DE69223789T2

DE69223789T2 - Optisches Nahfeldabtastmikroskop

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Publication number: DE69223789T2
Application number: DE69223789T
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr. Ura 214 Cnrs F-25030 Besancon Cedex Courjon; Wolfgang Dieter Dr. Ch-8134 Adliswil Pohl
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-10-22
Filing date: 1992-10-22
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2012-10-23
Also published as: EP0593835A1; JPH07140155A; US5539197A; EP0593835B1; JP2555531B2; DE69223789D1; ATE161636T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Nahfeldabtastmikroskop der Art, bei der ein Lichtpunkt mit einen Durchmesser von ca. λ/20 über eine Oberfläche geführt oder durch eine enge Apertur ausgewählt wird und das reflektierte (oder durch das Objekt durchgedrungene) Licht aufgezeichnet und/oder weiter verarbeitet wird, wobei der Abstand zwischen der lichtaussendenden oder lichtempfangenden Sonde und der zu betrachtenden Oberfläche ebenfalls in der Größenordnung von λ/20, d.h. innerhalb des sogenannten Nahfeldes liegt.
Optische Nahfeldmikroskope sind dem Fachmann bekannt. Ein erster, eher theoretischer Vorschlag wurde bereits von E.A. Synge, A Suggested Method for Extending Microscopic Resolution into the Ultra-Microscopic Region, Phil. Mag. 6 (1928) S. 356- 362, beschrieben. Später wies J.A. Owkeefe in seinem Artikel Resolving Power of Visible Light, J. Opt. Soc. Am., Bd. 46, Nr. 5, Mai 1956, S. 359, darauf hin, daß die Realisierung dieses Vorschlags in der Praxis angesichts der - zur damaligen Zeit - noch ungelösten Schwierigkeiten bei der Abtastbewegung über die sehr geringen Distanzen noch in weiter Ferne liege. Die Grundidee wurde jedoch weiterverfolgt, wie dem Artikel von E.A. Ash und G. Nicholls, Super-resolution Aperture Scanning Microscope, Nature, Bd. 237, Nr. 5357, 30. Juni 1972, 5. 510-515 zu entnehmen ist.
Bei allen diesen Vorschlägen bestand die Apertur aus einem kleinen Loch in einer dünnen Membran. Die Notwendigkeit, die abzutastende Oberfläche in einem Abstand von der Membran zu positionieren, die etwa dem Durchmesser der Apertur entspricht, führte dazu, daß nur Objekte betrachtet werden konnten, deren Oberflächenebenheit wesentlich besser war als eine optische Wellenlänge.
Die erste praktische Realisierung eines optischen Nahfeldabtastmikroskops wurde von W.D. Pohl in der Patentschrift EP-A- 112 401 (1982) beschrieben. Hier ist die Apertur in Form eines optisch transparenten Körpers mit feiner Spitze implementiert, der mit einer lichtundurchlässigne Schicht überzogen ist, die an der Spitze des Körpers ein Loch hat, dessen Durchmesser im Verhältnis zur Wellenlänge des verwendeten Lichts klein ist.
Zu Informationszwecken sei auf folgende Artikel verwiesen, die theoretische und/oder praktische Details der optischen Nahfeldmikroskopie nach dem aktuellen Stand der Technik behandeln:
- Dürig, D.W. Pohl, F. Rohner, Near-field optical-scanning microscopy, J. Appl. Phys., Bd. 59, Nr. 10, 15. Mai 1986, S. 3318-3327.
- D. Courjon, J.-M. Vigoureux, M. Spajer, K. Sarayeddine, S. Leblanc, External and internal reflection near field microscopy: experiments and results, Applied Optics, Bd. 29, Nr. 26, 10. September 1990, S. 3734-3740.
- R.C. Reddick, R.J. Warmack, D.W. Chilcott, S.L. Sharp, T.L. Ferrel, Photon scanning tunneling microscopy, Rev. Sci. Instr., Bd. 61, Nr. 12, Dezember 1990, S. 3669-3677.
- E. Betzig, J.K. Trautman, Near-Field Optics: Microscopy, Spectroscopy, and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit, Science, Bd. 257, 10. Juli 1992, S. 189-195.
In den Artikel "Scanning Tunneling Optical Microscopy" by D. Courjon et al. in Optics Communications, Bd. 71, Nr 1/2, 01.05.89, Amsterdam, NL, S. 23-28, wird ein optisches Tunnelmikroskop mit einer Auflösung von weniger als der Wellenlänge beschrieben. Es basiert auf der Erkennung und Analyse des abklingenden Feldes, das durch die Totalreflexion auf der Oberfläche eines transparenten Materials erzeugt wird. In Strahlweg befindet sich eine Spitze aus einem piezoelektrischen Material, dessen Größe etwa der Wellenlänge entspricht oder kleiner als diese ist.
Das klassische Nahfeldabtastmikroskop (SNOM) besitzt eine sehr kleine Apertur mit einem Eintrittspupillendurchmesser, der im Verhältnis zur Wellenlänge des zur Beleuchtung des zu betrachtenden Objekts klein ist. Auf die Apertur ist ein Laserstrahl gerichtet, von dem ein kleiner Teil die Apertur passiert, um auf die Objektoberfläche zu treffen. Wenn das Objekt in einem im Verhältnis zur Wellenlänge kleinen Abstand von der Apertur, d.h. im Nahfeld, positioniert wird, kann das vom Objekt reflektierte oder durch das Objekt hindurchgedrungene Licht gesammelt und so verarbeitet werden, daß ein Abbild der zu betrachtenden Oberfläche entsteht. Derzeit erreichen SNOMs eine Auflösung von ca. λ/20 im sichtbaren Licht.
Die Operationsbasis des konventionellen optischen Rastertunnelmikroskops (STOM) - wie in dem Artikel von Courjon et al. beschrieben und auch unter der Bezeichnung Photonen-Rastertunnelmikroskop bekannt wie in dem Artikel von Reddick et al. beschrieben - ist das objektmodulierte Tunneln von normalerweise intern reflektierten Photonen auf eine feine lichtdurchlässige Spitze. Die Photonenguelle ist das abklingende Feld, das durch die interne Totaireflexion eines Lichtstrahls an der Objektoberfläche entsteht. Auf diese Weise bilden räumliche Veränderungen der Stärke des abklingenden Feldes die Grundlage für die Abbildung. Sie liefern im wesentlichen eine exponentiell abnehmende Wellenform senkrecht zur Objektoberfläche. Photonen, die von der internen Totalreflexionsoberfläche zur Spitze tunneln, werden auf einen geeigneten Detektor geleitet, der den Lichtstrom in ein elektrisches Signal umwandelt.
Dies entspricht der Elektronenwellenfunktion in einer Tunnelbarriere wie sie von Elektronen-Rastertunnelmikroskopen bekannt sind. Und wie beim Tunneln von Elektronen hängt auch die Anzahl der Photonen, die den Detektor erreichen, stark vom Abstand zwischen der Spitze und der Objektoberfläche ab. Allerdings arbeiten tatsächlich alle bekannten konventionellen Photonen- Tunnelmikroskope mit Luft (oder möglicherweise mit einem Vakuum) in dem Spalt zwischen Spitze und Objektoberfläche, wohingegen bei der vorliegenden Erfindung der Spalt mit einem Medium gefüllt ist, das dichter als Luft ist, nämlich mit einer Flüssigkeit. Im Rahmen der Erfindung können mehrere verschiedene Flüssigkeiten in den Spalt eingefüllt werden, z.B. pigmentierte Lösungen oder Öl; die nachstehende Beschreibung konzentriert sich allerdings auf Flüssigkeiten mit extremen Dämpfungseigenschaften: Flüssigmetalle.
So betrifft die Erfindung speziell die optischen Nahfeldabtastmikroskope gemäß Anspruch 1 und 2 sowie die entsprechenden Untersuchungsverfahren gemäß Anspruch 8 und 9. Das Mikroskop gehört zu dem Typ, bei dem ein Lichtstrahl mit einem Durchmesser von ca. λ/20 oder weniger von einer feinen Tastspitze ausgesandt bzw. empfangen wird, welche über die Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts geführt wird, wobei das vom Objekt reflektierte und/oder durch das Objekt hindurchgedrungene Licht aufgezeichnet und/oder weiterverarbeitet wird, und wobei der Abstand zwischen der lichtaussendenden oder lichtempfangenden Tastspitze und der zu betrachtenden Oberfläche ebenfalls im Bereich von λ/20 liegt, so daß die Oberfläche sich innerhalb des Nahfeldes der Tastspitze befindet. Außerdem ist der Spalt zwischen der Tastspitze und den Objekt mit einer optisch dämpfenden Flüssigkeit mit hoher Opazität und besonders mit einer hohen negativen Dielektrizitätskonstanten &epsi; gefüllt, um die Intensität der von der Tastspitze ausgesandten bzw. empfangenen Lichtwellen so weit abzuschwächen, daß die Eindringtiefe z&sub0;, definiert als der Abstand, über den ihre Intensität auf 1/e abnimmt, weniger als 100 beträgt.
Details zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
In Fig. 1 ist zu sehen, wie ein Elektron durch eine Isolatorbarriere (1) tunnelt.
Fig. 2 zeigt ein Photon, das durch eine Metallbarriere (M) zwischen zwei transparenten dielektrischen Materialien (1) tunnelt.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optischen Nahfeldabtastmikroskops.
In Fig. 4 bis 6 sind drei Möglichkeiten dargestellt, wie ein Flüssignetall angewendet werden kann.
In Fig. 7 und 8 sind die Durchlaßeigenschaften verschiedener Metalle bei verschiedenen Auftreffwinkeln für Quecksilber dargestellt.
Fig. 9 ist ein Diagramm der charakteristischen Dämpfungsstrekken für verschiedene Metalle.
Fig. 10 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In Fig. 11 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
In Fig. 12 ist die Dampfungsstrecke eines konventionellen optischen Nahfeldabtastmikroskops des STOM-Typs mit einem Luft/Vakuumspalt dargestellt.
Fig. 13 ist ein Diagramm der Dämpfungsstrecken des erfindungsgemäßen optischen Nahfeldabtastmikroskops mit einer mit einem Flüssigmetall gefüllten Spalt.
Die Fähigkeit, eine Potentialbarriere zu durchtunneln, ist allen Formen der wellenartigen Ausbreitung gemeinsam. Innerhalb der Potentialbarriere nimmt die Amplitude der Wahrscheinlichkeitsfunktion typischerweise exponentiell ab. Dieses Phänomen wurde in den bekannten Elektronentunnelmikroskopen angewandt, und es ist auch in Verbindung mit Photonentunnelmikroskopen anwendbar. Für Elektronen besteht die einfachste Tunnelbarriere aus einem Spalt zwischen zwei metallisch leitenden Teilen, die eine "MIM"-Verbindung bilden (dabei steht M für den metallischen Leiter und 1 für den isolierenden Spalt) . Somit ist
V(z) - E > 0 (Metall), V(z) - E < 0 (Spalt), [1]
wobei z die Ausbreitungsrichtung, V(z) das Potential und E die Energie des Elektrons ist. Es sei auf Fig. 1 verwiesen. Dies ist für den Fachmann aus der stationären Schrödinger-Gleichung bzw. ihrer Fourier-Transformation
zu erkennen, wobei h das Dirac-h, m die Masse des Elektrons, kx,y,z die Wellenvektoramplitudenkomponenten in kartesischen Koordinaten und ψ die Wahrscheinlichkeit ist. Die Form der elektromagnetischen Wellengleichung nach Gleichung [2] mit den elektrischen Feld E lautet:
Dabei ist k&sub0; ω&sub0;/c&sub0;, wobei ω&sub0;, c&sub0; und &epsi;(z) = n²(z) die Oszillationsfrequenz, die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und die Dielektrizitätskonstande des Barrierenmaterials, die gleich den Quadrat des entsprechenden Brechungsindex n ist, bezeichnen. Die einfachste Implementierung einer optischen Tunnelbarriere ist ein Metallfilm mit negativem &epsi; zwischen zwei Teilen aus einem transparenten Medium mit einem &epsi; > 0, also einer "IMI"- Verbindung wie in Fig. 2.
Um eine Abschwächung in der Ausbreitungsrichtung, in diesem Fall z, zu erreichen, muß kz eine starke imaginäre Komponente besitzen. Daher gilt:
Rek < 0 [4]
mit der Forderung, daß
q² - (k + k ) < 0 [5]
ist, wobei VB und &epsi;B für das Barrierenpotential bzw. die dielektrische Konstante stehen, also
q² 2m/ [E - VB] [6a]
für Elektronen und
q² = &epsi;Bk
für Photonen. Durch Einsetzen von Gleichung [6b] in Gleichung [5] erhält man:
&epsi;Bk - (k + k ) < 0 [7]
Gleichung [7] kann auf zweierlei Weise erfüllt werden:
1. Indem kx, ky sehr groß gemacht wird.
Diese Möglichkeit wurde für bisherige optische Tunnelabtastmikroskope (STOM) gewählt. Die STOM-Technik ist geeignet, unterliegt aber Beschränkungen hinsichtlich der erreichbaren Auflösung und ist auf schräg einfallende Beleuchtung beschränkt, was gewisse Einschränkungen der Objektgeometrie zur Folge hat.
2. Indem ein Barrierematerial mit Re EB < 0 gewählt wird.
Von dieser Möglichkeit wird in der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht, indem der Spalt zwischen der transparenten Tastspitze und der Objektoberfläche mit einer metallischen Flüssigkeit gefüllt wird, die eine hohe negative Dielektrizitätskonstante aufweist, siehe Fig. 3. Ange- sichts der geringen Spaltbreite kann die Füllung zwischen Tastspitze und Objektoberfläche als sehr dünner Film betrachtet werden.
Eine Lichtwelle wird beim Durchgang durch einen dünnen metallischen Film stark gedämpft. Die Eindringtiefe z&sub0; (definiert als die Strecke, über die die Lichtstärke auf 1/e abnimmt) für die Photonen beträgt typischerweise 5 bis 20 nm bei guten Metallen und senkrechtem Einfallswinkel. Nach der klassischen Optiktheone (Fig. 9) können aber bei großen Einfallswinkeln Werte von nur 2 nm erreicht werden. Die geringe Tiefe wird in der vorliegenden Erfindung zum Erzielen einer sehr hohen Empfindlichkeit des optischen Nahfeldabtastmikroskops verwendet.
Lichtwellen werden selbstverständlich auch in einem festen Metallfilm (wie er auf die zu betrachtenden Oberfläche aufgebracht werden kann) gedämpft; in der vorliegenden Erfindung werden aber aus zwei naheliegenden Gründen flüssige Dünnfilme und vorzugsweise solche aus Flüssigmetall verwendet: (1) Weil dann nicht die Gefahr besteht, daß die Spitze bei der Annäherung an den Dünnfilm beschädigt werden könnte, und (2) weil die effektive Dicke des Dünnfilms kontinuierlich variiert werden kann. Die Lichtdurchlässigkeit des Spalts kann somit auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden.
Die Dicke von Film 1 des Flüssigmetalls 9 (Fig. 3) zwischen dem Scheitelpunkt 2 der Tastspitze 3 und der Oberfläche 4 des Objekts 5 kann so gewählt werden, daß der Durchgangspfad eines auf die Oberfläche 4 auftreffenden Lichtstrahls 6 seitlich auf einen kleinen Bereich 7 um den Scheitelpunkt der Tastspitze 3 beschränkt ist. Der der in die Tastspitze 3 eindringende Lichtstrahl 8 ist somit Träger von Informationen über die Wechselwirkungszone, d.h. den Tunnelbereich 7. Diese Informationen können von einem geeigneten Photodetektor in elektrische Signale umgewandelt werden. Die Strahlrichtung kann auch umgekehrt werden, so daß das Licht an der entfernten Seite in die Tastspitze 3 geleitet und auf der Objektseite wieder aufgenommen wird. Ferner kann die von der Spaltbreite abhängige Anderung statt im Durchgangsmodus auch im Reflexionsmodus betrachtet werden, so daß das erfindungsgemäße Verfahren auch auf die Betrachtung lichtundurchlässiger Objekte angewandt werden kann.
Die Seitenauflösung eines SNOM oder STM entspricht in etwa der Dämpfungsstrecke. Bei einer Dämpfungsstrecke z&sub0; von 2 bis 10 nm erreicht die Seitenauflösung eines SNOM mit einen mit Flüssigmetall gefüllten Spalt die Größenordnung molekularer Strukturen. Beim Einsatz von Laserlicht zur Veränderung von Materialien können Signaturen dieser Größe erzeugt werden. Damit wird eine optische Speicherung mit einer Bitgröße von weniger als 10 nm möglich.
Spaltfüllungen aus Flüssigmetall sorgen für eine reproduzierbare Deformation des Spalts. Verschiedene Metalle, vor allem Legierungen, sind bei Raumtemperatur oder knapp darüber flüssig, so z.B. eine eutektische Indium/Gallium-Legierung mit einem Schmelzpunkt von 15,7ºC, eine Indium/Quecksilber-Legierung mit bis zu 70% Indium oder reines Galhum mit einem Schmelzpunkt von 29ºC oder reines Quecksilber. Weitere Informationen über Flüssigmetalle sind der Veröffentlichung von M. Hansen und K. Anderko, Constitution of Binary Alloys, Mcgraw-Hill Book Company, Inc., New York 1958, insbesondere S. 745 - 747, zu entnehmen.
Um auch bei sehr geringer Spaltbreite einen stabilen Flüssigkeitsfilm zwischen der Tastspitze und der Objektoberfläche aufrechtzuerhalten, muß das Flüssigmetall die Tastspitze und/oder die Objektoberfläche zumindest bis zu einen gewissen Grad benetzen. Die Eigenschaften einer Ga/In-Legierung sind, im Gegensatz zu reinem Quecksilber, in dieser Hinsicht günstig, da saubere trockene Oberflächen aus Glas und ähnlichen Materialien wie z.B. frisch gespalteter Glimmer leicht benetzbar sind. Auch metallisierte Oberflächen lassen sich problemlos benetzen. Es ist deshalb empfehlenswert, die Tastspitze mit einem dünnen Metallfilm, z.B. aus Gold oder Chrom, zu überziehen. Die Stabilität des Flüssigkeitsfilms kann durch Druck verbessert werden. Zu diesem Zweck können die Tastspitze 3, 13 und das Objekt 5, 11, 27 in eine Druckkammer (nicht abgebildet) eingeschlossen werden, welche die Ausübung eines hydrostatischen Drucks indem Spalt zwischen der Tastspitze und dem Objekt ermöglicht.
Die Notwendigkeit der Benetzbarkeit führt zu Einschränkungen auf bestimmte Oberflächen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrachtet werden können. Es gibt jedoch ein breites Spektrum an Oberflächenpräparationsverfahren, um die Benetzbarkeit zu erreichen, und auch eine große Auswahl an Flüssigmetallen, wenn man ternäre und noch komplexere Zusammensetzungen mit in Betracht zieht und wenn man etwas höhere Schmelzpunkte von beispielsweise ca. 300ºC akzeptieren kann.
Zum Aufbringen des Flüssigmetalls in der Wechselwirkungszone des optischen Nahfeldabtastmikroskops gibt es verschiedene Möglichkeiten. Drei davon sind in Fig. 4 bis Fig. 6 dargestellt:
1. Ein Tröpfchen 10a des Flüssigmetalls wird neben der Tastspitze auf die Objektoberfläche gebracht. Das Tröpfchen kann durch Vergrößern und/oder Schieben zur Tastspitze dazu gebracht werden, sich über den gesamten Spaltbereich auszubreiten (Fig. 4).
2. Ein Film 10b aus Flüssigmetall wird vor der Annäherung der Tastspitze auf die Objektoberfläche aufgebracht. Dazu werden Verfahren zur Abscheidung im Vakuum wie z.B. Abscheiden oder Sputtern, favorisiert, da diese Verfahren das Aufbringen von Filmen mit festgelegter Dicke ermöglichen (Fig. 5).
3. Ein Film 10c aus Flüssigmetall wird vor dem Annähern des Objekts auf die Oberfläche der Tastspitze aufgebracht. Auch hier ist die Abscheidung im Vakuum möglicherweise die beste Wahl, aber ein einfaches Eintauchen der Spitze könnte ausreichen, sofern diese vorher in geeigneter Weise präpariert wurde.
Die Dielektrizitätskonstanten &epsi; (bei 1,5 bis 2,0 eV) und die resultierenden Eindringtiefen z&sub0; für die Flüssigmetalle sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.
Ga/In-Legierungen und In/Hg-Legierungen sollten optische Konstanten zwischen denen von Galhum und Indium bzw. zwischen Indium und Quecksilber besitzen. Die optischen Eigenschaften der eutektischen Gallium/Indium-Legierung sollten denen von Quecksilber weitgehend entsprechen. Die oben aufgeführten Referenzliteraturverweise beziehen sich auffolgende Veröffentlichungen:
(a) R. Kofman, P. Cheyssac, J. Richard, Optical Properties of Ga Monocrystal in the 0.3 ... 0.5 eV Range, Phys. Rev. B 16 (1977) S. 5216-5223.
(b) R.Y. Koyama, N.W. Smith, W.E. Spicer, Optical Properties of Indium, Phys. Rev. B 8 (1973) S. 2426-3432.
(c) T. Inagaki, E.T. Arakawa, M.W. Willians, Optical Properties of Liquid Mercury, Phys. Rev. B 23 (1981) S. 5246- 5262.
Die Durchlässigkeit einer IMI-Verbindung, d.h. eines dünnen Metallfilms zwischen zwei flachen Schichten, kann mit Hilfe der bekannten Optiktheorie von Metallen berechnet werden. Hierzu sein auf N. Born, E. Wolff: Principles of Optics, Pergamon Press, London 1959, verwiesen, und dabei insbesondere auf Kapitel 13.4, Gleichung (24). Diese Gleichung liefert wegen der starken Krümmung im Scheitelpunkt nur einen Näherungswert für die Tastspitzen- und Objektanordnung. Dieser Näherungswert genügt aber für semi-guantitative Vorhersagen, da er recht gut mit den jetzt verfügbaren experimentellen Daten übereinstimmt.
In Fig. 7 sind die berechneten Transmissionseigenschaften in Abhängigkeit von der Filndicke für Gallium, Indium und Quecksilber bei senkrechtem Einfallswinkel des Lichtstrahls dargestellt. Die finiten Imaginärteile von &epsi; sind in diesen Berechnungen enthalten. Sie bewirken eine der exponentiellen Dämpfung überlagerte sinusförmige Modulation. Diese ist jedoch so langwellig, daß sie nicht als Wellenmuster der Kurven erkennbar ist. Die Dämpfungsstrecken betragen ca. 20 nm für Gallium, 4 nm für Indium und 8 nm für Quecksilber. Wie zu erwarten ist, fällt die Transmissivität bei schrägem Einfallswinkel noch abrupter ab, wie in Fig. 8 für Quecksilber zu sehen ist.
Die Dämpfung ist nicht genau exponentiell, insbesonderen nicht bei sehr geringer Spaltbreite. Die aus einer exponentiellen Berechnung gewonnenen Dämpfungsstrecken eignen sich daher nicht unbedingt für praktische Anwendungen, wo beispielsweise der Transmissivitätsbereich zwischen 10% und 90% besonders von Interesse ist. Deshalb sind in Fig. 9 drei charakteristische Parameter für die drei Metalle dargestellt, und zwar die inverse Dämpfungskonstante z&sub0;&sub1; die 1/e-Spaltbreite z&sub1; und die 1/e²- Spaltbreite z&sub2;. Aus dem Diagramm ist zu ersehen, daß es erhebliche Unterschiede zwischen z&sub0; und z&sub1; sowie zwischen z&sub2; und 2z&sub1; gibt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 10 dargestellt, die weitgehend Fig. 4 in einem Artikel von K. Sarayeddine et al. mit dem Titel "Scanning Tunneling Optical Microscopy (STOM) Using a Stylus Sensor Application to Topography Analysis of Guiding Surfaces", SPIE Bd. 1139, Optical Storage and Scanning Technology (1989) 5. 68-72, entspricht. In Fig. 10 wird das Objekt 11 auf einer x-y-Abtastvorrichtung 12 zur Bewegung in x- und y-Richtung gegenüber einer Tastspitze 13 festgehalten, die ihrerseits auf einer z-Achse 14 zur Vertikalbewegung gegenüber der Oberfläche des Objekts 11 befestigt ist. Tastspitze 13 kann beispielsweise aus einen spitzen Ende einer optischen Glasfaser 15 bestehen, deren anderes Ende mit einem synchronen Detektor 16 verbunden ist. Letzterer empfängt ein Eingangssignal von einem Modulator 17, der auch eine akustooptische Zelle 18 steuert, welche wiederum den Laserstrahl 19 steuert, der von einem Laser 20 kontinuierlich ausgesandt wird. Laserstrahl 20 passiert eine Linse 21, wird von einem Spiegel 22 abgelenkt und trifft auf der Oberfläche von Objekt 11 auf, nachdem er ein Prisma 23 durchlaufen hat; die x-y-Abtastvorrichtung 12 und die z-Vorschubachse 14 empfangen Steuersignale von einem PC 24, der seinerseits von dem synchronen Detektor 16 gesteuert wird und ein Abbild auf einem Plotter 25 ausgibt.
Der wichtige Unterschied besteht darin, daß bei der in Fig. 10 dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung die Tastspitze 13 in ein Tröpfchen Flüssigmetall 40 eintaucht, das auf diese Weise den gesamten Spalt zwischen der Tastspitze 13 und der Oberfläche des Objekts 11 füllt, während bei Sarayeddine et al. keine Spaltfüllung außer Luft vorgeschlagen wird.
In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 10 tritt der Laserstrahl 19 in einen festen Winkel in das Objekt 11 ein. Mehr Flexibilität ist mit dem zweiten, in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel zu erreichen, wo das zu betrachtende Objekt 27 an einem 90º-Glasprisma 28 befestigt wird. Wenn ein Laserstrahl 29 auf die senkrechte Flanke 30 von Prisma 28 gerichtet wird, trifft er senkrecht auf die Oberfläche des (transparenten) Objekts 27 auf. Wenn der Laserstrahl 31 mittels eines Spiegels 32 auf die 45º-Flanke von Prisma 28 gerichtet wird, beträgt der Auftreffwinkel 45º, und wenn der Laserstrahl 34 eine schräge Richtung hat, trifft er unter einen Winkel von 75º auf. Bei dem Laser kann es sich beispielsweise um einen Diodenlaser handeln. Abgesehen von der Art der Strahlführung sind die beiden Ausführungsbeispiel der Erfindung äquivalent.
Ohne den Flüssigkeitsfilm können beide Ausführungsbeispiele im konventionellen STOM-Modus betrieben werden: Die Tastspitze 13 wird mittels einer von einem Motor angetriebenen Mikrometerschraube (nicht abgebildet) in die Nähe des Objekts gebracht und dann mittels der z-Vorschubvorrichtung 14 auf das Objekt zubewegt, bis der Scheitelpunkt der Tastspitze 13 das abklingende Feld erreicht, das von dem betreffenden Laserstrahl 19, 29, 31 oder 34 erzeugt wird, welcher die Objektoberfläche in einem Winkel trifft, der größer ist als der kritische Winkel für die Totalreflexion (bei Glas 42º). Die Lichtleitfaser wandelt einen Teil der abklingenden Welle in eine sich ausbreitende Welle um und leitet sie auf den synchronen Detektor 16 (bei dem es sich um einen konventionellen Photovervielfacher handeln kann).
Während des Betriebs ohne Flüssigmetallfüllung, d.h. mit einem Luftspalt, ändert sich der vom Detektor erkannte Lichtstrom fast exponentiell mit dem Abstand zwischen der Tastspitze 13 und der Oberfläche des Objekts 11. In Fig. 12 ist die Beziehung zwischen Lichtstrom und Entfernung für das in Fig. 11 dargestellte Ausführungsbeispiel bei Strahleinfallswinkeln von 45º und 75º (Laserstrahl 31 bzw. 34) dargestellt. Die entsprechenden experimentell ermittelten Dämpfungsstrecken betragen 100 nm bzw. 40 nm. Es hat sich gezeigt, daß sich die Dämpfungsstrecke bei einer Erhöhung des Einfallswinkels in Richtung 90º nur geringfügig ändert. Es ist zu beachten, daß in diesem Diagramm die Abszisse ihren Ursprung in einem willkürlich gewählten Punkt hat, wo die Feinannäherung der Tastspitze 13 an das Objekt 27 beginnt.
Bei der vorliegenden Erfindung füllt ein dünner Flüssigmetallfilm den Spalt zwischen der Tastspitze 13 und dem Objekt 27 aus (Fig. 11). Der Metallfilm kann beispielsweise mit einer Pipette 35 aufgebracht werden, in die etwas Flüssigmetall 36 eingesaugt wurde. Durch Druckausübung, z.B. mit einem Pumpballons (nicht dargestellt), kann ein Tröpfchen 37 des Metalls rechts neben der Stelle, an der die Tastspitze 13 der Oberfläche von Objekt 27 genähert wird, plaziert werden. Um einen stabilen Metallfilm zwischen der Tastspitze und der Oberfläche herzustellen, muß verhindert werden, daß es zu einer Oxidation bzw. Korrosion kommt, während das Tröpfchen 37 beginnt, den Spalt auszufüllen. Die Benetzung wird durch sorgfältiges Reinigen und Trocknen, Verringerung der Luftfeuchtigkeit und dünne haftende Metallbeschichtungen wie z.B. eine sehr feine Chrorn- und/oder Goldschicht auf der Objekt- und/oder Tastspitzenoberfläche verbessert.
Wie bereits erwähnt gibt es verschiedene Flüssigmetalle, die sich zum Füllen des Spalts eignen. Das Diagramm in Fig. 13 wurde mit der Vorrichtung aus Fig. 11 unter Verwendung einer flüssigen eutektischen Ga/In-Legierung als Spaltfüllung und bei einem senkrechten Einfallswinkel des Laserstrahls 29 gewonnen. Die Lichtstromwerte in Abhängigkeit von der Entfernung ergeben eine Dämpfungsstrecke von ca. 7,5 nm, was gegenüber der Anordnung ohne Metall eine Verbesserung um einen Faktor von 5 bis 15 darstellt. Auch hier liegt der Ursprung der Abszisse in einem willkürlichen Punkt, an dem die Feinannäherung beginnt. Dieser Punkt steht jedoch nicht mit dem Ausgangspunkt für Fig. 12 in Beziehung.
Außerdem kann die SNOM-Mikroskopie bei beliebigem Einfallswinkel durchgeführt werden, besonders in der senkrechten Richtung, die für Abbildungsaufgaben wesentlich ist.
Abtastbilder der Objektoberfläche können mit dem erfindungsgemäßen Instrument erzeugt werden, indem das Objekt 27 mit der Tastspitze 13 entweder in einem Raster mit konstanten Abständen oder mit konstantem Photonenstrom abgetastet wird. Topographische und optische Oberflächenmerkmale schlagen sich in jeweils anderen Parameter des Paares, d.h. als Anderung des Photonenstroms oder als Positionsänderung nieder. Die mit optischen Tunnelabtastmikroskopen erzielte Seitenauflösung beträgt im allgemeinen nur einen Bruchteil der Dämpfungsstrecke, was darauf hinweist, daß die Annahme auflösbare seitliche Details Dämpfungsstrecke ziemlich konservativ ist.
Auf der Grundlage der umfassenden Erfahrungen mit der STM und der konventionellen STOM erlaubt die beobachtete Distanzbeziehung die Vorhersage einer Seitenauflösung in Bereich von 5 bis 10 nm bei guten Chancen zur Unterschneidung um einen Faktor 2 oder 3, so daß sich ein Auflösungsvermögen von 2 bis 5 nm ergibt. Dies ebnet den Weg zu optischen Untersuchungen einzelner Moleküle und sogar Atome auf einer Festkörperoberfläche.
Das Konzept der Verwendung eines Flüssigmetalls als Potentialbarriere für tunnelnde Photonen eignet sich auch für andere Anwendungsbereiche, die nicht direkt mit der Mikroskopie zu tun haben. Es kann beispielsweise auf optischen Speicher angewandt werden, wo das Speichermedium und/oder die Tastspitze mit einer dünnen Flüssigmetallschicht überzogen wird. Bei der resultierenden Steigerung des Auflösungsvermögens wird es möglich sein, die Größe der einzelnen Informationsbits auf weniger als 10 nm zu reduzieren, wodurch die Gesamtspeicherkapazität dramatisch gesteigert wird.
Eine andere mögliche Anwendung ist in Verbindung mit optischen Schaltungselementen wie Modulatoren, Koppiern und Schaltern zu sehen. Ein konventioneller Optokoppler beispielsweise besteht aus zwei nebeneinander verlaufenden Lichtleitfasern, wobei die Umhüllung im Kontaktbereich teilweise entfernt ist. Der Kopplungsfaktor eines solchen Kopplers kann regelbar gemacht werden, indem im Kontaktbereich eine dünne Flüssigmetallschicht zwischen die Fasern eingefügt wird und die Dicke dieser Metallschicht mit Hilfe externer Stellmittel verändert wird, oder sogar mit Hilfe der Lichtwellen, die diese Fasern durchlaufen.

Claims

1. Ein optisches Nahfeldabtastmikroskop, das aus folgenden Komponenten besteht: einer feinen Tastspitze 3, 13 zur Aussendung eines Lichtstrahls 6, 8 mit einer Wellenlänge λ und einem Strahldurchmesser 7 von höchstens λ/20 durch diese Tastspitze und zur Ausrichtung des Lichtstrahls auf ein Objekt 5, 11, 27; einem Detektor zur Erkennung von Licht, das bei der Abtastung des Objekts 5, 11, 27 vom Objekt 5, 11, 27 reflektiert wird und/oder das Objekt 5, 11, 27 durchdringt; einem Positionierungsmittel 12, 14, um die Tastspitze 3, 13 bei der Abtastung in der Nähe der Oberfläche 4 des Objekts 5, 11, 27 zu positionieren, um das Objekt 5, 11, 27 so in das Nahfeld der lichtaussendenden Tastspitze 3, 13 zu bringen, daß zwischen der Oberfläche 4 des Objekts 5, 11, 27 und der Tastspitze 3, 13 ein Spalt bleibt;

und das dadurch gekennzeichnet ist, daß es außerdem ein aus einer Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40 mit hoher Opazität bestehendes Füllmittel enthält, um bei der Abtastung den Spalt zwischen der Tastspitze 3, 13 und dem Objekt 5, 11, 27 mit der Flüssigkeit zu füllen, wobei die Flüssigkeit die Eigenschaft besistzt, die Intensität des durch die Tastspitze 3, 13 ausgesandten Lichts so weit zu dämpfen, daß die Eindringtiefe z&sub0; des Lichts in der Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40, die als die Entfernung definiert ist, über die die Lichtstärke auf 1/e abnimmt, weniger als 100 nm beträgt.

2. Ein optisches Nahfeldabtastmikroskop, das aus folgenden Komponenten besteht: einer feinen Tastspitze 3, 13 zum Empfangen des vom Objekt 5, 11, 27 reflektierten und/oder durch das Objekt 5, 11, 27 durchgedrungenen Lichts während der Untersuchung des Objekts 5, 11, 27; einem Mittel zur Aussendung eines Lichtstrahls 6, 8, 19, 29, 31, 34 mit einer Wellenlänge λ und einem Strahldurchmesser 7 von höchstens λ/20 und zum Ausrichten des Lichtstrahls auf das Objekt 5, 11, 27; einem Detektor 16 zur Erkennung des empfangenen Lichts; einem Positionierungsmittel 12, 14 um die Tastspitze 3, 13 bei der Untersuchung in der Nähe der Oberfläche 4 des Objekts 5, 11, 27 zu positionieren, um das Objekt 5, 11, 27 so in das Nahfeld der lichtempfangenden Tastspitze 3, 13 zu bringen, daß zwischen der Oberfläche 4 des Objekts 5, 11, 27 und der Tastspitze 3, 13 ein Spalt bleibt;

und das dadurch gekennzeichnet ist, daß es außerdem ein aus einer Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40 mit hoher Opazität bestehendes Füllmittel enthält, um bei der Abtastung den Spalt zwischen der Tastspitze 3, 13 und dem Objekt 5, 11, 27 mit der Flüssigkeit zu füllen, wobei die Flüssigkeit die Eigenschaft hat, die Intensität des durch die Tastspitze 3, 13 ausgesandten Lichts so weit zu dämpfen, daß die Eindringtiefe z&sub0; des Lichts in der Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40, die als die Entfernung definiert ist, über die die Lichtstärke auf 1/e abnimmt, weniger als 100 nm beträgt.

3. Ein optisches Nahfeldabtastmikroskop gemäß Anspruch 1 oder 2, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40 ein Metall ist, das bei normaler Raumtemperatur und/oder einer Temperatur unter 300ºC flüssig ist.

4. Ein optisches Nahfeldabtastmikroskop gemäß Anspruch 3, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40 aus Gallium, Indium, Quecksilber und/oder mindestens einer ihrer Legierungen und/oder einen Gemisch aus drei oder mehr Elementen, von denen mindestens eines Gallium, Indium oder Quecksilber ist, besteht.

5. Ein optisches Nahfeldabtastmikroskop gemäß Anspruch 1 bis 4, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Tastspitze 3, 13 zur besseren Benetzbarkeit mit einer dünnen Festmetallschicht, vorzugsweise aus Gold oder Chrom, überzogen ist.

6. Ein optisches Nahfeldabtastmikroskop gemäß Anspruch 2, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Führungsmittel 22, 23, 28, 32 vorhanden ist, mit dem bei der Untersuchung der Lichtstrahl 6, 19, 29, 31, 34, 40 so geführt werden kann, daß er von innerhalb des Objekts 11, 27 auf die Oberfläche 4 auftrifft.

7. Ein Nahfeld-Abtastmikroskop gemäß Anspruch 1 oder 2, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es außerdem eine Druckkammer enthält, um die Tastspitze 3, 13 und das Objekt 5, 11, 27 zu umschließen und während der Untersuchung die Ausübung eines hydrostatischen Drucks zur Stabilisierung der Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40 in dem Spalt zwischen der Tastspitze 3, 13 und dem Objekt 5, 11, 27 zu ermöglichen.

8. Ein Verfahren der Untersuchung der Oberfläche 4 eines Objekts 5, 11, 27, das aus folgenden Schritten besteht: Aussenden eines Lichtstrahls 6, 8 mit einer Wellenlänge λ und einem Strahldurchmesser 7 von höchstens λ/20 durch eine feine Tastspitze 3, 13; Positionieren der Tastspitze 3, 13 in der Nähe der Oberfläche 4 des Objekts 5, 11, 27, so daß zwischen der Tastspitze 3, 13 und der Oberfläche 4 ein Spalt bleibt und die Oberfläche 4 des Objekts 5, 11, 27 innerhalb des Nahfelds der lichtaussendenden Tastspitze 3, 13 liegt; und Erkennung des vom Objekt 5, 11, 27 reflektierten und/oder durch das Objekt 5, 11, 27 durchgedrungenen Lichts;

und das durch einen Schritt gekennzeichnet ist, in dem der Spalt zwischen der Tastspitze 3, 13 und der Oberfläche 4 des Objekts 5, 11, 27 mit einer Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40 mit hoher Opazität aufgefüllt wird, wobei die Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40 die Intensität des von der Tastspitze 3, 13 ausgesandten Lichts so weit abschwächt, daß die Eindringtiefe z&sub0; des Lichts in der Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40, die als die Entfernung definiert ist, über die die Lichtstärke auf 1/e abnimmt, weniger als 100 nm beträgt.

9. Ein Verfahren der Untersuchung der Oberfläche 4 eines Objekts 5, 11, 27, das aus folgenden Schritten besteht: Aussenden eines Lichtstrahls 6, 8, 19, 29, 31, 34 mit einer Wellenlänge λ und einem Strahldurchmesser 7 von höchstens λ/20; Positionieren einer feinen Tastspitze 3, 13 zum Empfangen des vom Objekt 5, 11, 27 reflektierten und/oder durch das Objekt 5, 11, 27 durchgedrungenen Lichts in der Nähe der Oberfläche 4 des Objekts 5, 11, 27, so daß zwischen der Tastspitze 3, 13 und der Oberfläche 4 ein Spalt bleibt und die Oberfläche 4 des Objekts 5, 11, 27 innerhalb des Nahfelds der lichtempfangenden Tastspitze 3, 13 liegt; und Erkennung des durch die Tastspitze 3, 13 empfangenen Lichts;

10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Tastspitze 3, 13 und/oder die Oberfläche 4 des Objekts 11 mit der Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40 benetzt ist.

11. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 bis 10, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Tastspitze 3, 13 und/oder die Oberfläche 4 des Objekts 11 zur besseren Benetzbarkeit mit einer dünnen Festmetallschicht, vorzugsweise aus Gold oder Chrom, überzogen ist.

12. Ein Verfahren gemäß Anspruch 9 und 10 oder gemäß Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 9, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der von der Tastspitze empfangene Lichtstrahl 6, 19, 29, 31, 34 so geführt wird, daß er in einem Einfallswinkel auftrifft, der größer ist als der kritische Winkel für die Totalreflexion des Materials, aus dem das Objekt 5, 11 besteht.

13. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 bis 12, das dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Stabilisierung der Flüssigkeit 1, 9, 36, 37, 40 in dem Spalt zwischen der Tastspitze 3, 13 und dem Objekt 5, 11, 27 ein hydrostatischer Druck ausgeübt wird.