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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Nahfeldmikroskopie mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur optischen Nahfeldmikroskopie mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 12.
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Die aperturlose optische Nahfeldmikroskopie (oder: Streulichtmikroskopie) ist als Verfahren zur hochauflösenden Messung von dielektrischen Eigenschaften an der Oberfläche einer Probe allgemein bekannt. Laserlicht wird an einer Tastspitze, die zugleich als Streusonde dient, in unmittelbarer Nähe der Probenoberfläche gestreut, wobei die Intensität des Streulichts insbesondere von einer Nahfeldwechselwirkung zwischen der Streusonde und der Probe abhängt. Bei der Entwicklung der optischen Nahfeldmikroskopie z. B. durch das in
DE 100 35 134 A1 beschriebene Modulationsverfahren wurden erhebliche Fortschritte in Bezug auf die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und die Unterdrückung von Hintergrundstreulicht bei der Streulichtmessung erreicht.
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Bisher ist man davon ausgegangen, dass die Nahfeldmikroskopie eine überwiegend oberflächensensitive Methode ist (siehe
DE 690 09 846 T2 ). Die Nahfeldwechselwirkung der Streusonde endet allerdings nicht in der Probenoberfläche, sondern sie erstreckt sich über eine Schichtdicke, die etwa dem doppelten Sondenradius entspricht. Diese vertikale Ausdehnung der optischen Sensitivität ist nach der bisher vorhandenen Auffassung der Fachwelt unveränderlich durch die Geometrie und das Material der Streusonde gegeben, wobei die vertikale Ausdehnung üblicherweise für ausgedehnte Streusonden im Bereich von einigen 10 nm liegt. Experimentelle Hinweise auf eine Ausdehnung bis zu etwa 50 nm wurden von T. Taubner et al. in ”Applied Physics Letters” (Bd. 85, 2004, S. 5064–5066) gefunden.
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Ein großes Problem in den Oberflächenwissenschaften ist die Untersuchung von vergrabenen Strukturen. Die üblichen Messverfahren, die z. B. mit niederenergetischen Elektronen, Ionen oder Atomen arbeiten, haben nur eine geringe Eindringtiefe und dabei eine Beschränkung in der lateralen Auflösung auf mehrere 100 nm bis etwa 1 μm. Um dieses Problem mit Rastersondentechniken zu überwinden und eine in drei Dimensionen hoch aufgelöste, optische Nahfeldmikroskopie zu erhalten, wird in
DE 198 59 877 vorgeschlagen, eine Probe schichtweise abzutragen und die jeweils freiliegende Oberfläche nahfeldmikroskopisch abzubilden. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen im hohen Arbeitsaufwand und der Zerstörung der Probe.
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Zur zerstörungsfreien, tiefenaufgelösten optischen Nahfeldmikroskopie wird von W. L. Mochan et al. (”phys. stat. sol. (b)”, Bd. 240, 2003, S. 527–536) vorgeschlagen, ein nicht-monoton abfallendes Nahfeld zu realisieren, dass sich durch eine lokal verstärkte Nahfeldwechselwirkung unterhalb der Oberfläche der Probe auszeichnet. Zur Erzeugung eines derartig geformten Nahfeldes ist eine Tastspitze erforderlich, die an ihrem freien Ende eine periodische Struktur mit Bereichen verschiedener Brechzahlen aufweist. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass zunächst eine Tastspitze mit einer komplizierten Struktur bereitgestellt werden muss. Die Herstellung der Tastspitze ist jedoch sehr aufwendig. Des weiteren ist die strukturierte Tastspitze nicht ohne weiteres miniaturisierbar, so dass die laterale Auflösung der nahfeldmikroskopischen Abbildung beschränkt ist.
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D. Haefliger et al. (”Applied Physics Letters”, Bd. 85, 2004, S. 4466–4468) haben gezeigt, dass das Eindringen der Nahfeldwechselwirkung unterhalb der Probenoberfläche eine hochaufgelöste, nahfeldmikroskopische Erfassung von vergrabenen, mit einer dünnen Polymerschicht bedeckten Strukturen ermöglicht. Diese Strukturen befanden sich lediglich wenige Nanometer unter der Probenoberfläche. Eine Kontrolle oder Einstellung der Messtiefe oder eine nahfeldmikroskopische Abbildung in verschiedenen Schichttiefen wurde mit dieser Technik nicht erreicht.
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Ein besonderes Interesse an einer tiefenaufgelösten Untersuchung von Proben besteht auch bei den folgenden Techniken. Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen werden zunehmend mehrlagige, komplexe dreidimensionale Strukturen auf eine Waferoberfläche aufgebracht. Zur Qualitätssicherung und Fehlersuche werden bisher die Rasterkraftmikroskopie oder die Elektronenmikroskopie verwendet, die aufwendige Präparationsmaßnahmen, wie z. B. ein Zerschneiden oder ein Ausdünnen der Probe erfordern. Nicht-destruktive Verfahren mit der Streulicht-Nahfeldmikroskopie, insbesondere im infraroten Spektralbereich waren hingegen bisher auf die Untersuchung der Oberflächen beschränkt, erlauben allerdings z. B. die Unterscheidung verschiedener Materialien, wie Oxide, Metalle, Photolack, Halbleiter oder isolierende Dielektrika (siehe F. Keilmann et al. in ”Phil. Trans. R. Soc. Lond. A”, Bd. 362, 2004, S. 787–805).
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Auch bei der optischen Datenspeicherung werden zunehmend mehrschichtige Datenträger, wie z. B. Mehrschicht-DVDs verwendet, um die Speicherdichte zu erhöhen. Die maximale Speicherdichte ist durch die beugungsbegrenzte, wellenlängenabhängige Auflösung der bisher zum Auslesen verwendeten Fernfeldmethoden beschränkt. Daher besteht die Tendenz, optische Datenspeicher mit immer kürzeren Wellenlängen auszulesen. Jedoch werden selbst mit kurzen Wellenlängen im blauen Spektralbereich Strukturgrößen von weniger als ungefähr 200 nm nicht mehr auflösbar sein. Schließlich ist auch für die Entwicklung von funktionellen oder selbst organisierten nanostrukturierten Oberflächen eine detaillierte Kenntnis über die dreidimensionale Probenzusammensetzung erforderlich. Eine typische Aufgabenstellung ist z. B. die Unterscheidung von Polymermischungen (Blockcopolymere), welche dreidimensionale Strukturen im sub-100 nm-Bereich aufweisen. Oftmals unterscheidet sich deren Materialzusammensetzung an der Oberfläche von der des Vollmaterials, was mit den gängigen Methoden zur Materialanalyse nicht oder nur destruktiv abbildbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur optischen Nahfeldmikroskopie bereitzustellen, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Techniken überwunden werden, zu denen insbesondere die Zerstörung der Probe, eine zu geringe oder eine zu große Messtiefe, die Beschränkung auf sichtbares Licht oder eine auf mehrere 100 nm beschränkte laterale Auflösung gehören. Das Verfahren soll insbesondere eine zerstörungsfreie, tiefenaufgelöste Abbildung einer Probe ermöglichen. Das Verfahren soll ferner mit einem geringen Aufwand realisierbar sein, in einem erweiterten Spektralbereich, insbesondere vom ultravioletten Licht über sichtbares und infrarotes Licht bis hin zur Mikrowellenstrahlung anwendbar sein und einen erweiterten Anwendungsbereich insbesondere unabhängig von der Zusammensetzung der untersuchten Probe aufweisen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine verbesserte Vorrichtung zur optischen Nahfeldmikroskopie bereitzustellen, mit der die Nachteile der herkömmlichen Techniken überwunden werden. Die Vorrichtung zur optischen Nahfeldmikroskopie soll insbesondere einen unkomplizierten Aufbau aufweisen, der mit herkömmlichen Messsystemen kompatibel ist.
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Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Verfahrensbezogen basiert die vorliegende Erfindung insbesondere auf der technischen Lehre, wenigstens eine der zur Nahfeldmikroskopie verwendeten Beleuchtungs-, Abtast- und Detektoreinrichtungen gezielt so einzustellen oder zu betreiben, dass die detektierten Anteile der bei Beleuchtung einer Streusonde der Abtasteinrichtung gebildeten Nahfeldwechselwirkung mit der Probe bis zu einer vorbestimmten Messtiefe reichen.
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Die Erfinder haben festgestellt, dass sich die bei Beleuchtung einer Streusonde der Abtasteinrichtung gebildete Nahfeldwechselwirkung mit der Probe in Beiträge aus verschiedenen Tiefen zerlegen lässt. Die Erfinder haben ferner festgestellt, dass die verschiedenen Wirktiefen der Nahfeldwechselwirkung, d. h. die Tiefen, bis zu denen die Probeneigenschaften zum detektierten Signal beitragen, physikalisch oder messtechnisch wählbar sind. Die Messtiefe kann physikalisch durch eine Änderung der Nahfeldwechselwirkung (”reale Wirktiefe”) oder messtechnisch durch die Detektion verschiedener Komponenten der Nahfeldwechselwirkung (”effektive Wirktiefe”) eingestellt werden.
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Der Begriff ”Wirktiefe” bezeichnet hier eine Tiefe, bis zu der hin die Probeneigenschaften bei der Nahfeldwechselwirkung von Sonde und Probe zum gemessenen Signal beitragen. Der Begriff ”Messtiefe” bezeichnet hier eine vorbestimmte, gezielt gewählte Tiefe, auf welche die Wirktiefe eingestellt werden soll. Die physikalische oder reale Wirktiefe wird durch eine charakteristische Abklinglänge der Nahfeldwechselwirkung bestimmt. Die Amplitude des Nahfeldes an der Probenoberfläche und somit deren gemessene Beiträge vermindern sich entsprechend einer vorbestimmten Abklingfunktion. Die Abklinglänge ist die senkrechte Strecke unter der Probenoberfläche, nach der die Abklingfunktion auf einen bestimmten Bruchteil (z. B. 1/e) abgefallen ist.
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Die erfindungsgemäße Einstellung der Abtast- und/oder Detektoreinrichtungen umfasst somit eine Einstellung einer Abklinglänge, die vom betrachteten Ort der Probenoberfläche aus definiert ist. Für jede Wirktiefe wird das an der Tastspitze gestreute Streulicht entsprechend der gemittelten Nahfeldwechselwirkung in einer Schicht mit einer Dicke entsprechend der genannten Abklinglänge bestimmt. Mit der Wirktiefe wird die Schichtdicke festgelegt, die zu dem Nahfeldsignal beiträgt. Bei Messungen mit verschiedenen Messtiefen entsprechen die jeweils aufgenommenen Nahfeldsignale den bis zur jeweiligen Messtiefe zur Nahfeldwechselwirkung beitragenden Probeneigenschaften. Ändern sich die Probeneigenschaften mit der Tiefe, so trägt die Variation der Messtiefe eine Änderung bei, wodurch eine Information über den Schichtaufbau der Probe mit Tiefenauflösung geliefert wird. Ein Messtiefenprofil umfasst die für verschiedene Messtiefen detektierten Nahfeldsignale. Aus dem Messtiefenprofil sind geometrische, strukturelle und/oder chemische Eigenschaften der Bestandteile der Probe unter der Oberfläche ableitbar.
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Die reale und auch die effektive Wirktiefe hängen insbesondere vom Probenmaterial ab (dielektrische Eigenschaften des Probenmaterials).
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Erfindungsgemäß wird die Nahfeldwechselwirkung der Streusonde mit der Probe erfasst, indem an der Streusonde Streulicht detektiert wird, das in charakteristischer Weise durch die Nahfeldwechselwirkung mit der Probe beeinflusst ist. Der Begriff ”Streusonde” bezeichnet jeden Gegenstand, der in der Nähe der Oberfläche der Probe positionierbar ist und bei dessen Beleuchtung ein Nahfeld gebildet wird, das in die Probe eindringt. Die Streusonde ist vorzugsweise eine Tastspitze, wie sie aus der Rasterkraftmikroskopie bekannt ist.
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Im Unterschied zu den herkömmlichen Techniken wird die Abtast- und/oder Detektoreinrichtung zur Erzeugung der Nahfeldwechselwirkung und/oder der Detektion von an der Tastspitze gestreutem Licht so eingestellt oder betrieben, dass das gestreute Licht durch eine dielektrische Eigenschaft der Probe bis zur Messtiefe unterhalb der Probenoberfläche an der jeweiligen Messposition der Tastspitze der Abtasteinrichtung bestimmt wird. Zur Bereitstellung der Nahfeldwechselwirkung mit der gewünschten Messtiefe wird mindestens ein Betriebsparameter der Abtast- und/oder Detektoreinrichtungen ausgewählt und eingestellt.
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Die Erfindung ist mit der Verwendung von Strahlung mit Wellenlängen insbesondere vom UV-, über den VIS- und den IR- bis zum Mikrowellenbereich anwendbar. Ohne Beschränkung wird im Folgenden die verwendete Strahlungsquelleneinrichtung als Beleuchtungseinrichtung und die Bestrahlung als Beleuchtung bezeichnet.
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Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfasst der Betrieb mit den Abtast- und/oder Detektoreinrichtungen wenigstens eine der folgenden Varianten. Gemäß einer ersten Variante kann zur Bereitstellung der gewünschte Wirktiefe mindestens ein Sondenradius der Streusonde eingestellt werden. Der Sondenradius umfasst den halben Durchmesser einer nadelförmigen Nahfeldsonde (Tastspitze), den Radius des freien Spitzenendes bei anders geformten, ausgedehnten Sonden (z. B. mit Konus- oder Pyramidenform) oder einen halben Aperturdurchmesser bei Apertursonden. Eine Streusonde mit einem größeren Sondenradius besitzt eine größere Reichweite der Nahfelder und damit eine größere Messtiefe als eine Streusonde mit einem geringeren Sondenradius. Mit dem Sondenradius ist vorteilhafterweise ein Betriebsparameter der Abtasteinrichtung gegeben, der unabhängig von anderen Messbedingungen und insbesondere unabhängig von der Gestalt der Probenoberfläche variiert werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird eine Modulationsamplitude der Streusonde über der Probenoberfläche eingestellt, um die gewünschte Messtiefe zu erreichen. Diese Ausführungsform der Erfindung ist vorzugsweise bei der Anwendung der Techniken zur vertikalen Modulation des Abstandes zwischen der Streusonde und der Probenoberfläche vorgesehen, wie sie beispielsweise in
US 4 947 043 oder
DE 100 35 134 beschrieben sind.
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Des weiteren kann gemäß der Erfindung die Einstellung des Betriebsparameters an der Detektoreinrichtung vorgesehen sein. Die Erfinder haben festgestellt, dass bei Anwendung der in
DE 100 35 134 beschriebenen Modulations-/Demodulationstechnik oder entsprechender Verfahren die effektive Wirktiefe der Nahfeldwechselwirkung in Abhängigkeit von der Ordnung der Demodulation bei der Erzeugung eines Detektorsignals eingestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann durch eine Änderung des Sondenabstandes, insbesondere durch eine Volumenabtastung oberhalb der Probenoberfläche unter Verwendung mathematischer Rekonstruktionsmethoden ein der Modulationstechnik entsprechendes Signal berechnet werden und in Anteile verschiedener Messtiefen zerlegt werden. Die Einstellung der Messtiefe durch die Modulations-/Demodulationstechnik stellt einen Spezialfall der Änderungen eines Sondenabstandes zwischen der Probe und der Streusonde dar. Der Sondenabstand ist der senkrechte Abstand zwischen der Probenoberfläche und dem freien (z. B. unteren), zur Probenoberfläche weisenden Ende der Streusonde.
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Die Einstellung des Sondenabstandes und/oder der Modulationsamplitude weist den besonderen Vorteil auf, dass für diese Zwecke an sich vorhandene Antriebseinrichtungen der Streusonde verwendbar sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die bei der Messung mit einer resonant wirkenden Nahfeldsonde vorgesehen ist (siehe
DE 102 28 123 ), erfolgt eine Variation der Beleuchtungswellenlänge, wobei in Abhängigkeit von der Beleuchtungswellenlänge eine bestimmte Wirktiefe der resonant wirkenden Nahfeldsonde eingestellt wird, die der Messtiefe entspricht. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass im Spektrum des gestreuten Lichtes die Information über die Tiefe der vergrabenen Struktur enthalten ist und keine Veränderungen an der Sonde, deren Position oder der Detektoreinrichtung erforderlich sind.
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Die hohe Variabilität bei der Auswahl des einzustellenden Betriebsparameters gemäß einer oder mehrerer der oben genannten Varianten stellt einen besonderen Vorteil der Erfindung dar. In Abhängigkeit von der konkreten Aufgabenstellung und den Messbedingungen kann die Messtiefe auf verschiedene Art eingestellt werden. Es kann insbesondere ein bestimmter Wert der Messtiefe mehrfach gemäß verschiedenen Varianten oder verschiedenen Kombinationen von Varianten eingestellt werden, wodurch die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messung erhöht wird.
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Wenn erfindungsgemäß die Einstellung des Sondenradius der Streusonde vorgesehen ist, hat sich die folgenden Ausführungsform als besonders vorteilhaft erwiesen. Bei Verwendung eines Sondenarrays mit mehreren Streusonden, die verschiedene Sondenradien aufweisen, umfasst die Einstellung des Sondenradius die Auswahl einer Streusonde aus dem Sondenarray. Das Sondenarray wird so relativ zur Probe ausgerichtet, dass die ausgewählte Streusonde mit dem gewünschten Sondenradius an der aktuell untersuchten Messposition der Probe positioniert ist. Die Auswahl der Streusonde mit dem passenden Sondenradius kann mit den folgenden Vorteilen verbunden sein. Erstens sind die Sondenradien der zu einem Sondenarray gehörenden Streusonden unveränderlich konstant. Damit wird die Reproduzierbarkeit der Einstellung der Wirktiefe verbessert. Zweitens wird mit der Bereitstellung bestimmter Sondenradien eine Diskretisierung eingeführt, die für die Rekonstruktion eines Messtiefenprofils dielektrischer Eigenschaften der Probe an der Messposition von Vorteil sein kann. Besonders bevorzugt umfasst das Sondenarray ein Spitzenarray mit mehreren Tastspitzen, wie es für die Rasterkraftmikroskopie verfügbar ist.
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Die Einstellung des Sondenabstandes und der Modulationsamplitude werden vorzugsweise miteinander kombiniert, wobei dies vorteilhafterweise zu der bei den meisten herkömmlichen Streulichtsonden erforderlichen vertikalen Modulationen der Höhe der Tastspitze mit einer anschließenden Demodulation des Detektorsignals zur Unterdrückung von Hintergrundstreulicht passt. In diesem Fall umfasst die Einstellung des Sondenabstandes eine Einstellung einer mittleren Höhe der Streusonde über der Probenoberfläche. Des Weiteren können die Einstellung der Modulationsamplitude der Streusonde und die Einstellung der Demodulationsordnung bei der Erzeugung des Detektorsignals vorteilhafterweise kombiniert werden, indem mit der Demodulationsordnung eine Messtiefe relativ grob vorgegeben wird und mit der Modulationsamplitude eine Feinabstimmung erfolgt.
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Allgemein kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Probeneigenschaft an einer Messposition der Streusonde verwendet werden, wobei die Probeneigenschaft charakteristisch für die dielektrischen Eigenschaften der Probe bis zur eingestellten Messtiefe ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Messung eines Messtiefenprofils vorgesehen, das eine Vielzahl von Werten der dielektrischen Probeneigenschaft umfasst, die verschiedenen Messtiefen unterhalb der Probenoberfläche entsprechen. Die Messung des Messtiefenprofils umfasst die Einstellung des mindestens einen Betriebsparameters der Beleuchtungs-, Abtast- und/oder Detektoreinrichtungen, so dass die Nahfeldwechselwirkung verschiedene Wirktiefen aufweist oder verschiedene Komponenten der Nahfeldwechselwirkung detektiert werden.
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In Abhängigkeit von der realisierten Variante der Einstellung des mindestens einen Betriebsparameters können die verschiedenen Messtiefen seriell nacheinander eingestellt werden, indem beispielsweise verschiedene Spitzenradien der Streusonde eingestellt werden. Alternativ können die mit der Detektoreinrichtung gemessenen Streulichtamplituden zur gleichzeitigen Ermittlung verschiedener Detektorsignale verwendet werden, die verschiedenen Messtiefen entsprechen. Hierzu werden die gemessenen Streulichtamplituden beispielsweise gleichzeitig Demodulationen mit verschiedenen Demodulationsordnungen unterzogen. Vorteilhafterweise kann aus dem Messtiefenprofil eine Schichtdicke wenigstens eines Bestandteils in der Probe, zum Beispiel die Schichtdicke einer Oberflächenschicht der Probe ermittelt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn eine Vielzahl von Messtiefenprofilen entsprechend einer Vielzahl verschiedener Messpositionen der Streusonde relativ zur Probenoberfläche aufgenommen werden. Vorteilhafterweise kann damit ein komplettes Volumenbild der Probe unterhalb der Probenoberfläche mit einer Auflösung erzeugt werden, die unterhalb der Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung liegt. Erfindungsgemäß wird damit eine hochauflösende, dreidimensionale Rekonstruktion der Probeneigenschaften ermöglicht.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht in der Variabilität bei der Auswahl der optischen Probeneigenschaft, die tiefenaufgelöst gemessen werden soll. Die optische Nahfeldwechselwirkung kann gemäß verschiedenen Modifikationen der Erfindung durch eine dielektrische Eigenschaft des Probenmaterials (z. B. komplexe Brechzahl oder Polarisierbarkeit), eine nicht-elastische Streueigenschaft (z. B. Fluoreszenz oder Raman-Streuung) oder eine nicht-lineare, elektromagnetische Eigenschaft der Probe gegeben sein. Die erfindungsgemäße Methode erlaubt die Detektion chemischer Bestandteile und biologischer Materialien, z. B. auf der Basis von deren spektroskopischer Signatur durch die entsprechenden, substanzspezifischen elektronischen Zustände, Schwingungseigenschaften oder Rotationseigenschaften. Des weiteren kann ein physikalischer Zustand, wie z. B. eine Kristallstruktur der Probe an der Messposition mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst werden.
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Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beim nahfeldoptischen Auslesen eines mehrschichtigen, dreidimensionalen Datenspeichers gegeben. Durch das Einstellen der Messtiefe kann z. B. mit einer gleichzeitigen Demodulation bei verschiedenen Demodulationsordnungen gezielt Informationen aus verschiedenen Tiefen des Datenspeichers gelesen und rekonstruiert werden.
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Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt basiert die Erfindung insbesondere auf der technischen Lehre, eine Vorrichtung zur optischen Nahfeldmikroskopie bereitzustellen, die eine Stelleinrichtung zur Einstellung oder zum Betrieb der Beleuchtungs-, Abtast- und/oder der Detektoreinrichtungen derart aufweist, dass die detektierten Nahfeldwechselwirkungen einer vorbestimmten Messtiefe unterhalb der Probenoberfläche entsprechen. Vorteilhafterweise kann eine herkömmliche Vorrichtung zur optischen Nahfeldmikroskopie, die insbesondere eine Abtasteinrichtung mit mindestens einer Streusonde, eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der mindestens einen Streusonde und eine Detektoreinrichtung zur Detektion von Streulicht aufweist, das in Abhängigkeit von der Nahfeldwechselwirkung modifiziert ist, mit geringem Aufwand mit der Stelleinrichtung nachgerüstet werden, um die erfindungsgemäße zerstörungsfreie Nahfeldmikroskopie mit einstellbarer Messtiefe zu realisieren.
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Gemäß den oben genannten Varianten bei der Einstellung der Abtast- und/oder Detektoreinrichtungen umfasst die Stelleinrichtung mindestens eine der Komponenten Radius-Stelleinrichtung, Höhen-Stelleinrichtung, Modulations-Stelleinrichtung, Demodulations-Stelleinrichtung und Beleuchtungswellenlängen-Stelleinrichtung.
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Zur Aufnahme der genannten Messtiefenprofile oder kompletten dreidimensionalen Probenabbildungen ist die Stelleinrichtung des Weiteren mit Scaneinrichtungen zur systematischen Änderung der Einstellung der Beleuchtungs-, Abtast- und/oder Detektoreinrichtungen ausgestattet. Mit einer Tiefen-Scaneinrichtung werden lokal an einer Messposition Messtiefenprofile erfasst. Mit einer Flächen-Scaneinrichtung werden Flächenbilder an mehreren Messpositionen der Probe aufgenommen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindungen werden aus der vorliegenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1: eine schematische Illustration bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Nahfeldmikroskopie;
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2: schematische Illustrationen der Einstellungen verschiedener Wirktiefen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
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3 bis 5: schematische Illustrationen verschiedener Varianten bei der Einstellung der realen Wirktiefe der Nahfeldwechselwirkung;
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6: eine schematische Illustration einer Variante bei der Einstellung der effektiven Wirktiefe der Nahfeldwechselwirkung;
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7: eine Illustration des nahfeldoptischen Auslesens eines mehrschichtigen Datenspeichers; und
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8: Illustrationen von mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Messergebnissen.
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Die Erfindung wird im folgenden unter beispielhaften Bezug auf die aperturlose Nahfeldmikroskopie beschrieben, wie sie beispielsweise aus
DE 100 35 134 bekannt ist. Einzelheiten der Technik der Nahfeldmikroskopie, wie sie aus
DE 100 35 134 und anderen Veröffentlichungen über aperturlose Nahfeldmikroskopie bekannt sind, werden im folgenden nicht erläutert. Des Weiteren wird betont, dass die Erfindung entsprechend auch bei nahfeldmikroskopischen Techniken angewendet werden kann, bei denen andere Streusonden verwendet werden. Beispiele hierfür sind eine ausgedehnte Streusonde (Tastspitze), eine Streusonde in Form eines einzelnen streuenden Partikels, eine Apertursonde oder Kombinationen aus Apertur- und Streusonden. Die Umsetzung der Erfindung ist nicht auf die in den Figuren illustrierte Rückstreugeometrie beschränkt, sondern auch mit einer Geometrie möglich, bei der eine Detektion von vorwärts gestreutem Licht vorgesehen ist. Des weiteren kann eine Transmissionsanordnung zur Streulichtmessung vorgesehen sein.
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Ein Nahfeldmikroskop 100 zur optischen Nahfeldmikroskopie umfasst gemäß 1 eine Abtasteinrichtung 10 mit einer als Streusonde verwendeten Tastspitze 11, eine Beleuchtungseinrichtung 20, eine Detektoreinrichtung 30, eine Stelleinrichtung 40, eine Steuereinrichtung 50 und eine Eingabe- und Anzeigeeinrichtung 60. Eine Probe 1 ist mit einer ebenen, frei liegenden Oberfläche 2 auf einer Probenhalterung 12 angeordnet. Die Komponenten 10, 20 und 30 sind so aufgebaut, wie es von herkömmlichen optischen Nahfeldmikroskopen gemäß den o. g. Publikationen bekannt ist.
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Die Stelleinrichtung 40 umfasst wenigstens eine der drei folgenden Komponenten. Zur Einstellung der Abtasteinrichtung 10 ist die Abtast-Stelleinrichtung 40.1, 40.1' vorgesehen, die als Radius-Stelleinrichtung (40.1), Höhen-Stelleinrichtung (40.1') und/oder Modulations-Stelleinrichtung (40.1) verwendbar ist. Mit der ersten Abtast-Stelleinrichtung 40.1 ist der Spitzenradius der Tastspitze 11 (3) oder die Modulationsamplitude der Tastspitze 11 über der Oberfläche 2 der Probe 1 (5) einstellbar. Die Abtast-Stelleinrichtung 40.1 enthält einen mechanischen, z. B. piezoelektrischen Antrieb. Mit der zweiten Abtast-Stelleinrichtung 40.1' (vorzugsweise in die Probenhalterung 12 integriert) ist die Höhe der Tastspitze 11 über der Oberfläche 2 der Probe 1 (4) durch eine vertikale Bewegung der Probe einstellbar. Die Abtast-Stelleinrichtung 40.1' kann ebenfalls einen mechanischen, z. B. piezoelektrischen Antrieb aufweisen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass bei der Höheneinstellung die Probe relativ zur Streusonde bewegt wird und der Fokus der Beleuchtungseinrichtung auf die Streusonde ausgerichtet bleiben kann.
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Die Demodulations-Stelleinrichtung 40.2 ist Teil der Steuereinrichtung 50 und dient der Auswahl einer Demodulationsordnung, um Detektorsignale entsprechend einer vorbestimmten Messtiefe zu ermitteln (6).
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Die Beleuchtungswellenlängen-Stelleinrichtung
40.3 dient der Auswahl der Beleuchtungswellenlänge. Die Beleuchtungswellenlänge-Stelleinrichtung
40.3 ist in Kombination mit einer resonanten Streusonde und/oder resonanten Probe vorgesehen, wie es in
DE 102 28 123 beschrieben ist. Die Einstellung der Messtiefe durch die Variation der Beleuchtungswellenlänge erfolgt derart, dass beim spektralen Durchstimmen einer elektromagnetischen Resonanz der Sonde die physikalische Feldverteilung zwischen der Sonde und der Probe und damit auch die Messtiefe verändert wird. Diese Ausführungsform der Erfindung wird bevorzugt angewendet, wenn sich die optischen Eigenschaften der Probe im Spektralbereich der Sondenresonanz nicht oder nur wenig ändern. Die Beleuchtungswellenlänge-Stelleinrichtung
40.3 umfasst zum Beispiel eine Einrichtung zum Verstimmen einer Laserquelle oder eine verstimmbares spektral dispersives optisches Bauteil.
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Wenn die Probe im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich charakteristische Resonanzen mit dem Nahfeld der Tastspitze aufweist, kann die Variation der Beleuchtungswellenlänge mit der Beleuchtungswellenlängen-Stelleinrichtung 40.3 zur Einstellung der Messtiefe vorgesehen sein. Dadurch kann aus den gemessenen Tiefenprofilen der optischen Eigenschaften der Probe auf die Schichtung verschiedener Probenbestandteile ermittelt werden.
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Wenn bei einer praktischen Anwendung, wie z. B. der Mikroelektronik die erwarteten Bestandteile der Probe bekannt sind (z. B.: Halbleiter, Dotierschicht, Oxid, Photoresist), so kann durch eine Variation der Beleuchtungswellenlänge oder die Wahl vorbestimmter Beleuchtungswellenlängen, bei denen Resonanzen in diesen Stoffen erwartet werden, der Bildkontrast eingestellt und verbessert werden. Die Variation der Beleuchtungswellenlänge kann sequenziell für eine vorbestimmte Einstellung der Messtiefe an einer vorbestimmten Messposition der Tastspitze oder parallel zur Variation der Messtiefe vorgesehen sein.
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Für eine vollständig automatisierbare 3-dimensionale Abbildung der Probe enthält die Stelleinrichtung 40 eine Tiefen-Scaneinrichtung zur Aufnahme eines Messtiefenprofils der gesuchten Probeneigenschaft an der aktuellen Messposition und eine Flächen-Scaneinrichtung zur Aufnahme einer Abbildung der Probeneigenschaft an mehreren Messpositionen. Die Tiefen-Scaneinrichtung ist für eine systematische Variation der mit den Einrichtungen 40.1 bis 40.3 eingestellten Wirktiefen eingerichtet. Die Flächen-Scaneinrichtung dient der x-y-Abtastung parallel zur Probenoberfläche. Mit der Flächen-Scaneinrichtung wird die Probe horizontal relativ zur Streusonde verschoben, so dass vorteilhafterweise der Fokus der Beleuchtungseinrichtung konstant bleiben kann.
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Die Steuereinrichtung 50 und die Eingabe- und Anzeigeeinrichtung 60 können durch einen gemeinsamen Steuerrechner zur Bedienung des Nahfeldmikroskops 100 und zur Ansteuerung der einzelnen Komponenten 10 bis 40 realisiert sein. Die Steuereinrichtung 50 kann die Beleuchtungswellenlängen-Stelleinrichtung 40.3 ansteuern, mit der die Wellenlänge der mit der Beleuchtungseinrichtung 20 erzeugten Tastspitzenbeleuchtung wählbar ist. Im Steuerrechner können auch die zur Rekonstruktion der Probenabbildung aus den gemessenen Tiefenprofilen verwendeten Programme laufen.
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In 2 ist die systematische Variation der Messtiefe ti zur Lokalisierung einer vergrabenen Probenstruktur 3 illustriert. 2A zeigt schematisch, wie durch die Einstellung mindestens eines Betriebsparameters der Beleuchtungs-, Abtast- und/oder Detektoreinrichtungen 10, 20, 30 verschiedene Verteilungen des gemessenen Anteils des Nahfeldes der beleuchteten Tastspitze 11 realisierbar sind. Mit einer systematischen Veränderung der Messtiefe t1, t2 und t3 gemäß den 2B bis 2D werden an der eingestellten Messposition der Tastspitze 11 verschiedene Werte von Streulichtsignalen gemessen, die ein Tiefenprofil bilden. Das Streulichtsignal wird für die größte Messtiefe t1 durch die gesuchte Probenkomponente 3 beeinflusst, während für die geringeren Messtiefen t2 und t3 nur durch das übrige Material der Probe 1 bestimmend ist. Aus den Werten des Tiefenprofils lassen sich durch eine mathematische Simulation die optischen Eigenschaften der Probe in den verschiedenen Tiefen berechnen. Es soll insbesondere die komplexe Dielektrizitätskonstante ε = ε' + iε'' für jede Tiefe an der Messposition ermittelt werden. In der Praxis werden beispielsweise für ein Tiefenprofil von 3 nm bis zu einer maximalen Messtiefe von rd. 100 nm rund 20 verschiedene Messtiefen ti eingestellt.
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In 3 ist die Variation des Spitzenradius a schematisch illustriert. Die Abtasteinrichtung 10 weist ein Spitzenarray 13 auf, das z. B. 4 oder 8 Tastspitzen 11.1, 11.2., ... umfasst. Das Spitzenarray 13 umfasst gemäß 3A (schematische Draufsicht auf die Tastspitzen) mehrere elastisch deformierbare Stege (”cantilever”), über die jeweils eine der Tastspitzen mit einem gemeinsamen Träger 14 verbunden ist. Ein derartiges Array 13 von Cantilever-Balken wird z. B. vom Hersteller ”Nanoworld” unter der Bezeichnung ”Arrow TL8” angeboten. Der Träger 14 ist mit der Stelleinrichtung 40.1 verbunden und relativ zur Probe positionierbar. Mit der Stelleinrichtung 40.1 ist das Spitzenarray 13 so einstellbar, dass die gewünschte Tastspitze (z. B. 11.3) an einer vorbestimmten Messposition über der Probe angeordnet ist.
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Die 3B und 3C illustrieren, wie mit einer Tastspitze 11.1 mit einem geringeren Radius eine geringe Wirktiefe und mit einer Tastspitze 11.3 mit einem größeren Radius eine größere Wirktiefe erreicht wird. Die Spitzenradien der Tastspitzen 11.1, 11,2, ... werden beispielsweise im Bereich von 1 nm bis 1 μm variiert.
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Erfindungsgemäß kann insbesondere mit einer Volumenabtastung oberhalb der Probenoberfläche (ohne eine Modulation der Streusonde) durch mathematische Methoden ein der Modulationstechnik-/Demodulationstechnik entsprechendes Signal berechnet und in Anteile verschiedener Messtiefen zerlegt werden. Dabei ist alternativ zu einer Demodulation eine systematische Variation der Höhe z der Streusonde 11 über der Oberfläche der Probe 1 vorgesehen, wie es in den 4A und 4B schematisch gezeigt ist.
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Gemäß den 4A und 4B wird die erfindungsgemäße Einstellung der Reichweite des Nahfeldes in der Probe 1 durch die Einstellung der Höhe z der Tastspitze 11 über der Oberfläche 2 der Probe 1 realisiert. Der Spitzenabstand z wird in einem Intervall unterhalb der Beleuchtungswellenlänge, z. B. unterhalb der halben Beleuchtungswellenlänge eingestellt. Durch den nicht-linearen Abfall der Nahfelder der Streusonde ist die Gewichtung der Beiträge der oberflächennahen Probenschicht R im Verhältnis zu einer tieferen Probenschicht S zu der oberflächennahen Schicht R hin verschoben (bei 4A im Verhältnis 5:1, in 4B beispielsweise im Verhältnis 2:1). Daher kann ohne das o. g. Modulationsverfahren durch die Variation des Sondenabstandes eine unterschiedliche Wichtung von Beiträgen der Strukturen in verschiedener Tiefe erhalten und damit eine tiefenaufgelöste Abbildung rekonstruiert werden.
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5 illustriert schematisch die Einstellung der Messtiefe in Abhängigkeit von der Modulationsamplitude Δz der Streusonde 11. Je größer die Modulationsamplitude Δz1 ist, desto größer ist die Wirktiefe in der Probe 1. Die Modulationsamplitude Δz wird beispielsweise im Bereich von 1 nm bis 0.5 μm gewählt. Damit werden Messtiefen im Bereich von 1 nm bis 100 nm erreicht.
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Befindet sich die zu erfassende Probenstruktur 3 unter einer dünnen Schicht eines niedrig brechenden Materials (siehe 5C, unten), so kann der Verlauf der gemessenen Nahfeldanteile zumindest qualitativ durch den Verlauf an Luft, aber in einem der Schichtdicke entsprechenden Abstand angenähert werden. Die gestrichelte Linie in 5C repräsentiert dabei eine neue ”Oberfläche”. Das Abklingverhalten der Nahfeldwechselwirkung an dieser ”Oberfläche” ist in diesem Fall von den Modulationsparametern abhängig. Umgekehrt kann aus dem unterschiedlichen Abklingverhalten bei verschiedenen Schichtdicken auf eine unterschiedliche Wirktiefe geschlossen werden. Daraus ergibt sich, dass die Wirktiefe gleich einer vorbestimmten Messtiefe unterhalb einer Probenoberfläche einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß kann bei einer Variation des mittleren Abstandes z der Streusonde von der Probenoberfläche das Abklingverhalten der detektierten Nahfeldanteile oberhalb der Probenoberfläche aufgezeichnet werden (5C und 6C). Ein Vergleich des Abklingverhaltens einer vergrabenen Struktur mit dem eines Referenzmaterials an der Probenoberfläche kann ebenso zur Ermittlung der Tiefe der vergrabenen Struktur verwendet werden. Der mittlere Abstand z wird dabei in einem Intervall unterhalb der Beleuchtungswellenlänge, z. B. zwischen der Modulationsamplitude und der halben Beleuchtungswellenlänge λ variiert.
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6 illustriert die Einstellung verschiedener effektiver Wirktiefen in Abhängigkeit von der Demodulationsordnung bei der Demodulation des detektierten Lichtes. Bei der Streulicht-Nahfeldmikroskopie mit einer Tastspitze als Streusonde wird die kombinierte Streuung des Systems aus Streusonde und Probe detektiert. Bei der Detektion werden wegen der großflächigen Beleuchtung der Streusonde auch unerwünschte Streulichtanteile (”Hintergrundstreulicht”) z. B. von benachbarten Probenbereichen oder vom Tastspitzenhalter erfasst. Durch die Verwendung der o. g. Modulations-/Demodulationstechniken können aus den Detektorsignalen die Anteile herausgefiltert werden, die der Nahfeldwechselwirkung zwischen der Streusonde und der Probe entsprechen. Hierzu wird der Abstand zwischen der Streusonde und der Probe mit der Modulationsamplitude Δz bei einer Modulationsfrequenz Ω moduliert und das Signal am Detektor mit einem Lock-in-Verstärker bei einer höheren Harmonischen nΩ der Schwingungsfrequenz Ω demoduliert.
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Da die Nahfeldwechselwechselwirkung zwischen der Sonde und der Probe nicht-linear von deren Abstand abhängt, werden im Detektorsignal höhere Harmonische generiert. Wenn die Modulationsamplitude viel kleiner als die Wellenlänge des Hintergrundstreulichtes (Δz << λ) ist, so ändert sich das Hintergrundstreulicht auf dieser Längenskala nur annähernd linear und erzeugt somit kaum höhere Harmonische.
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Durch die Wahl einer höheren Demodulationsordnung (n > 1) können Signalanteile mit vorbestimmten Abklinglängen oberhalb einer Probenoberfläche (Nahfeldsignale) detektiert und somit Beiträge unterdrückt werden, die sich nicht oder nur kaum auf der Skala der Modulationsamplitude Δz ändern (Hintergrundstreulicht). Insbesondere in Kombination mit der aus
DE 100 35 134 bekannten interferometrischen Messung können somit Nahfeldanteile des Streulichts in Amplitude und Phase detektiert werden.
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Bei dieser Methode kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Abklinglänge der gemessenen Nahfeldanteile unterhalb einer Probenoberfläche durch die Variation der Demodulationsordnung eingestellt werden, wie in den 6A und 6B schematisch illustriert ist. Je höher die Demodulationsordnung n ist, desto kleiner wird die Abklinglänge unterhalb der Probenoberfläche der detektierten Nahfeldanteile. Bei einer geringen Demodulationsordnung n dominiert der Beitrag der langreichweitigen Felder im Nahfeld der Tastspitze 11, während bei höheren Demodulationsordnungen n die kurzreichweitigen Anteile der Nahfelder dominieren.
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Die in 6C illustrierten Kurven der Streulichtamplitude als Funktion des Verhältnisses aus Sondenabstand z und Sondenradius a bestätigen diese Abhängigkeit. Die Kurven basieren auf Berechnungen, bei denen die Streusonde durch eine kleine Kugel mit dem Radius a vor einem unendlich ausgedehnten Probenhalbraum angenähert wird. Erfindungsgemäß ist mit dem Modulations-/Demodulationsverfahren die Abklinglänge der Nahfeldwechselwirkung auch unterhalb der Probenoberfläche einstellbar.
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Zur Umsetzung der in
DE 100 35 134 A1 beschriebenen Modulationstechnik wird die Tastspitze mit einer Modulationsamplitude Δz von einigen 10 nm bei einer bestimmten Modulationsfrequenz Ω (z. B. 240 kHz) zu vertikalen Oszillationen angeregt und mit konstanter Schwingungsamplitude über die Oberfläche der Probe
1 geführt. Bei allen Messungen wird das an der Tastspitze
11 gestreute Licht interferometrisch in Amplitude und Phase bei einer höheren Harmonischen nΩ der Modulationsfrequenz Ω detektiert und aufgezeichnet.
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Die in den 3 bis 6 illustrierten Varianten der Einstellung der Wirktiefe können einzeln oder in Kombination, z. B. aufeinanderfolgend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Der Spitzenabstand z kann beispielsweise mit kommerziell verfügbaren Tastspitzenreglern systematisch variiert werden. Des weiteren kann eine parallele Registrierung von optischen Bildern bei verschiedenen Ordnungen n der harmonischen Signaldemodulation durch einen parallelen Betrieb von mehreren Lock-In-Verstärkern oder durch eine digitale Datenaufzeichnung mit anschließender Berechnung ermöglicht werden.
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Die Anwendung der Erfindung beim Auslesen mehrschichtiger optischer Datenspeicher 4 ist schematisch in 7 dargestellt. 7A zeigt den Ausschnitt aus einem optischen Datenspeicher mit drei Speicherschichten 5, die nahfeldoptisch auslesbar sind, indem gemäß den 7B bis 7D verschiedenen Wirktiefen der Nahfeldwechselwirkung eingestellt werden.
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8 illustriert experimentelle Ergebnisse, die an einer Probe mit Goldinseln (Dicke: 20 nm) auf einem Si-Substrat erhalten wurden, wobei die Goldinseln zum Teil durch eine PMMA-Schicht (Dicke: 50 nm) bedeckt sind. Die Topographie ist in topographischer Draufsicht (8A) und in schematischer Schnittansicht (8B) gezeigt. Als Streusonde wurde eine metallisierte Tastspitze aus der Rasterkraftmikroskopie (AFM-Spitze) verwendet. Die Tastspitze wurde mit Laserlicht (λ = 10.7 μm) beleuchtet. Das an der Tastspitze gestreute Licht wurde detektiert und entsprechend dem genannten Modulationsverfahren mit n = 2 (8C) und n = 4 (8D) demoduliert. Entsprechend ist die Wirktiefe bei der Darstellung gemäß 8D reduziert, so dass die vergrabenen Goldinseln nicht mehr sichtbar sind. Die 8C und 8D illustrieren somit, dass die effektive Wirktiefe der Nahfeldwechselwirkung durch die Wahl der Demodulationsordnung n einstellbar ist.
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Die Einstellung der realen Wirktiefe durch die Wahl der Modulationsamplitude Δz bei fester Demodulationsordnung ist in den 8E und 8F demonstriert. Die Wirktiefe ist bei der kleineren Modulationsamplitude (8F) reduziert, so dass die vergrabenen Goldinseln nicht mehr sichtbar sind. Die 8E und 8F demonstrieren somit, dass die effektive Wirktiefe der Nahfeldwechselwirkung auch durch die Wahl der Modulationsamplitude einstellbar ist. In analoger Weise erfolgt die Einstellung der Wirktiefe durch die Parameter Spitzenradius, Spitzenabstand oder Beleuchtungswellenlänge bei resonanter Nahfeldsonde.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
