaltung umfasst, ein zweidimensionales Abtastmittel, das eine XY-Feinbewegungsvorrichtung und eine XY-Abtastschaltung umfasst, und ein Datenverarbeitungsmittel zum Umsetzen eines Messsignals in ein dreidimensionales Bild. Dieses Mikroskop ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter-Fühler mittels Federdruck eines elastischen Körpers an einem Quarzoszillator gehalten wird. Aufgrund dieser Struktur wird ein optisches Nahfeld-Mikroskop mit einer hohen Auflösung kleiner als die Wellenlänge geschaffen, das zu einer Messung einer lokal angeregten Lichtemission fähig ist. Durch Hinzufügen eines Mittels zum Kühlen der Probe zum optischen Nahfeld-Rastermikroskop wird ein optisches Nahfeldmikroskop mit einer hohen Auflösung kleiner als die Wellenlänge bei niedrigen Temperaturen geschaffen, das zu einer Messung einer lokal angeregten Lichtemission fähig ist.

Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 eine schematische Ansicht eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops ist, das die vorliegende Erfindung verkörpert;

2 eine schematische Ansicht eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops des Standes der Technik ist;

3 eine schematische Ansicht eines optischen Niedertemperatur-Nahfeld-Rastermikroskops ist;

4 eine schematische Ansicht eines optischen Nahfeldmikroskops ist, das einen Quarzoszillator verwendet;

5 eine schematische Ansicht der Ausführungsform 1 eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung ist;

6 eine schematische Ansicht der Ausführungsform 2 eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und

7 eine schematische Ansicht der Ausführungsform 3 eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

1 ist eine schematische Ansicht eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops, das die vorliegende Erfindung verkörpert.

Das optische Nahfeld-Rastermikroskop gemäß der vorliegenden Erfindung erfasst einen Lichtwellenleiter-Fühler 1, einen Schwingungsbeaufschlagungsabschnitt, der einen piezoelektrischen Schwingungskörper 2 und ein Wechselspannungserzeugungsmittel 3 umfasst, einen Schwingungserfassungsabschnitt, der einen Quarzoszillator 4 und eine Strom/Spannung-Verstärkerschaltung 5 umfasst, ein Grobverschiebungsmittel 6, um den Lichtwellenleiter-Fühler nahe an die Probenoberfläche zu bringen, ein optisches Erfassungsmittel, das aus Linsen 7, 8 und einem Photodetektor 9 besteht, ein Probe-Zu-Fühler-Abstandskontrollmittel, das eine Z-Achsen-Feinbewegungsvorrichtung 11 und eine Z-Servoschaltung 12 umfasst, ein zweidimensionales Abtastmittel, das eine XY-Feinbewegungsvorrichtung 13 und eine XY-Abtastschaltung 14 umfasst, und ein Datenverarbeitungsmittel 15 zum Umsetzen eines Messsignals in ein dreidimensionales Bild. Der Fühler 1 weist einen mikroskopischen Öffnungsabschnitt an seiner Spitze auf, wobei der Öffnungsabschnitt einen Durchmesser kleiner als die Wellenlänge aufweist. Ein elastischer Körper 16 erzeugt einen Federdruck, der den Lichtwellenleiter 1 am Quarzoszillator 4 hält.

Wenn der Lichwellenleiter-Fühler, der horizontal schwingt, dicht an die Probenoberfläche gebracht wird, wirkt eine Scherkraft eine Spitzes des Fühlers. Dies reduziert die Schwingungsamplitude. Der Fühler und der Quarzoszillator sind mittels Federdruck aneinander befestigt und arbeiten somit als eine Einheit. Die Verringerung der Schwingungsamplitude des Fühlers führt daher zu einer Verringerung der Schwingungsamplitude des Quarzoszillators. Dies reduziert wiederum den Ausgangsstrom, der von der Strom/Spannung-Verstärkerschaltung erfasst wird. Der Abstand zwischen der Probe und dem Fühler wird mit der Z-Achsen-Feinbewegungsvorrichtung und der Z-Servoschaltung geregelt, um den Ausgangsstrom vom Quarzoszillator konstant zu halten. Auf diese Weise wird die Spitze des Fühlers in einem konstanten Abstand von der Probenoberfläche gehalten. Unter diesen Bedingungen wird Licht für die Anregung der Probe in den Lichtwellenleiter-Fühler geleitet. Ein lokaler Bereich auf der Probenoberfläche wird mit dem Licht aus der Öffnung an der Spitze des Fühlers beleuchtet, oder das Licht von der Probe wird durch den optischen Fühler aufgenommen. Der optische Aufnehmer wird in zwei Dimensionen über der Probenebene abgetastet, um ein dreidimensionales Bild zu erzeugen. Ferner ist ein Mittel zum Kühlen der Probe enthalten. Somit kann das optische Nahfeld-Rastermikroskop bei niedrigen Temperaturen arbeiten.

Der Abstand zwischen dem Lichtwellenleiter-Fühler und der Probe wird unter Verwendung der Amplitude der Schwingung des Quarzoszillators geregelt, wie oben beschrieben worden ist. Dies erübrigt den Laser, der normalerweise für die Positionsregelung verwendet wird, wie z. B. im optischen Nahfeld-Rastermikroskop (NSOM) oder im optischen Niedertemperatur-Nahfeld-Rastermikroskop. Als Ergebnis können verschiedene Probleme umgangen werden. Wenn z. B. die Position des Laserlichts und die Menge des reflektierten Lichts variieren, würden die Daten ungenau werden. Eine Schwankung des Heliumgases oder des flüssigen Heliums würde das Laserlicht variieren und die Daten modifizieren. Ferner ist der Laser für die Positionsregelung nicht auf die Probenoberfläche gerichtet. Somit wird das Hintergrundrauschen während der optischen Nahfeldmessung nicht erhöht. Während der spektroskopischen Messung wird Licht mit der Wellenlänge des Lasers für die Positionsregelung entfernt, so dass keine Lichtleitfasern mehr erforderlich ist. Dies stellt einen weiten Bereich von Wellenlängen für die spektroskopischen Daten sicher. Ferner werden Verringerungen der Menge des erfassten Lichts verhindert; andernfalls würde sich der Störabstand der Daten verschlechtern. Der Federdruck des elastischen Körpers verankert den Lichtwellenleiter-Fühler am Quarzoszillator. Im optischen Nahfeldmikroskop, das einen Quarzoszillator verwendet, würden die Daten durch die Weise, in der diese verklebt sind, beeinflusst. Beim Austauschen des Fühlers ist es nur erforderlich, den Fühler zu ersetzen. Folglich kann der selbe Quarz verwendet werden. Die Reproduzierbarkeit der Messbedingungen und die Reproduzierbarkeit der Daten können verbessert werden. Außerdem bewirkt der Austausch nur des Fühlers eine Kostensenkung. Zusätzlich wird die Verklebung, die schwierig durchzuführen ist, unnötig. Folglich ist das Instrument sehr einfach zu handhaben. Das Einbauen des Mittels zum Kühlen der Probe ergibt ein optisches Nahfeld-Rastermikroskop, das bei niedrigen Temperaturen arbeitet. Das Weglassen des Lasers, der für die Positionsregelung verwendet wird, kann die Genauigkeit der Daten und die Reproduzierbarkeit verbessern. Außerdem kann der Störabstand von spektroskopischen Daten während der optischen Nahfeldmessung unter Niedertemperaturbedingungen verbessert werden. Außerdem kann der Bereich der gemessenen Wellenlängen erweitert werden.

Im folgenden werden Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben.

[Erste Ausführungsform]

5 ist eine schematischen Ansicht der Ausführungsform 1 eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops gemäß der Erfindung. Dieser Ausführungsform ergibt ein optisches Transmissionstyp-Nahfeld-Rastermikroskop, das bei niedrigen Temperaturen arbeitet.

Ein Quarzoszillator 4 und ein piezoelektrischer Oszillator 2 sind mittels Klebstoff mit einem Quarzoszillator-Halter 25 verbunden. Eine PZT-Vorrichtung in Form einer flachen Platte wird als piezoelektrischer Oszillator verwendet. Ein Quarzoszillator, der für eine Uhr oder Armbanduhr verwendet wird, wird für den obenerwähnten Quarzoszillator verwendet. Wenn eine Wechselspannung an die PZT-Vorrichtung angelegt wird, schwingt diese, was den Quarzoszillator veranlasst, zu schwingen. Wenn die Schwingungsfrequenz mit der Resonanzfrequenz (z. B. 32,7 kHz) in Übereinstimmung gebracht wird, kommt der Quarzoszillator in Resonanz. Der piezoelektrische Effekt induziert dann eine elektrische Ladung an den Elektroden des Quarzoszillators. Der resultierende Strom wird von einer Strom/Spannung-Verstärkerschaltung erfasst. Da ein Strom proportional zur Amplitude der Schwingung des Quarzoszillators erzeugt wird, kann der Schwingungszustand des Quarzoszillators anhand des erfassten Stroms gemessen werden. Ein zylindrischer PZT-Abtaster, eine laminierte PZT-Platte oder eine andere Struktur ist als piezoelektrischer Oszillator denkbar, ebenso wie die PZT-Platte. Diese sind alle durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Ferner können Quarzoszillatoren, die in anderen Anwendungen als Uhren und Armbanduhren verwendet werden, für den obenerwähnten Quarzoszillator gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Ein Lichfwellenleiter-Fühler 1 wird mittels Federdruck eines elastischen Körpers 16 an einem Quarzoszillator gehalten. Der verwendete Lichtwellenleiter-Fühler wird durch chemisches Ätzen der Spitze einer Einzelmodus-Lichtleitfaser, bearbeiten derselben zu einer Kegelform, und anschließendes Abschrägen des dünnen Aluminiumfilms mit Ausnahme eines Öffnungsabschnitts an der Spitze hergestellt. Es ist denkbar, dass eine Mehrmoden-Lichtleittaser oder eine zu einer Kegelform bearbeitete Glaspipette für den Lichtwellenleiter-Fühler verwendet wird. Dies ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Das Verfahren der Bearbeitung der Faser oder der Pipette zu einer Kegelform kann ein mechanisches Polieren und eine Erwärmungs-Streckungs-Verarbeitung, sowie ein chemisches Ätzen enthalten. Es ist denkbar, dass die dünne Metallbeschichtung aus einem Edelmetall (wie z. B. Gold oder Platin) einem mehrschichtigen Film, einem dünnen Legierungsmetall oder dergleichen, sowie aus Aluminium gefertigt wird. Dies ist alles durch vorliegende Erfindung abgedeckt. Die Öffnung wird so ausgebildet, dass sie kleiner ist als die Wellenlänge des für die Messung verwendeten Lichts. In der vorliegenden Erfindung wurde eine Öffnung kleiner als 100 nm ausgebildet. Wenn eine große Menge an Licht erforderlich ist, wird die Öffnung vorzugsweise auf etwa 150 bis 200 nm vergrößert. Wenn andererseits eine hohe Auflösung erforderlich ist, sind 20–50 nm wünschenswert. Es ist denkbar, dass eine Größe von 20–300 nm verwendet wird. Dies alles ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Eine aus rostfreiem Stahl hergestellte Plattfeder kann für den elastischen Körper verwendet werden. Da die Empfindlichkeit des Quarzoszillators gegenüber Kräften hoch ist, ist es wünschenswert, dass die Federkonstante des elastischen Körpers klein ist. In der vorliegenden Erfindung wird eine Auslegerfeder mit einer Dicke von 100 &mgr;m, einer Breite von 1 mm und einer Länge von 10 mm verwendet. Außerdem kann der elastische Körper eine Blattfeder aus Phosphorbronze, eine Schraubenfeder, verschiedene Arten von Gummi, wie z. B. Silikongummi, umfassen. Dies ist alles durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Ferner kann der Körper gehalten werden, in dem die Elastizität des Lichtwellenleiter-Fühlers selbst verwendet wird. Dies ist ebenfalls durch die Erfindung abgedeckt. Dort wo der Körper durch den Federdruck gehalten wird, wird dieser Druck unter Verwendung der Schwingungseigenschaften eines Quarzoszillators, d. h. des Q-Wertes, gemessen. Dort wo der Lichtwellenleiter-Fühler nicht gehalten wird, beträgt der Q-Wert des Quarzoszillators etwa z. B. 3.000. Dort wo der Lichtwellenleiter-Fühler mit einer Feder gehalten wird, beträgt der Q-Wert weniger als 500. Ein für das optische Nahfeld-Rastermikroskop bevorzugter Q-Wert beträgt etwa 100 bis 400. Der Federdruck wird so eingestellt, dass der Q-Wert in diesen Bereich fällt.

Der Quarzoszillator-Halter 25 wird an XYZ-Feinbewegungsvorrichtungen 11 und 13 gehalten. Eine zylindrische piezoelektrische Vorrichtung, in der X-, Y- und Z-Achsen-Abtaster zu einer Einheit kombiniert sind, wird für die jeweilige Feinbewegungsvorrichtung verwendet. Außerdem sind ein piezoelektrischer Abtaster, bei dem die Z-Achse von den X- und Y-Achsen getrennt ist, und elektrostriktive Vorrichtungen als Feinbewegungsvorrichtungen denkbar. Diese sind durch die Erfindung abgedeckt. Andere denkbare Strukturen umfassen Piezo-Bühnen, Bühnen, die parallele Bühnen verwenden, piezoelektrische Dreibeintyp-Vorrichtungen, in denen einachsige piezoelektrische Vorrichtungen jeweils auf den X-, Y- und Z-Achsen montiert sind, und laminare piezoelektrische Abtaster.

Ein Grobverschiebungsmittel 6 wird verwendet, um den Lichtwellenleiter-Fühler nahe an eine Probe 17 zu bringen. Eine Halbleiterdünnschicht, die Photolumineszenz erzeugt, wird als Probe verwendet. Andere Proben können anorganische Dünnschichten, biologische Proben und lichtdurchlassende organische Dünnschichten sein. Die Probe kann vorbereitet werden durch (i) Vakuumverdampfung, (ii) Dispergieren einer Probe in Form feiner Partikel in einem flüchtigen Lösungsmittel und Strecken der Probe auf einer Glasoberfläche, oder (i) durch CVD. Ein Grobverschiebungsmittel, das einen Schrittmotor und ein Untersetzungsgetriebe umfasst, eine Grobbewegungsschraube oder eine lineare Führung werden für das obenbeschriebene Grobverschiebungsmittel verwendet. Ein anderes Beispiel des Grobverschiebungsmittels kann eine Z-Bühne umfassen, die mit einem Schrittmotor ergänzt ist. Ein weiteres Beispiel umfasst eine Bühne, die piezoelektrische Vorrichtungen verwendet. Zum Beispiel ist es eine Bühne, bei der ein Raupenmechanismus oder eine Z-Bühne mit einer piezoelektrischen Vorrichtung kombiniert ist. Dies ist alles durch die vorliegende Erfindung abgedeckt.

Das von einer Laserlichtquelle 19 emittierte Laserlicht wird mittels einer Linse 21 fokussiert und in den Lichtwellenleiter-Fühler 1 geleitet. Das Laserlicht tritt aus der Öffnung an der Spitze des Fühlers 1 aus und beleuchtet die Probe 17. Ein Argon-Ionen-Laser mit einer Wellenlänge von 488 nm wird als Laserlichtquelle verwendet. Die Probe wird mit dem Laserlicht angeregt und veranlasst, mittels Photolumineszenz zu emittieren. Diese Emission tritt nur in der Umgebung der Öffnung an der Spitze des Fühlers auf. Das Licht wird mittels einer Linse 7, eines Spiegels 22 und einer Linse 8 fokussiert. Es ist denkbar, dass die Linse eine kombinatorische Linse sowie eine einfache Linse ist. Dies ist alles durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Ein Photomultiplizierer wird als Photodetektor verwendet. Andere denkbare Beispiele umfassen eine CCD-Vorrichtung, eine Silicium-Photodiode, eine Silicium-Lawinen-Photodiode und einen Germanium-Detektor. Dies ist alles durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Ein Signal vom Photodetektor 9 wird an ein Datenverarbeitungsmittel 15 zusammen mit den XY-Abtastsignalen angelegt. Somit wird ein dreidimensionales Bild erzeugt. Ein Computer und eine CRT-Anzeigevorrichtung werden als Datenverarbeitungsmittel verwendet. Verschiedene andere Verfahren sind denkbar. Zum Beispiel kann es eine Kombination aus einem Speicheroszilloskop, einem Computer und einer Flüssigkristallanzeige sein. Dies alles ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt.

Die Probentemperatur wurde unter Verwendung eines Kältereglers 18 bis nahe an die Temperatur flüssigen Heliums (z. B. 5°K) abgekühlt. Eine optische Messung wurde durch ein optisches Fensters 24 des Kältereglers durchgeführt. Der verwendete Kälteregler besitzt einen Kühlmechanismus, der eine Heliumgasströmung verwendet. Die Probentemperatur kann somit ausgehend von Raumtemperatur bis auf die Temperatur flüssigen Heliums in einer kurzen Zeitspanne (etwa 30 Minuten) heruntergekühlt werden. Andere denkbare Mittel zum Kühlen der Probe umfassen (i) Kühlen eines Metalls, wie z. B. Kupfer, und in Kontaktbringen der Probe mit dem Metall in Vakuum, um diese zu kühlen, und (ii) Verwenden einer mechanischen Kältemaschine, die die adiabatische Expansion von flüssigem Helium nutzt. Dies alles ist durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Unter Verwendung der bisher beschriebenen Struktur wird die Probentemperatur bis nahe an die Temperatur flüssigen Heliums heruntergekühlt. Unter dieser Bedingung wird Laserlicht auf die Probenoberfläche aus der Öffnung des Lichtwellenleiter-Fühlers, die kleiner als die Wellenlänge ist, gerichtet, um eine Lichtemission mittels Photolumineszenz anzuregen. Das Licht wird mittels der Linsen gesammelt und vom Photodetektor erfasst. Die Verteilung der Lichtemission innerhalb der Probenebene kann mit einer hohen Auflösung kleiner als die Wellenlänge gemessen werden.

[Ausführungsform 2]

6 ist eine schematische Ansicht der Ausführungsform 2 eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung. Die beschriebene Ausführungsform ist ein optisches Reflexionstyp-Nahfeld-Rastermikroskop, das bei niedrigen Temperaturen betrieben wird.

Eine Laserlichtquelle 19 wird mittels einer Kupplung 21 in den Lichtwellenleiter-Fühler 1 eingebaut. Aus der Öffnung an der Spitze des Lichtwellenleiters wird Licht auf die Probe 17 gerichtet. Lumineszenzlicht von der Probe wird mittels einer Linse 8 über eine Linse 7, Spiegel 23, 22 und ein optisches Fenster 24 fokussiert. Das Licht wird von einem Photodetektor 9 erfasst. Ein Datenverarbeitungsmittel 15 erzeugt ein dreidimensionales Bild. Der gemessene Bereich auf der Probenoberfläche wird bewegt, wobei z. B. eine XY-Bühne 26 verwendet wird. Eine piezoelektrisch angetriebene XY-Bühne wird für diese XY-Bühne verwendet. Eine andere denkbare XY-Bühne ist eine Bühne, die eine Kombination eines Schrittmotors und einer XY-Bühne umfasst. Dies ist alles durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Die anderen Strukturen sind dieselben wie die Inhalte der Ausführungsform 1. In der bisher beschriebenen Konfiguration wird das Laserlicht von der Öffnung des Lichtwellenleiters, die kleiner als die Wellenlänge ist, abgegeben, während die Probentemperatur bis nahe an die Temperatur flüssigen Heliums heruntergekühlt wird. Die Lichtemission wird mittels Photolumineszenz hervorgerufen. Das Licht wird von Linsen gesammelt und von einem Photodetektor erfasst. Die Verteilung der Lichtemission innerhalb der Probenebene kann mit einer hohen Auflösung kleiner als die Wellenlänge gemessen werden.

[Ausführungsform 3]

7 ist eine schematische Ansicht der Ausführungsform 3 eines optischen Nahfeld-Rastermikroskops gemäß der vorliegenden Erfindung. Die beschriebene Ausführungsform ist ein optisches Reflexionstyp-Nahfeld-Rastermikroskop, das bei niedrigen Temperaturen betrieben wird.

Das von einer Lichtquelle 19 emittierte Licht wird mittels eines optischen Modulators 27, der einen akustooptischen Modulator (AO-Modulator) umfasst, periodisch amplitudenmoduliert. Andere denkbare optische Modulatoren umfassen einen optischen Modulator (EO-Modulator), der ein elektrisches Feld verwendet, und mechanische Modulatoren, in denen ein optischer Zerhacken mittels eines Elektromotors gedreht wird. Dies ist alles durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Das modulierte Laserlicht wird mittels eines Kopplers 21 in den Lichtwellenleiter-Fühler 1 eingebracht. Das Licht wird aus der Öffnung aus der Spitze des Lichtwellenleiter-Fühlers auf die Probe 17 gerichtet. Lumineszenzlicht von der Probe wird mittels einer Linse 8 über eine Linse 7, Spiegel 23, 22 und ein optisches Fenster 24 gesammelt. Das Licht wird anschließend mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 31 in zwei Strahlen aufgeteilt, die in zwei Richtungen laufen. Die aufgeteilten Lichtstrahlen werden mittels eines Photodetektors 9 und eines Spektrometers 29 gemessen. In bestimmen Fällen kann der halbdurchlässige Spiegel durch einen dichroitischen Spiegel ersetzt werden. Um eine ausreichende Menge an Licht für spektroskopische Anwendungen sicherzustellen, ist es möglich, keine Spiegel zu verwenden. Das vom Photodetektor 9 erfasste Licht wird mit einem hohen Störabstand unter Verwendung eines Einrastverstärkers gemessen. Das resultierende Signal wird durch ein Datenverarbeitungsmittel 15 in ein dreidimensionales Bild umgesetzt. Der Messbereich auf der Probenoberfläche wird unter Verwendung eine XY-Bühne 26 für die Probe bewegt. Für diese XY-Bühne wird eine piezoelektrisch angetriebene Bühne verwendet. Eine andere denkbare XY-Bühne kann eine XY-Bühne sein, in der ein Schrittmotor mit einer XY-Bühne kombiniert ist. Dies ist ebenfalls durch die vorliegende Erfindung abgedeckt. Diese Ausführungsform ist den Inhalten der Ausführungsform 1 in den anderen Aspekten ähnlich.

In der obenbeschriebenen Struktur wurde das Laserlicht aus der Öffnung des Lichtwellenleiters kleiner als die Wellenlänge auf die Probenoberfläche gerichtet, während die Probentemperatur bis nahe an die Temperatur flüssigen Heliums heruntergekühlt wurde. Es wurde die Emission von Licht mittels Photolumineszenz hervorgerufen. Das Licht wurde mittels Linsen gesammelt und durch den Photodetektor erfasst. Die Verteilung der Lichtemission innerhalb der Probenebene konnte mit einer hohen Auflösung kleiner als die Wellenlänge gemessen werden, indem der Lichtwellenleiter-Fühler über die Probenebene abtastete.

Wie bisher beschrieben worden ist, umfasst diese Erfindung: einen Lichtwellenleiter-Fühler, der mit einem mikroskopischen Öffnungsabschnitt mit einem Durchmesser von weniger als einer Wellenlänge an seiner Spitze, und einem Schwingungsbeaufschlagungsabschnitt, der aus einem piezoelektrischen Schwingungskörper 2 und einem Wechselspannungserzeugungsabschnitt 3 besteht, versehen ist, ein Schwingungserfassungsmittel, das einen Quarzoszillator 4 und eine Strom/Spannung-Verstärkerschaltung 5 umfasst, ein Grobverschiebungsmittel 6, um den Lichtwellenleiter-Fühler dicht an eine Oberfläche einer Probe zu bringen, ein optisches Erfassungsmittel das Linsen 7, 8 und einen optischen Detektor 9 umfasst, ein Probe-zu-Fühler-Abstandskontrollmittel, das eine Z-Bewegungs-Feineinstellungsvorrichtung und eine Z-Servoschaltung umfasst, ein zweidimensionales Abtastmittel, das eine XY-Feinbewegungsvorrichtung und eine XY-Abtastschaltung umfasst, und ein Datenverarbeitungsmittel zum Umsetzen eines Messsignals in ein dreidimensionales Bild. Der Lichtwellenleiter-Fühler 1 wird mittels Federdruck eines elastischen Körpers 16 am Quarzoszillator 4 gehalten.

Wie oben beschrieben worden ist, wird der Abstand zwischen dem Lichtwellenleiter-Fühler und der Probe unter Verwendung der Schwingungsamplitude des Quarzoszillators geregelt. Dies erübrigt einen Laser, der für die Positionsregelung verwendet wird, der Laser, der in einem Nahfeld-Rasterelektronenmikroskop (NSOM) und in einem optischen Niedertemperatur-Nahfeld-Rastermikroskop verwendet wird. Es ist möglich, verschiedene Probleme zu vermeiden, wie z. B. Ungenauigkeiten der Daten auf Grund von Variationen der Position des Laserlichts und Variationen der Menge des reflektierten Lichts, sowie Änderungen der Daten auf Grund von Variationen des Laserlichts, die den Schwankungen von Heliumgas oder flüssigem Helium zuzuordnen sind. Ferner wird das Hintergrundrauschen während der optischen Nahfeldmessung nicht erhöht, da die Probenoberfläche nicht mit dem Laser für die Positionsregelung beleuchtet wird. Während einer spektroskopischen Messung erübrigt sich jegliche Lichtleitfaser für die Beseitigung des Lichts der Wellenlänge des Positionsregelungslasers. Dies stellt einen breiten Wellenlängenbereich für die spektroskopischen Daten sicher. Ferner werden Verringerungen der Menge des erfassten Lichts verhindert; ansonsten würde der Störabstand der Daten beeinträchtigt. Der Federdruck des elastischen Körpers hält den Lichtwellenleiter-Fühler am Quarzoszillator. Im optischen Nahfeld-Mikroskop des Standes der Technik, das einen Quarzoszillator verwendet, würden die Daten durch die Weise, in der diese verklebt sind, beeinflusst. Beim Austauschen des Fühlers ist es nur erforderlich, den Fühler zu ersetzen. Folglich kann derselbe Quarzoszillator verwendet werden. Die Reproduzierbarkeit der Messbedingungen und die Reproduzierbarkeit der Daten können verbessert werden. Außerdem werden durch den Austausch nur des Fühlers die Kosten gesenkt. Außerdem erübrigt sich die Klebeverbindung, die schwierig durchzuführen ist. Folglich ist das Instrument sehr einfach handhabbar. Das Einbauen des Mittels zum Kühlen der Probe schafft ein optisches Nahfeld-Rastermikroskop, das bei niedrigen Temperaturen arbeitet. Das Weglassen des für die Positionsregelung verwendeten Lasers kann die Genauigkeit der Daten und die Reproduzierbarkeit verbessern. Ferner kann der Störabstand der spektroskopischen Daten während der optischen Nahfeldmessung unter Niedertemperaturbedingungen verbessert werden. Außerdem kann der Bereich der gemessenen Wellenlängen erweitert werden.


Anspruch[de]
  1. Optisches Nahfeld-Rastermikroskop mit einem Lichtwellenleiter-Fühler, der mit einem mikroskopischen Öffnungsabschnitt mit einem Durchmesser von weniger als einer Wellenlänge an seiner Spitze, einem Schwingungsbeaufschlagungsabschnitt, der aus einem piezoelektrischen Schwingungskörper besteht, und einem Wechselspannungserzeugungsabschnitt versehen ist; einem Grobverschiebungsmittel, um den Lichtwellenleiter-Fühler nahe an eine Oberfläche einer Probe zu bringen; einem optischen Erfassungsmittel, das aus Linsen und einem Photodetektor besteht; einem Probe-zu-Fühler-Abstandskontrollmittel, das eine Z-Bewegung-Feineinstellungsvorrichtung und eine Z-Servoschaltung umfaßt; einem zweidimensionalen Abtastmittel, das eine XY-Feinbewegungsvorrichtung und eine XY-Abtastschaltung umfaßt; und einem Datenverarbeitungsmittel zum Umsetzen eines Meßsignals in ein dreidimensionales Bild, wobei der Lichtwellenleiter-Fühler mittels Federdruck eines elastischen Körpers an einem Quarzoszillator gehalten wird.
  2. Nahfeld-Rastermikroskop nach Anspruch 1, bei dem ferner ein Mittel zum Kühlen der Probe vorgesehen ist.
  3. Nahfeld-Rastermikroskop nach Anspruch 2, bei dem das Mittel zum Kühlen der Probe ein Kälteregler ist, der flüssiges Helium als Kältemedium verwendet.
  4. Nahfeld-Rastermikroskop nach Anspruch 3, bei dem ferner eine Laserlichtquelle vorgesehen ist, die in den Lichtwellenleiter-Fühler eingebaut ist und eine lokale Beleuchtung der Probenoberfläche von der Spitze des Lichtwellenleiter-Fühlers aus bewirkt.
  5. Nahfeld-Rastermikroskop nach Anspruch 4, bei dem ferner ein Mittel zum periodischen Modulieren des Laserlichts und ein Einrast-Erfassungsmittel vorgesehen sind.
  6. Nahfeld-Rastermikroskop nach Anspruch 4, bei dem ferner eine Probenbühne vorgesehen ist, die fähig ist, eine Meßposition auf der Probenoberfläche zu bewegen.
  7. Nahfeld-Rastermikroskop nach Anspruch 4, bei dem ferner Linsen zum Sammeln von Licht vorgesehen sind, das entweder durch die Probe durchgelassen worden ist oder von der Probenoberfläche reflektiert worden ist, wobei die Linsen in einer Probenkammer innerhalb des Kältereglers eingebaut sind.
  8. Nahfeld-Rastermikroskop nach Anspruch 4, bei dem ferner ein Mittel zum spektroskopischen Analysieren des von der Probe emittierten Lichts vorgesehen ist.
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen






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