DE69220598T2

DE69220598T2 - Optisches Nahfeldabtastmikroskop

Info

Publication number: DE69220598T2
Application number: DE69220598T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Hamamatsu-Shi Shizuoka-Ken Aoshima
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1991-04-05
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2012-04-04
Also published as: EP0507628A2; EP0507628B1; EP0507628A3; US5382789A; JPH04307510A; DE69220598D1; JP2823970B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Nahfeldabtastmikroskop zur Abbildung einer Oberfläche einer zu untersuchenden Probe.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Als herkömmliches optisches Nahfeldabtastmikroskop ist ein Mikroskop bekannt, bei dem Licht aus einer Lichtquelle durch ein am abgewandten Ende eines optischen Fühlers gebildetes Stift- bzw. Nadelloch oder Apertur auf eine zu untersuchende Probe gestrahlt wird und durch die Oberfläche der Probe transmittiertes Licht oder von der Probe selbst erzeugte Fluoreszenz von einer Objektivlinse des Mikroskops fokussiert wird (bezugnehmend auf "O plus E" von S. Okazaki, September 1989, S. 110 - 116 usw.). Es ist bekannt, daß bei einem optischen Nahfeldabtastmikroskop dieser Bauart dessen Auflösungsgrenze im wesentlichen dem Durchmesser des Nadellochs oder der Apertur entspricht.
Wenn der Durchmesser des Nadellochs zur Verbesserung der Auflösung verringert wird, wird jedoch die auf dessen Nah- oder Fernfeld abgestrahlte Energie abrupt verringert.
Im Vergleich zu einem Fall, bei dem der Nadellochdurchmesser 5 nm beträgt, wird bei einer Verringerung des Durchmessers auf die Hälfte die Verringerung der einen Photodetektor erreichenden Lichtmenge zu etwa 1/60 berechnet. Das heißt, daß bei einer Verringerung des Nadellochdurchmessers zur Verbesserung der Auflösung die den Photodetektor erreichende Lichtmenge abrupt verringert, die Trennung von Signal und Rauschen schwierig und die untere Grenze der Signalerfassung einge schränkt wird. In der Praxis ist die Auflösung entsprechend der unteren Erfassungsgrenze eingeschränkt.
"Modern Fluorescence Spectroscopy" von E. L. Wehry, Bd. 1, 1976, Plenum Press, New York, wurde im Prüfungsverfahren herangezogen und beschreibt spektroskopische Messungen, bei denen eine phasenempfindliche Erfassung verwendet wird.
In der ebenfalls im Prüfungsverfahren herangezogen EP-A-459 392 ist ein optisches Nahfeldabtastmikroskop beschrieben mit einer Lichtquelle, einer Licht von einer Probe empfangenden Nahfeldoptik und einer Erfassungseinrichtung zur Lichterfassung aus der Nahfeldoptik. Die Lichtquelle erzeugt ununterbrochen Licht zur ununterbrochenen Bestrahlung einer Probe.
Ein optisches Nahfeldabtastmikroskop mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist beispielsweise in der EP-A- 112 401 offenbart.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß ist ein optisches Nahfeldabtastmikroskop mit einer verbesserten Auflösung und einer verbesserten unteren Erfassungsgrenze geschaffen.
Erfindungsgemäß ist ein optisches Nahfeldabtastmikroskop zum Erhalt eines Bildes einer Probe mit einer Lichtquelle, die Licht mit einer Intensität zur Bestrahlung einer Probe in einer Probeneinstellposition erzeugen kann, einer optischen Nahfeldeinrichtung mit einer der Probeneinsteliposition zugewandten Apertur zur Ausrichtung von Licht aus der Quelle auf die Probeneinstellposition und zum Empfang von Licht von einer Probe in der Probeneinstellposition und einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung von durch die optische Nahfeldeinrichtung empfangenem Licht versehen, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Lichtquelle, damit Lichtimpulse erzeugt werden, und zur Steuerung der Erfassungseinrichtung, damit empfangenes Licht synchron zur Erzeugung der Lichtimpulse durch die Lichtquelle erfaßt wird.
Gemäß einem erfindungsgemäßen optischen Nahfeldabtastmikroskop erfaßt die Erfassungseinrichtung das Lichtausgangssignal aus der Nahfeldeinrichtung gleichzeitig mit einem Anstieg der Intensität des Lichts aus der Lichtquelle oder nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer vom Anstieg an; falls zum Beispiel die Erfassungseinrichtung das Lichtausgangssignal lediglich während des Anstiegs der Lichtintensit;;t aus der Lichtquelle erfaßt, kann die Intensität des Lichtausgangssignals relativ zu dem stationären Hintergrundrauschen erhöht und dadurch der Signal-/Rauschabstand bzw. das Signal-/Rauschverhältnis erhöht werden. Infolgedessen kann die Auflösung des optischen Nahfeldabtastmikroskop verbessert werden.
Ein Merkmal eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels ist ein optisches Nahfeldabtastmikroskop, dessen optische Nahfeldeinrichtung eine optische Fühlereinrichtung zur Zufuhr von Licht aus der Lichtquelle über die Apertur zu der Probeneinstellposition und eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme von Licht aus der Probeneinstellposition aufweist.
Ein anderes Merkmal eines erfindungsgemäßen optischen Nahfeldabtastmikroskops besteht darin, daß die optische Nahfeldeinrichtung eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr des Lichts aus der Lichtquelle zu der Probeneinstellposition und eine optische Fühlereinrichtung zur Aufnahme des Lichts aus der Probeneinstellposition über die Apertur aufweist.
Beim erstgenannten Mikroskop kann die optische Fühlereinrichtung ebenso als Aufnahmeeinrichtung und beim letzgenannten Mikroskop kann die optische Fühlereinrichtung ebenso als Zufuhreinrichtung dienen.
Ein weiteres Merkmal eines erfindungsgemäßen optischen Nahfeldabtastmikroskops besteht darin, daß es die Apertur in einer im wesentlichen zu der Oberfläche der Probe senkrechten Richtung bewegen und die Probe auf einer zur Bewegungsrichtung der Apertur senkrechten Ebene zweidimensional abtasten kann.
Ein anderes Merkmal eines erfindungsgemäßen optischen Nahfeldabtastmikroskops besteht darin, daß die Erfassungseinrichtung wiederholt das Licht aus der optischen Nahfeldeinrichtung in einem vorbestimmten Zeitintervall nach dem Anstieg des Lichtimpulses aus der Lichtquelle erfaßt.
Ein weiteres Merkmal eines erfindungsgemäßen optischen Nahfeldabtastmikroskops besteht in der Veränderung eines Zeitintervalls zwischen der Zeit des Anstiegs des Lichtimpulses aus der Lichtquelle und der Zeit der Erfassung des Lichtausgangssignals aus der optischen Nahfeldeinrichtung durch die Erfassungseinrichtung.
Ein anderes Merkmal eines erfindungsgemäßen optischen Nahfeldabtastmikroskops besteht in, daß die Erfassungseinrichtung Licht mit einer vorbestimmten, von der des durch die Lichtquelle erzeugten Lichts unterschiedlichen Wellenlänge selektiv trennt und erfaßt.
Ein erfindungsgemäßes optisches Nahfeldabtastmikroskop kann weiterhin eine Nebenfühlereinrichtung (beispielsweise ein Atomkopplungsmikroskop [AFM] oder ein Rastertunnelmikroskop [STM]) zur Messung einer physikalischen Größe der Probe, beispielsweise Beschaffenheit bzw. Anordnungen von Vertiefungen und Vorsprüngen, enthalten.
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher beschrieben.
Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung ist aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, daß die ausführliche Beschreibung und spezielle Beispiele, die bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele darstellen, lediglich zur Veranschaulichung dienen, da zahlreiche Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung für den Fachmann aus dieser ausführlichen Beschreibung ersichtlich sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt eine Darstellung einer Anordnung gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
Fig. 2 zeigt eine Darstellung eines ebenso ein Rastertunnelmikroskop (STM) verwendenden Verfahrens.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines anderen ebenso das Rastertunnelmikroskop (STM) verwendenden Verfahrens.

BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Ein optisches Nahfeldabtastmikroskop gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Bei dem optischen Nahfeldabtastmikroskop gemäß diesem Ausführungsbeispiel führt dessen optische Nahfeldeinrichtung durch einen optischen Fühler Prüflicht an eine Probeneinstellposition zu, und aus der Probeneinstellposition austretendes Licht wird durch eine Objektivlinse erfaßt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist eine X-Y-Stufe 12 an einem Sockel 10 des optische Nahfeldabtastmikroskop befestigt. Eine ein piezoelektrisches Element verwendende X-Y-Abtasteinheit 14 ist auf der X-Y-Stufe 12 angeordnet, und eine dünnfilmartige Probe 16 ist als vergrößert darzustellendes Objekt in der Probeneinstellposition auf der X-Y-Stufe 12 angebracht. Die X-Y-Stufe 12 ermöglicht eine manuelle Positionseinstellung der Probe 16 in der X- und Y-Richtung (in Fig. 1 in die Richtungen vor und zurück sowie links und rechts) . Die X-Y- Abtasteinheit 14 ermöglicht eine elektrische Positionssteuerung der Probe 16 in der X- und Y-Richtung. Das heißt, die Probe 16 kann in der X-Y-Ebene sehr genau durch die X-Y- Abtasteinheit 14 entsprechend elektrischen Signalen abgetastet werden.
Ein Arm 22 ist durch eine Z-Stufe 20 und einer sich aus dem Sockel 10 erstreckenden Tragsäule 18 getragen. Eine ein piezoelektrisches Element verwendende Z-Verschiebungseinheit 24 wird unterhalb des Arms 22 aufgestellt, und ein optischer Fühler 28 ist an dem abgewandten Ende der Z-Verschiebungseinheit 24 befestigt. Die Z-Stufe 20 ermöglicht eine manuelle Positionseinstellung des optischen Fühlers 28 in der Z-Richtung (vertikale Richtung in Fig. 1). Die Z-Verschiebungsein heit 24 ermöglicht eine elektrische Positionssteuerung des optischen Fühlers 28 in der Z-Richtung.
Prüflicht in Form von Impulsen aus einer Lichtimpulsquelle 30 fällt auf den optischen Fühler 28 durch ein optisches Führungsteil 32 und eine selbstfokussierende Linse 34 auf. Der optische Fühler 28 wird durch Abschneiden eines Endabschnitts eines Lichtwellenleiters in einem spitzen Winkel, Bedecken mit einem Metallfilm, beispielsweise einem Aluminiumfilm auf dem spitzen Endabschnitt, und nachfolgendem Ausbilden einer kleinen Öffnung an dem abgewandten Ende des bedeckten spitzen Endabschnitts erhalten. Der optische Fühler 28 bildet einen Teil der optischen Nahfeldeinrichtung. Eine angeregter modensynchronisierter Halbleiterlaser in Form eines Nd:YLF-Lasers oder dergleichen wird als Lichtimpulsquelle 30 verwendet.
Prüflicht mit einer gewünschten Impulsbreite von etwa 50 Ps und einer gewünschten Impulsperiode von etwa 10 ns kann durch die Lichtimpulsquelle 30 erhalten werden. Das durch eine Apertur oder ein Nadelloch an dem abgewandten Ende des optischen Fühlers 28 emittierte pulsierende Prüflicht wird auf die nahe bei dem optischen Fühler 28 befindliche Probe 16 gestrahlt.
Das auf die Probe 16 gestrahlte Prüflicht wird entsprechend dem Zustand der Probe 16 moduliert. Durch die Probe 16 moduliertes austretendes Licht wird durch eine sich unterhalb der Probe 16 befindliche Objektivlinse 40 fokussiert. Die Objektivlinse 40 bildet einen Teil der optischen Nahfeldeinrichtung aus. Das durch die Objektivlinse 40 fokussierte austretende Licht fällt über einen Reflexionsspiegel 42 auf einen als Erfassungseinrichtung dienenden Torschaltungs- bzw. Gating-Photodetektor 44 auf. Eine Nachziehkamera wird als Torschaltungs-Photodetektor 44 verwendet. Dann kann die durch die Objektivlinse 40 fokussierte austretende Lichtrnenge synchron zu einem pulsierenden Ausgangssignal des Prüflichts gemessen werden.
Eine Steuereinheit 46 gibt ein Signal an einen Impuls-Ansteuerschaltkreis 50 zur Steuerung eines Zeitablaufs der Impulserzeugung der Lichtimpulsquelle 30 aus. Ein Ansteuerschaltkreis 48 schaltet ein Gate des Torschaltungs-Photodetektors 44 entsprechend einem Signal aus dem Impuls-Ansteuerschaltkreis 50. Ein elektrisches Ausgangssignal aus dem Torschaltungs-Photodetektor 44 wird von einer Analyseeinheit 47 als Probendaten verarbeitet. Ein Ausgangssignal aus der Analyseeinheit 47 wird der Steuereinheit 46 zugeführt. Die Steuereinheit 46 steuert ebenso die X-Y-Abtasteinheit 14 und die (in Fig. 1 weggelassene) Z-Verschiebungseinheit 24. Auf diese Weise kann das austretende Licht aus der Probe 16 während der Abtastung der Probe 16 gemessen werden. Daten der Steuersignale in der X-, Y- und Z-Richtung der Steuereinheit 46 werden zeitweise zur Umwandlung in anzeigbare Daten der Analyseeinheit 47 zugeführt. Die umgewandelten Daten und die Probendaten werden dann einer Anzeige 52 zugeführt, und die Oberflächendaten werden auf der Anzeige 52 angezeigt.
Nachstehend wird die Betriebsweise des in Fig. 1 gezeigten optischen Nahfeldabtastmikroskops beschrieben.
Der Impuls-Ansteuerschaltkreis 50 veranlaßt die Lichtquelle 30, Prüflicht mit einer Impulsbreite von etwa 50 ps und einem Impulsabstand von etwa 10 ns zu erzeugen. Das Prüflicht fällt auf den optischen Fühler 28 durch das optische Führungsteil 32 usw. auf. Das durch die Apertur oder das Nadelloch des optischen Fühlers 28 fallende, in dem Nahfeld des optischen Fühlers 28 als eine abklingende Welle vorliegende Prüflicht wird der Probe 16 zugeführt.
Optische Energie wird zwischen dem optischen Fühler 28 und der Probe 16 entsprechend dem Zustand der Probe, beispielsweise der Entfernung zu der Probe und der optischen Absorption der Probe, übertragen, und das entsprechend dem Zustand der Probe modulierte austretende Licht wird erzeugt. In diesem Fall wird das Prüflicht als abklingende Welle lediglich einer sehr nah an dem Nadelloch liegenden Stelle zugeführt. Deshalb reflektiert das austretende Licht aus der Probe 16 lediglich den Zustand des sehr nahe an dem Nadelloch vorhandenen Oberflächenabschnitts der Probe, weshalb erwartet werden kann, daß eine dem Durchmesser des Nadellochs entsprechende räumliche Auflösung erhalten wird.
Das aus der Probe 16 austretende Licht wird durch die Objektivlinse 40 fokussiert und fällt auf die den Torschaltungs- Photodetektor 44 bildende Nachziehkarnera auf. Die Nachziehkamera wird durch ein Ansteuersignal aus dem Ansteuerschaltkreis 48 zur Abtastung des austretenden Lichts aus der Probe 16 synchron zur Impulserzeugung des Prüflichts gesteuert. In einzelnen fällt das aus der Probe 16 austretende Licht auf eine bezüglich der Nachziehkamera eingangsseitig vorgesehenen Photokathode auf, und dem austretenden Licht entsprechende Photoelektronen werden von der Photokathode emittiert. Die Photoelektronen werden entsprechend dem an die Ablenkelektroden der Nachziehkamera angelegten Ansteuersignal abgelenkt und zur Abtastung auf einer bezüglich der Nachziehkamera ausgangsseitig vorgesehenen und senkrecht zur Abtastrichtung ausgerichteten, eindimensionalen regelmäßigen Erfassungsanordnung veranlaßt. Ein durch die regelmäßige Erfassungsanordnung erfaßtes und dem auf der Nachziehkamera auffallenden Licht entsprechendes, umgewandeltes elektrisches Ausgangssignal wird der Steuereinheit 46 zugeführt.
Die Steuereinheit 46 stellt die Position des optischen Fühlers 28 in der Z-Richtung durch Steuerung der Z-Verschiebungseinheit 24 ein, so daß ein umgewandeltes elektrisches Ausgangssignal konstant wird, das jedes Mal durch die regelmäßige Erfassungsanordnung erfaßt wird, wenn ein Prüflichtimpuls erzeugt wird. Beim Beenden der Positionssteuerung des optischen Fühlers 28 in der Z-Richtung steuert die Steuerein heit 46 die X-Y-Abtasteinheit 14 zum allmählichen Verschieben der Probe 16 in der X-Y-Ebene. Beim Wiederholen dieses Vorgangs können Versetzungen des optischen Fühlers 28 in der Z- Richtung als Funktion der X- und Y-Richtung auf der Oberfläche der Probe 16 abgebildet werden. Das heißt, die Oberflächeninformationen der Probe 16 können erfaßt werden. Bei gleichmäßiger Streuung und Reflexion auf der Oberfläche der Probe 16 und gleichmäßiger Streuung, Reflexion, Absorption und gleichmäßigem Brechungsindex der Probe 16 kann die Beschaffenheit der Vorsprünge und Vertiefungen der Probe 16 erfaßt werden. Falls die Oberfläche der Probe 16 keinen Vorsprung oder keine Vertiefung aufweist, kann eine Absorption und dergleichen der Probe 16 erfaßt werden. Die Ergebnisse werden dreidimensional auf der Anzeige 52 angezeigt.
Bei dem optischen Nahfeldabtastmikroskop gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird pulsierendes Prüflicht verwendet. Auf diese Weise kann die Intensität des Maximums des Prüflichts stark und demzufolge der Signal-/Rauschabstand erhöht werden. Das heißt, da das dem optischen Fühler 28 zuzuführende Prüflicht innerhalb bestimmten Zeitperioden konzentriert ist, kann das Verhältnis von dem der Prüflichtintensität entsprechenden Signal zu dem durch konstant konstant vorhandenes Hintergrundlicht verursachtes Rauschen vergrößert werden. Infolgedessen ist die Erfassung des Prüflichts erleichtert, und eine niedrigere Erfassungsgrenze kann überaus verbessert werden. Insbesondere wird, selbst wenn die Lichtquelle eine mittlere Ausgangsleistung von 100 mW aufweist, das Spitzenausgangssignal 20 W, wenn durch diese Lichtquelle Prüflicht mit einer Impulsbreite von 50 ps und einer Impulsdauer von 10 ns erzeugt wird. In diesem Fall wird ein Vergleich mit einem Fall angestellt, bei dem CW-Licht mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von 100 mW als Prüflicht verwendet wird. Zu diesem Zeitpunkt kann, da durch das Vorhandensein von Photonen des stationären Hintergrundlichts verursachtes Rauschen als konstant angenommen wird, das Verhältnis von der der Prüflichtintensität entsprechenden Signalkomponente zu dem konstanten Rauschen 200-fach vergrößert werden, falls durch Impulsansteuerung bzw. Umschalten jede 50 ps eine optische Erfassung durchgeführt wird. Dies bedeutet, daß der Durchmesser des Nadellochs des optischen Fühlers 28 verkleinert und die Auflösung des optischen Nahfeldabtastmikroskops verbessert werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das optische Nahfeldabtastmikroskop gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel beschränkt.
Beispielsweise kann eine Photonen zählende Nachziehkamera oder eine Photovervielfacherröhre mit einer Mikrokanalplatte (MCP-PMT) als Torschaltungs-Photodetektor 44 verwendet werden. Bei der Photovervielfacherröhre mit einer Mikrokanalplatte kann jedoch die Ansteuerzeitbreite des steuernden Photodetektors aufgrund der kapazitiven Wirkung der Mikrokanalplatte bei einem Ein- und Ausschaltvorgang nicht wesentlich erhöht werden. Der Vorgang wird demgemäß bei geringer Geschwindigkeit durchgeführt. Jedoch können dieselben Vorteile wie die gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erzielt werden, falls die Ansteuerzeitbreite auf 5 ns und das optische Erfassungsintervall auf 0,5 µs eingestellt wird.
Ein Halbleiterlaser kann als Lichtimpulsquelle 30 verwendet werden. In diesem Fall kann, obwohl ein sehr großes Spitzenausgangssignal nicht erreicht werden kann, eine kleine, kostengünstige Lichtimpulsquelle mit guter elektrischer Steuerbarkeit erhalten werden.
Falls auf der Oberfläche der Probe keine Vorsprünge und Vertiefungen vorhanden sind, wird der optische Fühler 28 nicht in die Z-Richtung verschoben, aber die Probe 16 kann in der X-Y-Ebene abgetastet und ein erfaßtes Signal aus dem Torschaltungs-Photodetektor 44 gemessen werden. In diesem Fall entspricht das Meßergebnis dem Absorptionsverrnögen der Probe. Wenn die Probe 16 elektrisch leitend ist, kann ebenso ein Rastertunnelmikroskop (STM) zur Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit der Probe bezüglich Vertiefungen und Vorsprünge verwendet werden. Die Entfernung zwischen dem optischen Fühler 28 und der Oberfläche der Probe 16 wird im Ansprechen auf das Ausgangssignal aus dem Rastertunnelmikroskop konstant gehalten, und andere Merkmale als die Oberflächenbeschaffenheit können genauer erfaßt werden. Zwei Verfahren sind für die Anwendung des Rastertunnelmikroskops verfügbar. Gemäß dem ersten Verfahren sind ein Rastertunnelmikroskop-Fühler und ein optischer Fühler, wie in Fig. 2 dargestellt, nahe beieinander angeordnet. Zu diesem Zeitpunkt werden Speicher entsprechend der Zahl, die durch Teilung einer Entfernung d an den abgewandten Enden zweier Fühler durch einen steuerbaren Mindest- Bewegungsschritt a in der X- (oder Y-) Richtung erhalten wird, in der Analyseeinheit 47 angeordnet. Durch das Rastertunnelmikroskop erfaßte Daten der Vertiefungen und Vorsprünge der Oberfläche werden in der Analyseeinheit 47 gespeichert. Daten einer Vertiefung oder eines Vorsprungs werden ausgelesen, wenn der optische Fühler auf den Vorsprung oder die Vertiefung trifft, und dessen Z-Position wird zur Messung bestimmt. Gemäß dem zweiten Verfahren sind die zwei Fühler, wie in Fig. 3 dargestellt, durch eine größere Entfernung als eine Seite der Probe 16 voneinander beabstandet. Die Probe wird zeitweise durch das Rastertunnelmikroskop in der X- und Y- Richtung abgetastet, und sämtliche durch diese Abtastung erhaltenen Daten der Vertiefungen und Vorsprünge der Oberfläche werden in der Analyseeinheit 47 gespeichert. Eine Messung wird mittels des optischen Fühlers auf der Grundlage dieser Daten durchgeführt.
Gemäß dem ersten Verfahren kann die Speicherkapazität klein und die Anordnung einfach sein, und die Messung kann innerhalb einer kurzen Zeitspanne durchgeführt werden. Falls jedoch eine extreme Vertiefung oder ein extremer Vorsprung innerha,lb der Entfernung d von der Probe 16 vorhanden ist, beeinträchtigt ein Fühler den anderen Fühler derart, daß sich der andere Fühler nicht der Probe annähern kann und die Messung manchmal unmöglich wird. Hinsichtlich des zweiten Verfahrens kann, obwohl die Anordnung kompliziert ist und eine große Speicherkapazität vonnöten ist, die Messung durchgeführt werden, ohne einer derartigen Beschränkung wie bei dem ersten Verfahren unterworfen zu sein.
Wenn die Probe 16 nicht elektrisch leitend ist, kann zudem ein Abtast-Atomkopplungsmikroskop (AFM) zur Messung verwendet werden. In diesem Fall kann aufgrund des Erhalts von Daten hinsichtlich der Oberflächenbeschaffenheit durch das Atomkopplungsmikroskop eine ähnliche Messung wie die vorstehend beschriebene durchgeführt werden.
Ein fluoreszierendes Mittel kann als Probe 16 zur Messung deren Fluoreszenz-Lebensdauer verwendet werden. In diesem Fall wird inpulsähnliches Prüflicht aus einer Lichtimpulsquelle 30 als eine Anregungslichtquelle verwendet. Zusätzlich wird der Torschaltungs-Photodetektor 44 nicht nur gleichzeitig mit dem Prüflicht betrieben, sondern ebenso entsprechend einer zur Entnahme vorbestimmter Abschnitte der zeitabhängigen Verteilung der fluoreszierenden Lichtmenge erforderlichen Abtastzeit betrieben. Weiterhin kann ein Punkt der Probe 16 durch allmähliche Veränderung der Abtastzeit betrachtet werden. Bei Verwendung einer Nachziehkamera als Photodetektor kann anders als bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel eine regelmäßige Erfassungsanordnung parallel zu der Nachzieh-Abtastrichtung angeordnet werden, und Licht kann auf der Photokathode der Kamera durch Fokussieren des Lichts auf einen Punkt intensiv auftreffen. Dann kann zugleich die zeitliche Auflösung der fluoreszierenden Emission erfolgen. Als Ergebnis können die zeitlichen Eigenschaften der fluoreszierenden Emission der Probe 16 bei einer zeitlichen Auflösung der Ansteuerzeit des Photodetektors erfaßt und auf diese Weise das Material der Probe weitgehend identifiziert werden. Falls die Probe 16 in der X-Y-Ebene abgetastet wird, kann eine die Fluoreszenz-Lebensdauer der Probenoberfläche darstellende Abbildung erhalten werden.
Ein Prisma oder jegliches andere Spektroskop kann vor dem Torschaltungs-Photodetektor 44 vorgesehen sein. In diesem Fall kann, wenn Lichtkornponenten bei verschiedenen Wellenlängen von der Objektivlinse 40 in Linien zerlegt werden und auf den auffallseitigen Schlitz der Nachziehkarnera auffallen, das Spektrumprofil der Probe 16, beispielsweise fluoreszierende Emission erfaßt werden, wodurch das Material der Probe 16 präziser identifiziert wird. Wenn der Photodetektor eine Photovervielfacherröhre mit einer Mikrokanalplatte ist, können die Lichtkomponenten bei unterschiedlichen Wellenlängen von der Objektivlinse 40 zur Durchführung derselben Erfassung nacheinander verändert werden. Falls die Probe 16 in der X-Y- Ebene abgetastet wird, kann die Abbildung des Spektrumsmaxinums oder der Spektrumsbreite der Probenoberfläche erhalten werden.
Wenn eine Nachziehkamera als Photodetektor verwendet wird, kann die regelmäßige Erfassungsanordnung als zweidimensionale Erfassungseinrichtung, beispielsweise eine CCD-Kamera, verwendet werden, so daß eine Zeitteilung und Spektroskopie von aus der Linse 40 ausgegebenem Licht gleichzeitig durchgeführt werden kann. In diesem Fall kann eine X-Y-Abtastung jeweils zum Erhalt von Abbildungen des Spektrumsmaximums, der Spektrumsbreite, der Fluoreszenz-Lebensdauer usw. gleichzeitig durchgeführt werden.
Der optische Fühler 28 kann durch die X-Y-Abtasteinheit 14 in der X- und Y-Richtung abgetastet werden. Als Alternative kann die Probe 16 durch die Z-Verschiebungseinheit 24 in der Z- Richtung verschoben werden.
Ein Laser mit einer veränderlichen Wellenlänge. kann als Lichtquelle verwendet werden, und nicht nur sichtbare Strahlung, sondern ebenso verschiedene Strahlungsarten können verwendet werden.
Der optische Fühler 28, die Objektivlinse 40 usw. können in anderen Meßbetriebsarten verwendet werden. Beispielsweise kann die Probe unter Verwendung der Objektivlinse 40 von deren unterer Oberseite her bestrahlt werden, und durch die Probe transmittiertes Licht kann durch einen optischen Fühler nahe der Oberfläche der Probe erfaßt werden. Weiterhin kann durch den optischen Fühler nahe der Oberfläche der Probe emittiertes und an der Oberfläche der Probe reflektiertes Licht durch denselben optischen Fühler erfaßt werden. Eine Impulsstrahlwelle kann einen weiten Bereich der Probe schief bestrahlen, und ein optisches Nahfeldsystem kann lediglich zur optischen Erfassung verwendet werden.
Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung auf vielerlei Arten variiert werden kann. Derartige Variationen werden nicht als Abweichung von der Erfindung angesehen, und alle derartigen für den Fachmann offensichtlichen Modifikationen sind in dem Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche enthalten.

Claims

1. Optisches Nahfeldabtastmikroskop zum Erhalt eines Bildes einer Probe mit

einer Lichtquelle (30), die Licht mit einer Intensität zur Bestrahlung einer Probe in einer Probeneinstellposition erzeugen kann,

einer optischen Nahfeldeinrichtung (28, 40) mit einer der Probeneinstellposition zugewandten Apertur zur Ausrichtung von Licht aus der Quelle auf die Probeneinstellposition und zum Empfang von Licht von einer Probe in der Probeneinstellposition und

einer Erfassungseinrichtung (44) zur Erfassung von durch die optische Nahfeldeinrichtung empfangenem Licht,

gekennzeichnet durch

eine Steuereinrichtung (46, 48, 50) zur Steuerung der Lichtquelle (30), damit Lichtimpulse erzeugt werden, und zur Steuerung der Erfassungseinrichtung (44), damit empfangenes Licht synchron zur Erzeugung der Lichtimpulse durch die Lichtquelle erfaßt wird.

2. Mikroskop nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

die optische Nahfeldeinrichtung eine optische Fühlereinrichtung (28) zur Zufuhr von Licht aus der Lichtquelle (30) über die Apertur zu der Probeneinstellposition und eine Aufnahmeeinrichtung (40) zur Aufnahme von Licht von einer Probe in der Probeneinstellposition aufweist.

3. Mikroskop nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß

die optische Fühlereinrichtung einen Lichtwellenleiter (28) aufweist und die Apertur durch eine Öffnung in einem an einem abgewandten Endabschnitt des Lichtwellenleiters ausgebildeten Metalldünnfilm gebildet ist.

4. Mikroskop nach Anspruch 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, daß

die optische Fühlereinrichtung (28) auch als Aufnahmeeinrichtung dient.

5. Mikroskop nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

die optische Nahfeldeinrichtung eine Zufuhreinrichtung (32, 34) zur Zufuhr von Licht aus der Lichtquelle zu der Probeneinstellposition und eine optische Fühlereinrichtung (28) zur Aufnahme von Licht von einer Probe in der Probeneinstellposition über die Apertur aufweist.

6. Mikroskop nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß

die optische Fühlereinrichtung einen Lichtwellenleiter aufweist und die Apertur durch eine Öffnung in einem an einem abgewandten Endabschnitt des Lichtwellenleiters ausgebildeten Metalldünnfilm gebildet ist.

7. Mikroskop nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, daß

die optische Fühlereinrichtung (28) auch als Zufuhreinrichtung dient.

8. Mikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Apertur der optischen Fühlereinrichtung (28) in einer im wesentlichen zu einer Oberfläche einer Probe in der Probeneinstellposition senkrechten Richtung bewegbar ist.

9. Mikroskop nach Anspruch 8,

gekennzeichnet durch eine Abtasteinrichtung (14) zur zweidimensionalen Abtastung der Probe auf einer zu der Bewegungsrichtung (Z) der Apertur senkrechten Ebene (X, Y)

10. Mikroskop nach Anspruch 8,

gekennzeichnet durch

eine Abtasteinrichtung (14) zur zweidimensionalen Abtastung der Apertur auf einer zu der Bewegungsrichtung (Z) der Apertur senkrechten Ebene (X, Y)

11. Mikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuereinrichtung (46., 48, 50) die Erfassungseinrichtung (44) und die Lichtquelle (30) derart steuert, daß die Erfassungseinrichtung das durch die optische Nahfeldeinrichtung (28, 40) empfangene Licht nach einem vorbestimmten Zeitinter vall nach der Erzeugung eines Lichtimpulses durch die Lichtquelle (30) erfassen kann.

12. Mikroskop nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall veränderbar ist.

13. Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuereinrichtung (46, 48, 50) die Erfassungseinrichtung (44) und die Lichtquelle (30) derart steuert, daß die Erfassungseinrichtung das durch die optische Nahfeldeinrichtung (28, 40) empfangene Licht gleichzeitig mit der Erzeugung eines Lichtimpulses durch die Lichtquelle erfassen kann.

14. Mikroskop nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Erfassungseinrichtung eine Nachziehkarnera (44) aufweist, wobei die steuereinrichtung ein die Nachziehkamera zur Abtastung veranlassendes steuersignal erzeugt, wobei das Steuersignal mit der Erzeugung eines Lichtimpulses durch die Lichtquelle (30) synchronisiert ist.

15. Mikroskop nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuereinrichtung eine Irnpuls-Ansteuereinheit (50) zur Steuerung der Erzeugung eines Lichtimpulses durch die Lichtquelle (30) aufweist, wobei die Impuls-Ansteuereinheit (50) synchron zu dem Steuersignal betreibbar ist.

16. Mikroskop nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Erfassungseinrichtung eine Photoverviel facherröhre mit einer Mikrokanalplatte (MCP-PMT) aufweist, die zum synchronen Betrieb mit der Erzeugung eines Lichtirnpulses durch die Lichtquelle (30) durch die Steuereinrichtung (46, 48, 50) gesteuert wird.

17. Mikroskop nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Erfassungseinrichtung (44) Licht mit einer vorbestimmten, sich von derjenigen eines durch die Lichtquelle erzeugten Lichtimpulses unterscheidenden Wellenlänge isolieren und erfassen kann.

18. Mikroskop nach Anspruch 14 oder 15,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Erfassungseinrichtung (44) eine Spektroskopie-Einrichtung zur Trennung von durch die optische Nahfeldeinrich tung (28, 40) empfangenen Licht in Einheiten von Wellenlängen aufweist und die Nachziehkamera Licht aus der Spektroskopie- Einrichtung empfängt.

19. Mikroskop nach Anspruch 18,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Spektroskopie-Einrichtung ein Prisma und einen Schlitz aufweist, durch den Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge aus dem Prisma durchgelassen wird.

20. Mikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch

eine Nebenfühler-Einrichtung zur Messung vorbestimmter physikalischer Eigenschaften einer Probe in der Probeneinstellposition.

21. Mikroskop nach Anspruch 20 in Abhängigkeit von Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Nebenfühler-Einrichtung eine Oberflächenbeschaffenheit einer Probe in der Probeneinstellposition erfaßt, und die optische Fühlereinrichtung (28) die Apertur entsprechend einem Ausgangssignal aus der Nebenfühler-Einrichtung bewegt, damit eine Entfernung zwischen der Oberfläche der Probe und der Apertur auf einem vorbestimmten Wert beibehalten wird.

22. Mikroskop nach Anspruch 21,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Neben fühler-Einrichtung ein Atomkopplungsmikroskop (AFM) und/oder ein Rastertunnelmikroskop (STM) ist.