DE68921008T2

DE68921008T2 - Photonenabtasttunneleffektmikroskop.

Info

Publication number: DE68921008T2
Application number: DE68921008T
Authority: DE
Inventors: Thomas L. Knoxville Tennessee 37932 Ferrell; Robin C. Louisville Tennessee 37932 Reddick; Robert J. Knoxville Tennessee 37932 Warmack
Original assignee: SIM D INVESTISSEMENT D Ste
Current assignee: SIM D INVESTISSEMENT D Ste
Priority date: 1988-10-21
Filing date: 1989-10-20
Publication date: 1995-07-20
Anticipated expiration: 2009-10-21
Also published as: BR8907735A; EP0439534A4; JPH04505653A; FI96990C; JP3095226B2; DE68921008D1; DK73491D0; DK73491A; NO911563L; RU94028284A; NO303247B1; DK170596B1; FI911922A0; US5018865A; FI96990B; AU4493089A; RU2049327C1; NO911563D0; AU623703B2; ATE118087T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Mikroskope, insbesondere auf optische Mikroskope mit Subwellenlängenauflösung. Die Erfindung bezieht sich ebenso auf Mikroskope, die ein Lichttunnelphänomen einsetzen.
Bis vor kurzem war die Auflösung optischer Mikroskope durch die Wellenlänge des verwendeten Lichtes begrenzt. Partikel kleiner als eine halbe Wellenlänge konnten nicht aufgelöst werden. Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie (TEM und SEM) wurden entwickelt, um Strukturen aufzulösen, die kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes sind; sie waren jedoch dadurch begrenzt, daß sie eine elektrisch leitende Probe voraussetzen.
Die Entwicklung der Rastertunnelmikroskopie gestattete es, Strukturen aufzulösen, die so klein wie einzelne Atome sind. Das ursprüngliche Rastertunnelmikroskop (STM) setzte Tunnelelektronen als Signalquelle im Mikroskop ein. Wie TEM und SEM, erforderte dies eine elektrisch leitende Probe zur Bereitstellung der Elektronen.
Es gab viele Versuche, die Nahfeldstrahlung von sichtbaren Lichtphotonen auszunutzen. Diese Nahfeld-Rastermikroskope (NFSM) richteten Licht auf eine mit einem Detektor verbunde Blende von einer Größe unterhalb der Wellenlänge. An der Blende wurde ein Nahfeld erzeugt, das mit einer Probe in Wechselwirkung trat, um ein moduliertes Nahfeld hervorzubringen, wenn die Blende nahe an die Probe herangebracht wurde. Dann würden Photonen aus dem modulierten Nahfeld detektiert.
Wenn die Blende sich über die Probe bewegt, würde sie somit die Modulationen des Nahfelds registrieren. Eine Rasterabtastung der Probe durch die Blende erzeugte ein Bild der Probe im abgetasteten Bereich. Es wurden Abwandlungen dieser Art von Mikroskop entwickelt, wie dies in einem Artikel "Collection mode near-field scanning optical microscopy" von Betzig et al. in Applied Physics Letters, Vol. 51, Nr. 25, 21. Dezember 1937, New York, Seiten 2088-2090, beschrieben ist. In jedem Falle wird jedoch das Nahfeldphänomen nahe einer Blende einer Größe unterhalb der Wellenlänge erzeugt und die nutzbare Größe des Nahfeldes liegt in sämtlichen Richtungen typischerweise im Bereich einer Wellenlänge. Aufgrund seiner kleinen Größe wird dieses Nahfeld typischerweise über die Probe gefahren.
Drei Verfahren wurden eingesetzt, um die Blende während der Abtastung nahe der Probe zu halten. So wurde eine Elektronentunnelrückkopplung zur Aufrechterhaltung von Abständen zwischen Blende und Probe von weniger als 1 nm verwendet. Dieses Verfahren erforderte eine Beschichtung sowohl der Probe (wenn die Probe nichtleitend war) wie auch der Blende mit einer dünnen (annnähernd 20 nm) Auflage aus leitfähigem Material (z.B. Gold). Bei einem zweiten Verfahren wurde eine Betriebsart mit konstanter Höhe eingesetzt. Die Blende wurde immer näher an die Probe herangebracht, bis die gewünschte Auflösung erreicht war. Im Einsatz war das Verfahren nur für flache Proben oder flache Bereiche aufgerauhter Proben einsetzbar. Das dritte Verfahren verwendete einen Kontaktbetrieb. Die Blende wurde solange angenähert, bis sie die Oberfläche berührte, ein Photonentunnelstrom wurde gemessen und die Blende wurde wieder zurückgezogen. Dieses Verfahren wurde wiederholt, während die Blende über die Probe gefahren wurde, und zwar ohne irgendeine Rückkopplungsquelle. Wiederum muß die Probe relativ flach und geeignet sein, dem Kontakt mit der Blende zu widerstehen.
Es gibt viele Arten von Proben, z. B. biologische Proben, die den mechanischen Druck eines Kontaktes in Nahfeld-Rastermikroskopen oder eine Beschichtung der Probe mit einer leitenden Oberfläche nicht überstehen. Darüber hinaus benötigen die Techniken, die eine Tunnelelektronenrückkopplung zur Aufrechterhaltung einer nahen Lage zur Probe einsetzen, auch Vakuumbedingungen für eine bestmögliche Ausnutzung des Tunnelns von Elektronen.
Aufgrund dessen ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zur hochauflösenden optischen Mikroskopie zur Verfügung zu stellen, die auf unterschiedliche Probenarten anwendbar ist, einschließlich solcher, die nicht-leitfähig, uneben oder von empfindlicher struktureller Zusammensetzung sind. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Mikroskopie unter einer Vielfalt von Umgebungsbedingungen bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Nahfeld-Mikroskopie zur Verfügung. Das Verfahren wendet ein Phänomen von probenmoduliertem Tunneln von Photonen in einem Nahfeld an, um Informationen über die Probe zu gewinnen.
In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Erfindung wird nahe einer Fläche ein Nahfeld erzeugt. Das Nahfeld weist eine Intensität auf, die senkrecht zu der und in Richtung auf die Oberfläche hin ansteigt und in einer zur Oberfläche im wesentlichen parallelen Ebene im wesentlichen konstant ist. Im Nahfeld wird eine Probe angeordnet und das Vorhandensein dieser Probe ändert die Intensitätsverteilung im Nahfeld. Die Intensität des Nahfeldes im Bereich der Probe wird in mindestens zwei Richtungen nahe der Probe gemessen. Die Messung erzeugt ein Bild, das dem ausgemessenen Bereich der Probe entspricht.
Die bevorzugte Quelle für das Nahfeld ist ein innen totalreflektierter (TIR) Lichtstrahl. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Lichtstrahl an einer Innenfläche eines Prismas reflektiert. Dies schafft ein im Unendlichen verschwindendes Feld mit einer normal zur Probenoberfläche exponentiell abfallenden Intensität. Ein Meßfühler wird in das im Unendlichen verschwindende Feld hineinbewegt und ist bevorzugt eine zugespitzte optische Quarzfaser. Der Meßfühler hat eine Spitze, die auf eine kleine Abmessung zugespitzt ist, die kleiner als die Wellenlänge sein kann (d.h. kleiner als etwa 500 nm). Das Vorhandensein des Meßfühlers gestattet es, daß Photonen von der Fläche zum Meßfühler tunneln können.
Die Oberfläche selbst kann gleichfalls der Gegenstand dieser Mikroskopie sein. In derselben Weise, wie oben erläutert, wird die Flächenstruktur das Nahfeld modulieren. Die Intensität des Nahfeldes wird mit den Änderungen und Defekten in der Oberfläche variieren. In dieser Weise kann die Mikroskopie zur Ausmessung der Oberfläche in mindestens zwei Richtungen mit einer Subwellenlängenauflösung eingesetzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Photonen entlang der Faser zu einem Detektor geleitet. Der Detektor erzeugt ein Signal, das proportional zur Anzahl der Photonen ist, die zum Meßfühler tunneln, und diese Anzahl von Photonen ist ihrerseits proportional zur Intensität des Nahfeldes in der Nähe des Meßfühlers. In unterschiedlichen Lagen des Meßfühlers nahe der Probe wird ein unterschiedliches Signal erzeugt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Rückkoppelkreis eingesetzt, der durch Änderung des Abstands zwischen Spitze und Probe die Intensität des Signals reguliert. Die Rückkopplung vermeidet so eine Berührung der Spitze mit der Probe. Diese Technik ist insbesondere für die Untersuchung dielektrischer Flächen geeignet, welche aufgrund von Ladungseffekten unmöglich direkt in ein Elektronen-STM eingebracht werden können.
In einer anderen Ausführungsform wird die Spitze über der Probe in einer konstanten Höhe über der Oberfläche verfahren und die von der Spitze aufgenommene Lichtintensität gemessen. Durch Abtasten in einem Rastermuster bei konstanter Höhe über der Oberfläche wird ein zweidimensionales Bild der Intensität des Nahfeldes vom Meßfühler aufgenommen. Wenn die Spitze verfahren wird, liefern variierende Intensitätsniveaus Informationen über eine das Nahfeld modulierende Probe oder über die Oberfläche selbst.
Die Technik nach der vorliegenden Erfindung liefert auch spektroskopische Informationen. Wenn z.B. der Meßfühler parallel zur Oberfläche verfahren wird, kann das detektierte Licht in ein Spektrometer eingekoppelt werden, das Informationen über die verschiedenen optischen Eigenschaften der Probe in lokalen Bereichen, deren Größe kleiner als die Wellenlänge des beim Feld verwendeten Lichtes ist, liefert. Dieser Datensatz liefert eine Karte entsprechend den optischen Eigenschaften der Probe.
Die Auflösung, die diese Erfindung bereitstellt, ist weit besser als die optischer Standardmikroskope. Außerdem kann diese Erfindung ohne Rückgriff auf die Hochvakuumatmosphäre bei Elektronenmikroskopen angewandt werden.
Die vorliegende Erfindung verwendet die Totalreflexion (TIR) eines auf eine Grenzfläche zwischen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes (ni und nt) einfallenden Lichtstrahls, wenn der einfallende Strahl in dem Medium mit höherem Index (ni) liegt. Ein Prisma ist ein Beispiel für ein optisches Instrument, das eine totalreflektierende Fläche (TIR- Fläche) einsetzt. Totalreflexion tritt auf, wenn der Einfallswinkel Θi (bezogen auf die Normale) den kritischen Winkel überschreitet, der durch Θc = arc sin (nt/ni) gegeben ist. Bei Θi > Θc wird in dem Medium mit kleinerem Index ein im Unendlichen verschwindendes Nahfeld erzeugt. Die Intensität dieses Feldes fällt exponentiell mit wachsendem Abstand von der Grenzfläche ab, und zwar entsprechend Gleichung 1:
I = K exp{-2kntz[(ni/nt)²sin²Θi-1]1/2} (1)
worin K eine Proportionalitätskonstante, k ein Betrag eines Vakuumwellenvektors des einfallenden Lichtes und z der Abstand von der Grenzflächenoberfläche ist. (Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff Nahfeld ein weite Kategorie, zu der im Unendlichen verschwindende Felder gehören. Ein Nahfeld ist jedes Feld, dessen Wirkungen in einem Abstand zwischen etwa 1 oder 2 Wellenlängen von der Quelle wichtig werden. Ein im Unendlichen verschwindendes Feld ist definiert als das Feld, dessen Intensität durch Gleichung 1 beschrieben wird.) Wenn ein anderes Medium mit größerem Brechungsindex als nt in das im Unendlichen verschwindende Nahfeld verbracht wird, wie die Spitze einer zugespitzen optischen Faser, tritt Tunneln auf, das grob dem Tunneln von Elektronen durch eine endliche Schwelle in der Quantenmechanik analog ist.
Die exponentielle Natur des im Unendlichen verschwindenden Nahfeldes führt zu einer wirksamen Schärfe" für die Meßfühlerspitze. In jedem Abstand z von der Oberfläche werden etwa 90% der Photonen in die nächsten 10% der Spitze eingekoppelt. Dementsprechend wird eine Spitze mit dem Radius R einen "wirksamen" Radius von R/10 haben. Daher kann eine Spitze, die für herkömmliche Nahfeld-Rastermikroskopie ungeeignet ist, zur Verwendung bei dieser Art von Mikroskopie durchaus geeignet sein.
Photonen des einfallenden Strahls tunneln durch den Bereich zwischen der Spitze und der Probe und können von einem geeigneten Detektionssystem aufgesammelt werden. Das Verhandensein einer Probe auf der TIR-Oberfläche wird die Form des im Unendlichen verschwindenden Nahfeldes modulieren und diese Modulation wird durch räumliche Änderungen in der Nahfeldintensität auf einer vorgegebenen Höhe über der Probenoberfläche zum Ausdruck kommen. Diese Intensitätsänderungen liefern topographische Informationen über die Probenoberfläche, wie auch Informationen über die optischen Eigenschaften der Probe (z.B. räumliche Änderungen des Brechungsindex oder der optischen Absorption der Probe). Die räumliche Auflösung wird durch die Länge des Abfallens im Unendlichen verschwindenden Nahfeldes und durch die Größe und Form der Spitze beeinflußt.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist ein Instrument, bei dem eine Probe auf einer Fläche eines Prismas angeordnet ist und ein Laserstrahl von der gegenüberliegenden Seite der Prismenfläche intern reflektiert wird. Auf diese Weise wird durch den Laserstrahl nahe der Fläche des Prismas, auf der die Probe angeordnet ist, ein im Unendlichen verschwindendes Feld erzeugt. Ein Meßfühler, nämlich eine Quarzfaser, die zu einer scharfen Spitze abgeätzt ist, wird nahe an die Probe und in den Bereich des im Unendlichen verschwindenden Nahfeldes des Strahls verbracht. Wenn die Meßfühlerspitze in das im Unendlichen verschwindende Nahfeld eintritt, koppelt ein Teil des sonst totalreflektierten Lichtstrahls in einem Tunnelprozeß zur Meßfühlerspitze. Dieses Licht wird mittels einer Fiberoptik von der Meßfühlerspitze zu einem geeigneten Detektor, wie einer Photovervielfacherröhre, geführt. Die Photovervielfacherröhre erzeugt ein Signal, das proportional zur Anzahl der zur Meßfühlerspitze tunnelnden Photonen ist. Die Intensität des Signals der Photovervielfacherröhre wird durch einen Rückkoppelkreis konstant gehalten, der den Trennabstand zwischen der Meßfühlerspitze und der Prismenfläche steuert. Die Lage der Spitze wird durch mechanische und piezoelektrische Elemente gesteuert. Die Abbildung der Probe wird durch Verfahren der Meßfühlerspitze über der Oberfläche in einem Standard-Rastermuster im wesentlichen parallel zur Oberfläche ausgeführt. Das augenblickliche Lichtsignal, das durch die Meßfühlerspitze aufgenommen wird, wird während der Abtastung durch das Bewegen des Meßfühlers in einer zur Oberfläche senkrechten Richtung konstant gehalten. Der Trennabstand zwischen der Meßfühlerspitze und der Prismenfläche wird als Funktion der Abtastlage der Meßfühlerspitze aufgezeichnet. Sichtbare Bilder werden auf einem Analoganzeigemonitor oder einer Computeranzeige entsprechend dem Trennabstand des Meßfühlers von der Prismenfläche erzeugt, während dieser sich im Rastermuster bewegt. Selbstverständlich bilden das Prisma und das umgebende Medium, z.B. Luft, eine erste und eine zweite Substanz mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Die Oberfläche des Prismas, auf der die Probe angeordnet ist, bildet eine ebene Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Fläche und das Nahfeld wird nahe dieser ebenen Grenzfläche erzeugt.
Die vorliegende Erfindung benötigt keinen Kontakt mit der Probe, und der Meßfühler folgt im Gegensatz zu einigen Nahfeldrastermikroskopen Rauhigkeitsausbildungen der Probe. Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die erreichbare Auflösung diejenige herkömmlicher optischer Mikroskopie bei weitem übertrifft. Anders als bei traditionellen optischen oder Elektronenmikroskopen, werden auch genaue Messungen von Änderungen in der Probentopographie ermöglicht. Da keine Notwendigkeit einer Elektronentunnelrückkopplung oder irgendeiner anderen Art von Elektronenstrom zwischen der Probe und dem Meßfühler besteht, können im Gegensatz zu Proben, die für Elektronenmikroskopie hergerichtet sind, isolierende wie auch leitende Proben untersucht und abgebildet werden. Schließlich kann die vorliegende Erfindung unter einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen angewandt werden; sie ist nicht auf Vakuumbetrieb beschränkt.
Die vorliegende Erfindung läßt sich wohl am besten unter Bezugnahme auf die nachfolgende, detaillierte Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform und in Zusammensicht mit den Zeichnungen verstehen, bei denen
Fig. 1a ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Photonenrastertunnelmikroskops darstellt;
Fig. 1b ein Diagramm eines Teils des Probenfeldes ist und die Wechselwirkung einer faseroptischen Spitze mit einem probenmodulierten, im Unendlichen verschwindenden Nahfeld zeigt;
Fig. 2 eine Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wiedergibt, und
die Figuren 3 und 4 perspektivische Zeichnungen des Meßfühlers und des Probenbereiches einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind, wobei Figur 4 eine im Uhrzeigersinn um 45º gedrehte Ansicht aus einem um etwa 30º bezüglich der Ansicht nach Figur 3 vergrößerten Winkel darstellt.
Es sei Bezug genommen auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in sämtlichen Ansichten bezeichnen. In Figur 1a ist ein Photonenrastertunnelmikroskop 10 dargestellt, das eine Form der vorliegenden Erfindung verkörpert. Das Mikroskop 10 weist ein Prisma 12 auf, in das ein Laserstrahl 14 unter einem Einfallswinkel Θi so gerichtet wird, daß der Strahl 14 an einer Fläche 16 totalreflektiert (TIR) wird. Unter Bezugnahme auf Figur 1b und Figur 1a wird ein im Unendlichen verschwindendes Nahfeld 18 vom an der Fläche 16 totalreflektierten Strahl 14 erzeugt. Eine Probe 20 nimmt auf der Fläche 16 einen Probenbereich 21 ein. Das im Unendlichen verschwindende Nahfeld 18 ist wesentlich größer als der Probenbereich 21, und das Vorhandensein der Probe 20 auf der Fläche 16 moduliert das im Unendlichen verschwindende Nahfeld 13. Diese Modulation kommt zum Ausdruck als räumliche Änderungen der Nahfeldintensität auf einer vorgegebenen Höhe über der Probenoberfläche. Eine faseroptische Meßfühlerspitze 22 wird in das im Unendlichen verschwindende Nahfeld 18 so eingeführt, daß Photonen zwischen dem Strahl 14 an der Oberfläche 16 und der Meßfühlerspitze 22 tunneln. Die Spitze 22 läuft in einem Punkt 23 aus, der kleiner als die Wellenlänge des Lichtes des Strahls 14 sein kann, aber nicht muß, und mit einem für Photonen undurchlässigen Material (wie Metall) beschichtet sein kann, um eine kleine Blende in Verbindung mit der kleinen Größe des Punktes 23 bereitzustellen. Die Meßfühlerspitze 22 muß, anders als bei Meßfühlern, wie sie bei konventionellen Nahfeldrastermikroskopen verwendet werden, nicht mit einem undurchlässigen Material beschichtet sein, um eine Auflösung im Subwellenlängenbereich zu erreichen; die Ausbildung der Spitze 22 mit einem Punkt 23, der kleiner als eine bestimmte Weite ist, schafft eine Auflösung, die mindestens so gut ist wie bei einer Blende dieser Weite in einem konventionellen Nahfeldrastermikroskopmeßfühler. Die Meßfühlerspitze 22 besteht an einem Ende aus einer Quarzfaser 24. Dieses Ende der Quarzfaser 24 stellt einen Meßfühler 26 dar. Der Meßfühler 26 ist an einem piezoelektrischen Translator 23 so angebracht, daß der Meßfühler 26 über die Probe 20 verfahren werden kann. Der Translator 28 bewegt den Meßfühler 26 in einer Standardrasterabtastung horizontal über die Probe 20. Ein dem Meßfühlerende der Quarzfaser 24 gegenüberliegendes Ende ist mit einer Photovervielfacherröhre 30 verbunden, welche die vom Meßfühler 26 aufgefangenen Photonen detektiert. Die Röhre 30 erzeugt ein Ausgangssignal, das zur Anzahl der vom Meßfühler 26 aufgefangenen Photonen proportional ist.
Das Ausgangssignal der Photovervielfacherröhre 30 wird einem XYZ-Bewegungs- und -Rückkoppelkreis 32 zugeführt. Der Kreis 32 erzeugt Signale für den Translator 28 zur Rasterabtastung der Probe 20 durch den Meßfühler 26. Der Kreis 32 umfaßt x- und y- Richtungssteuerungen zur Erzeugung von x- und y-Richtungssignalen. Diese Signale für den Translator 28 bewegen den Meßfühler 26 in der x- und der y-Richtung. Zusätzlich zeichnet der Kreis 32 das Ausgangssignal der Photovervielfacherröhre 30 auf, um die Intensität des im Unendlichen verschwindenden Nahfeldes 18 auf einem konstanten Wert zu halten. Wenn sich der Meßfühler 26 über die Probe 20 bewegt, variiert die Intensität des im Unendlichen verschwindenden Nahfeldes 18 mit der Abtastlage des Meßfühlers 26. Wenn sich die Intensität ändert, erzeugt der Rückkoppelkreis 32 durch eine z- Richtungssteuerung ein z-Richtungssignal, um den Meßfühler 26 vertikal zur Probe 20 und zur Oberfläche 16 zu bewegen. Falls der Rückkoppelkreis 32 von der Photovervielfacherröhre 30 ein Signal empfängt, das anzeigt, daß weniger Photonen vom Meßfühler 26 aufgefangen werden, steuert der Kreis 32 den Translator 28 so an, daß dieser den Meßfühler 26 näher an die Probe 20 und die Oberfläche 16 heranbewegt. Der Meßfühler 26 wird sich weiter von der Probe 20 und der Oberfläche 16 wegbewegen, wenn die Photovervielfacherröhre 30 mehr Photonen detektiert. Der XYZ-Bewegungs- und -Rückkoppelkreis 32 führt einem Computersteuerungs- und Bildverarbeitungskreis 34 Lageinformationen zu. Dieser Kreis 34 bestimmt eine relative Abtastlage und eine relative Vertikallage des Meßfühlers 26 in Bezug zur Oberfläche 16 und zur Probe 20. Ausgehend von der vertikalen Lage des Meßfühlers 26 in Bezug zu dessen Abtastposition wird dann ein Bild erzeugt. Zum Beispiel entspricht die X-Y-Position (Abtastlage) des Meßfühlers 26 der X-Y-Pixelposition in einem Standard-Videobild, während die Z-Position (vertikale Position) des Meßfühlers 26 der Pixelintensität entspricht. Alternativ dazu entspricht die Z- Position der Pixelfarbe derart, daß das Videobild zu einer farbverschlüsselten, topographischen Karte wird.
Alternativ dazu kann das z-Richtungssignal des Rückkoppelkreises 32 überbrückt werden. Der Meßfühler 26 wird der Oberfläche 16 soweit angenähert, bis ein geeigneter Photonenstrom detektiert wird. Dann wird der Meßfühler 26 in einem konstanten z- Abstand von der Oberfläche 16 über die Probe 20 verfahren. Das Ausgangssignal der Photovervielfacherröhre 30 wird sodann dem Bildverarbeitungskreis 34 zugeführt. Erneut werden eine relative horizontale Lage wie auch ein relativer Photonenstrom bestimmt. Dann wird, ausgehend von der Abtastlage des Meßfühlers 26 und dem Ausgangssignal der Röhre 30, ein Bild erzeugt.
Nun sei Bezug auf die Figuren 1 und 2 genommen, in denen der Laserstrahl 14 eines 7 mW Helium-Neon-Lasers 36 so unter einem Winkel unterhalb des kritischen Winkels auf eine innere Seite 38 des Prismas 12 gerichtet wird, daß er TIR erfährt. Der Strahl 14 erzeugt ein im Unendlichen verschwindendes Nahfeld 18, dessen Intensität durch das Vorhandensein der Probe 20 verändert und von der optischen Fasermeßfühlerspitze 22 ermittelt wird. Die optische Faser 24 übermittelt das Lichtsignal an die Photovervielfacherröhre 30, die ein elektrisches Stromsignal liefert, das proportional zur detektierten Lichtintensität ist. Dieses Signal treibt einen elektronischen Rückkoppelkreis, der den Abstand zwischen der Meßfühlerspitze 22 und der Probe 20 reguliert. Die Rückkoppelelektronik und weitere Steuerelektronik befinden sich in einer Steuereinheit 40.
Die Bewegung des Meßfühlers 26 wird von einem Computer 42 aufgezeichnet und gesteuert, der auch zum Sammeln und Verarbeiten der Informationen dient, die durch das Verfahren des Meßfühlers 26 über der Probe 20 gewonnen werden. Wenn die Spitze seitlich über der Probe rasterartig verfahren wird, empfängt ein Rückkoppelkreis den Strom der Photovervielfacherröhre 30 und stellt den Abstand der Spitze 22 von der Probe 20 so ein, daß ein konstanter Photovervielfacherstrom aufrechterhalten wird. Die Höhe der Spitze an jedem Abtastpunkt wird durch den Computer 42 aufgezeichnet und gespeichert und bildet die Koordinaten zum Aufbau einer dreidimelsionalen Bildnachbildung der Oberfläche der Probe 20. Der Computer 42 wird anschließend zur Verarbeitung der Daten und zur Bildung eines Graustufen-Bildes der Probe 20 eingesetzt, das auf einem Graphikmonitor 44 angezeigt wird.
Die Geometrie dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sieht eine Meßfühlerspitze 22 vor, die auf einem piezoelektrischen Translator angebracht ist und über einer ortsfesten Probe verfahren wird. Nun sei Bezug genommen auf Figur 3: die Erfindung setzt hier einen piezoelektrischen, bimorphen Abtaster 46 ein, um eine Bewegung der Spitze entlang drei orthogonalen Achsen zu erreichen. Der Abtaster 46 besteht aus PZT-5H piezoelektrischen, keramischen Bimorphen und hat eine minimale Resonanzfrequenz von 1,75 kHz. Der Abtaster sieht drei zueinander orthogonale Bewegungen vor, jeweils eine für die x-, die y- und die z-Richtung. Der Abtaster 46 besitzt einen Arbeitsbereich von 10 Mikrometern in einer Richtung parallel zur Oberfläche 15 und von 6 Mikrometern senkrecht zu dieser. Der Meßfühler 26 ist am Abtaster 46 befestigt und die übrige Quarzfaser 24 verläuft bis zur Photovervielfacherröhre 30.
Auf der Oberfläche 16 des Prismas 12 ist eine Probe 20 angeordnet und durch eine Indexanpassungssubstanz optisch an diese angekoppelt. Der gesamte Probenaufbau wird von Klemmen 48 fest am Platz gehalten. Eine Grobeinstellung des Abstands zwischen Spitze 22 und Probe 20 wird mit Mikrometerschrauben 50 ausgeführt, während die Feineinstellung durch eine zusätzliche Mikrometerschraube 52 über eine Hebelreduziergeometrie gesteuert wird. Zur mechanischen Stabilisierung des gesamten Gerätes dienen Federn 54 und gewährleisten eine positive Steuerung der relativen Position der Spitze 22 über der Probe 20.
Unter Bezugnahme auf Figur 4 besteht die elektrische Verbindung zur Steuereinheit 40 aus einem Stiftverbindungsstecker 56. Licht wird von der Probe 20 dadurch totalreflektiert, daß der Laserstrahl 14 mittels eines Spiegelaufbaus 58 so in das Prisma 12 gerichtet wird, daß der Einfallswinkel (Θi in Figur 1A) größer oder gleich dem kritischen Winkel zum Erreichen von TIR ist. Die faseroptische Spitze 22 wird zunächst mit den Mikrometereinstellschrauben 50, 52 mechanisch über der Probe 20 positioniert und dann mit dem Abtaster 46 in den Bereich des im Unendlichen verschwindenden Nahfeldes verbracht.
Aus Vorstehendem wird deutlich, daß die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Mikroskopie mittels probenmoduliertem Tunneln von Photonen zu einem Meßfühler bereitstellt. Die vorliegende Erfindung schafft eine Einrichtung zur hochauflösenden optischen Mikroskopie, die bei unterschiedlichen Probenarten anwendbar ist, einschließlich solcher, die nicht-leitend, uneben oder von empfindlicher struktureller Zusammensetzung sind. Da bei dieser Art von Mikroskopie kein Elektronenstrom erforderlich ist, kann die vorliegende Erfindung eine Mikroskopie mit dieser hohen Auflösung unter einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen bereitstellen.

Claims

1. Verfahren der optischen Nahfeld-Rastermikroskopie eines sich auf einer Oberfläche (16) befindlichen Probenbereiches (21), das

- die Hervorbringung eines Lichtstrahls (14) zur Erzeugung eines Licht-Nahfeldes an der Oberfläche,

- die Anordnung einer Probe (20) auf dem Probenbereich (21),

- das Abtasten des Nahfelds mit einem Meßfühler (26),

- die Detektion des vom Meßfühler (26) aufgefangenen Lichtes,

- das Hervorbringen eines von der durch den Meßfühler (26) aufgefangenen Lichtintensität abhängigen Ausgangssignals,

- das Abtasten des Probenbereiches (21) mit dem Meßfühler (26) in mindestens einer Richtung und

- die Verarbeitung des Ausgangssignals in einer Computereinheit (34) zur Hervorbringung von Ausgangsinformation, während sich der Meßfühler bewegt,

umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ein Photonenrastertunnelverfahren ist, das weiterhin

- das Einführen des Lichtstrahls (14) in einen Körper (12) aus durchsichtigem Material mit mindestens einer Oberfläche, die eine innere und eine äußere Seite aufweist,

- die Hervorbringung eines im Unendlichen verschwindenden Feldes (18) auf der äußeren Seite der Oberfläche (16) durch ein solches Ausrichten des Strahls (14) in dem durchsichtigen Körper (12), daß dieser die innere Seite der Oberfläche (16) unter einem Winkel (Θi) trifft, der gleich oder größer einem eine Totalreflektion des Strahls (14) hervorrufenden kritischen Winkel ist, und

- die Aufsammlung von zwischen der Oberfläche (16) und dem Meßfühler (26) tunnelnden Photonen durch den Meßfühler (26)

umfaßt wobei die Anzahl der zwischen der Oberfläche und dem Meßfühler tunnelnden Photonen mit der Intensität des im Unendlichen verschwinden den Nahfelds am Ort des Meßfühlers in Zusammenhang steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt zur Erzeugung des im Unendlichen verschwinden den Nahfelds

- das Vorsehen von ersten (12) und zweiten Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes,

- das Vorsehen einer Grenzfläche zwischen den ersten und zweiten Materialien, die die Oberfläche (16) bildet, und

- ein solches Ausrichten des Lichtstrahls (14) durch das erste Material (1)

umfaßt daß er auf die Grenzfläche in einem Einfallswinkel (Θi) auftrifft, der genügend groß ist, um die Totalreflexion hervorzurufen, wobei das Nahfeld (18) an der Grenzfläche in dem zweiten Material erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches außerdem folgende Schritte umfaßt:

- das Verfahren des Meßfühlers (26) in einer Rasterfläche am Probenbereich (21), während der Meßfühler in einem im wesentlichen konstanten Abstand von der Oberfläche (16) gehalten wird, und

- die Überwachung der Lage des Meßfühlers (26) und der vom Meßfühler aufgefangenen Lichtmenge während der Meßfühler durch die Rasterfläche fährt, sowie

- die Ausgabe von Daten über die Lagen des Meßfühlers (26), während dieser sich durch die Rasterfläche bewegt, und über die vom Meßfühler in jeder der Lagen aufgefangene Lichtmenge

umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das außerdem

- das Fahren des Meßfühlers (26) in einer Rasterfläche an der Probe,

- eine Steuerung der Lage des Meßfühlers (26) im Nahfeld durch das Bewegen des Meßfühlers in einer im wesentlichen zur Oberfläche (16) normalen Richtung, während der Meßfühler durch die Rasterfläche fährt, derart daß der Meßfühler während der Abtastung im wesentlichen die gleiche Lichtmenge auffängt, und

- die Überwachung der Meßfühlerlage und die Ausgabe von Informationen über den Abstand zwischen dem Meßfühler (26) und der Oberfläche (16), während die Meßfühlerspitze (22) durch die Rasterfläche fährt, umfaßt.

5. Mikroskopisches Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das außerdem die teilweise Bedeckung des Meßfühlers (26) mit einem für Photonen undurchlässigen Material und die Ausbildung einer Blende in dem undurchlässigen Material in dem der Oberfläche am nächsten kommenden Bereich des Meßfühlers

umfaßt, wobei die Blende kleiner als die Wellenlänge der vom Meßfühler aufgefangenen Photonen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 3, das weiterhin

- die Bestimmung der Größe des Ausgangssignals während des Abtastens des Probenbereiches (21),

- die Erzeugung eines die Größe des Ausgangssignals wiedergebenden Richtsignals,

- die Bestimmung einer Abtastlage des Meßfühlers (26) während des Abtastens des Probenbereiches (21),

- die Erzeugung eines die Abtastlage wiedergebenden Abtastlagesignals und

- die Anzeige des Richtsignals abhängig vom Abtastlagesignal

umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, das außerdem

- die Bestimmung von Abständen zwischen dem Meßfühler (26) und der Oberfläche (16) während des Abtastens des Probenbereiches,

- die Erzeugung eines Abstandssignals, das die Abstände wiedergibt,

- die Bestimmung einer Abtastlage des Meßfühlers (26),

- die Erzeugung eines Abtastlagesignals, das die Abtastlage wiedergibt, und

- die Anzeige des Abstandssignals abhängig vom Abtastlagesignal

umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Meßfühler (26) in einem Abstand von der Oberfläche (16) angeordnet ist, der kleiner als etwa zwei Wellenlängen des Lichtes ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das weiterhin

- das Fahren des Meßfühlers (26) in einer vorbestimmten Rasterfläche des Probenbereiches und

- die Messung des vom Meßfühler (26) aufgefangenen Lichtes während des Abtastens zur Hervorbringung von Information über die Lichtintensitätsverteilung umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Positionierungsschritt

- die Anordnung eines Meßfühlers, der ausschließlich aus einem lichtleitenden Material (24) aufgebaut ist und eine Meßfühlerspitze (22) aufweist, und

- die Positionierung der Meßfühlerspitze (22) im Nahfeld und am Probenbereich (21) zur Kopplung mit dem Nahfeld und zum Auffangen von Licht des Nahfeldes

umfaßt.

11. Optisches Nahfeldrasterniikroskop, das

- eine Oberfläche (16), auf der ein Probenbereich definiert ist,

- eine Lichtquelle (36) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (14), der nahe der Oberfläche (16) ein Licht-Nahfeld hervorruft,

- einen Meßfühler (26) zur Abtastung des Nahfelds,

- einen Detektor (30) zur Detektion des vom Meßfühler (26) aufgefangenen Lichtes und zur Erzeugung eines der vom Meßfühler aufgefangenen Lichtintensität entsprechenden Ausgangssignals,

- Mittel (28) zum Bewegen des Meßfühlers (26) und zum Fahren des Meßfühlers durch eine dem Probenbereich zugeordnete Rasterfläche im Nahfeld und

- Mittel (34) zur Verarbeitung des Ausgangssignals, während sich der Meßfühler durch die Rasterfläche bewegt, um Daten zu gewinnen, die der vom Meßfühler (26) aufgefangenen Lichtintensität entsprechen, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroskop (10) ein Photonenrastertunnelmikroskop ist, bei dem das Mittel zur Erzeugung eines Nahfelds außerdem Mittel zur Erzeugung eines im Unendlichen verschwindenden Feldes umfaßt, die

- einen Körper (12) aus durchsichtigem Material mit mindestens einer ebenen Oberfläche (16), die die Oberfläche bildet, auf der der Probenbereich definiert ist, und

- Mittel zu einer solchen Einführung und Ausrichtung des Strahls (14) im Körper (12) aufweisen, daß der Strahl auf eine innere Seite der Oberfläche (16) zur Erzeugung seiner Totalreflexion auftrifft, wobei die Reflexion an der äußeren Seite der Oberfläche (16) das im Unendlichen verschwindende Feld (18) erzeugt und

- der Meßfühler (26) das im Unendlichen verschwindende Feld durch Aufsammeln von zwischen der Oberfläche (16) und dem Meßfühler tunnelnden Photonen abtastet.

12. Mikroskop nach Anspruch 11, das außerdem Mittel (32) aufweist, die zur Beibehaltung der Lage des Meßfühlers (26) in einem im wesentlichen konstanten Abstand normal zur Oberfläche (16) dienen, während der Meßfühler den Probenbereich abtastet.

13. Mikroskop nach Anspruch 11, das außerdem Mittel (32) aufweist, die zur Einhaltung des Meßfühlers (26) in einer Lage mit konstanter Lichtintensität auf das Ausgangssignal ansprechen, wodurch der Abstand des Meßfühlers (26) zur Oberfläche (16) von der Lichtintensitätsverteilung nahe dem Probenbereich (21) abhängig ist.

14. Mikroskop nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem der Körper aus transparentem Material (12) ein Quarzprisma ist.

15. Mikroskop nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem der Meßfühler (26) ausschließlich aus einer lichtleitenden Substanz (24) aufgebaut ist.

16. Mikroskop nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem der Meßfühler (26) eine optische Quarzfaser ist, die eine Spitze (22) aufweist, welche in das Nahfeld eingeführt wird, wobei von dieser Spitze (22) Photonen dieses Feldes in einer Anzahl aufgefangen werden, die der Lichtintensität des Nahfeldes am Ort der Spitze entspricht.

17. Mikroskop nach Anspruch 16, bei dem die Spitze (22) des Fasermeßfühlers (26) teilweise mit einem für Photonen undurchlässigen Material bedeckt und eine Blende in dem undurchlässigen Material ausgebildet ist, wobei die Blende kleiner als die Wellenlänge der vom Meßfühler aufgefangenen Photonen ist.

18. Mikroskop nach Anspruch 16 oder 17, bei dem das Mittel zur Erzeugung des Ausgangssignals u. a. eine Photovervielfacherröhre (30) umfaßt, die an einem der Spitze (22) gegenüberliegenden Ende der Faser (24) angebracht ist.

19. Mikroskop nach Anspuch 16, bei dem der Meßfühler (26) eine geschliffene Spitze (22) hat.

20. Mikroskop nach einem der Ansprüche 11 bis 19, bei dem die Lichtquelle (36) ein Laser und der Lichtstrahl (14) ein Laserstrahl ist.

21. Mikroskop nach einem der Ansprüche 11 bis 17, das außerdem

- Mittel (42) zur Überwachung des zum Probenbereich (21) benachbarten Nahfeldes und zur Erzeugung eines entsprechenden Ausgangssignals sowie

- Mittel zur Erzeugung des Ausgangssignals entsprechend der Lage des Meßfühlers (26), während dieser sich durch die Rasterfläche bewegt, umfaßt.

22. Mikroskop nach einem der Ansprüche 11 bis 20, das außerdem

- Mittel zur Bestimmung von Abständen zwischen dem Meßfühler (26) und der Oberfläche (16) während der Abtastung der Oberfläche und zur Erzeugung eines Abstandssignals, das die Abstände wiedergibt,

- Mittel zur Bestimmung der Abtastpositionen des Meßfühlers (26) in einer zur Oberfläche (16) benachbarten Ebene während des Abtastens der Oberfläche und zur Erzeugung eines diese Lage wiedergebenden Lagesignals, und

- Mittel (44) zur Anzeige des Abstandssignals als Funktion des Lagesignales umfaßt.

23. Mikroskop nach Anspruch 21, bei dem das Überwachungsmittel außerdem

- ein erstes Mittel zum Bewegen des Meßfühlers in einer ersten Richtung, wobei dieses erste Mittel geeignet ist, den Meßfühler über eine geregelte Strecke zu bewegen, die kleiner als die Wellenlänge der Photonen des Nahfelds ist, und

- ein zweites Mittel zum Bewegen des Meßfühlers in einer zweiten, zur ersten Richtung senkrechten Richtung aufweist, wobei dieses zweite Mittel geeignet ist, den Meßfühler über eine geregelte Strecke kleiner als die Wellenlänge der Photonen des im Unendlichen verschwindenden Nahfelds zu bewegen.

24. Mikroskop nach Anspruch 23, bei dem das erste Mittel zum Bewegen des Meßfühlers außerdem

- einen Regler für die x-Richtung zur Erzeugung eines x-Richtungssignals, das eine eine x- Strecke in einer x-Richtung wiedergebende Größe aufweist, und

- piezoelektrische, keramische, bimorphe Kristalle für die x-Richtung umfaßt, die mit dem Meßfühler (26) verbunden sind und ihn über die x-Strecke in x-Richtung bewegen, wenn die bimorphen Kristalle das x-Richtungssignal vom x-Richtungsregler empfangen, und das zweite Mittel zum Bewegen des Meßfühlers außerdem

- einen Regler für die y-Richtung zur Erzeugung eines y-Richtungssignals, das eine eine y- Strecke in einer y-Richtung wiedergebende Größe aufweist, und

- piezoelektrische, keramische, bimorphe Kristalle für die y-Richtung umfaßt, die mit dem Meßfühler (26) verbunden sind und ihn über die y-Strecke in y-Richtung bewegen, wenn die bimorphen Kristalle das y-Richtungssignal vom y-Richtungsregler empfangen.

25. Mikroskop nach Anspruch 24, bei dem die Mittel (28, 32) zur Beibehaltung des Meßfühlers (26) in einer Lage mit kostanter Lichtintensität außerdem

- ein drittes Mittel zum Bewegen des Meßfühlers (26) in einer zur Oberfläche normalen Richtung, das geeignet ist, den Meßfühler über eine geregelte Strecke zu bewegen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichtes ist, und

- Mittel zur Überwachung des Ausgangssignals des Detektors und zur Regelung des dritten Mittels zum Bewegen des Meßfühlers umfassen, wodurch das Ausgangssignal des Detektors auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird, während der Meßfühler den Probenbereich (21) abtastet, und das dritte Mittel den Meßfühler weiter von der Oberfläche (16) wegbewegt, wenn das Ausgangssignal ansteigt, und ihn auf die Oberfläche (16) zubewegt, wenn das Ausgangssignal fällt.

26. Mikroskop nach Anspruch 24, bei dem das dritte Mittel zum Bewegen des Meßfühlers (26) außerdem

- einen Regler für die z-Richtung zur Erzeugung eines z-Richtungssignals, das eine eine z- Strecke in einer z-Richtung wiedergebende Größe hat, und

- piezoelektrische, keramische, bimorphe Kristalle für die z-Richtung umfaßt, die mit dem Meßfühler (26) verbunden sind und ihn über die z-Strecke in z-Richtung bewegen, wenn die bimorphen Kristalle das z-Richtungssignal vom z-Richtungsregler empfangen.

27. Mikroskop nach einem der Ansprüche 11 bis 26, bei dem sich die Intensität des im Unendlichen verschwindenden Nahfelds mit einem Normalabstand zur Oberfläche im wesentlichen nach der Gleichung

I = K exp{-2kntz[(ni/nt)²sin²Θi-1]1/2}

ändert, mit

I = die Intensität des Feldes in der Einheit Leistung/Oberfläche,

K = eine Proportionalitätskonstante in der Einheit Leistung/Oberfläche,

k = eine Größe eines Vakuum-Wellenvektors des einfallenden Laserstrahls in der Einheit des Kehrwertes der Strecke (1/Strecke),

z = der senkrechte Abstand von der Oberfläche,

Θi = ein Einfallswinkel des Laserstrahls mit einem normal zur Oberfläche verlaufenden Schenkel,

ni = Brechungsindex des Prismas und

nt = Brechungsindex eines auf der äußeren Seite der Oberfläche befindlichen Mediums.