DE102006002461A1

DE102006002461A1 - Spiegeloptik für nahfeldoptische Messungen

Info

Publication number: DE102006002461A1
Application number: DE102006002461A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr. Keilmann; Rainer Dr. Hillenbrand
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-01-18
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-01-19
Also published as: DE102006002461B4; DE102006002461B8; US20070183060A1; US7591858B2

Abstract

Es wird eine Spiegeloptik (10), insbesondere für eine nahfeldoptische Messung an einer Probe (1) beschrieben, die einen Reflektor (11) in Form eines Paraboloids mit einer Paraboloidachse (12) und einem Fokus (13) umfasst, der über einen ersten Beleuchtungsstrahlengang (I) beleuchtet werden kann, wobei der Reflektor (11) mindestens einen Randausschnitt (14) derart aufweist, dass der Fokus (13) über einen zweiten Beleuchtungsstrahlengang (II) beleuchtet werden kann, der vom ersten Beleuchtungsstrahlengang (I) abweicht. Es wird auch ein Nahfeldmikroskop mit einer derartigen Spiegeloptik beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spiegeloptik, insbesondere für eine nahfeldoptische Messung an einer Probe, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, ein Nahfeldmikroskop, das mit einer derartigen Spiegeloptik ausgestattet ist, und ein Verfahren zur Nahfeldmikroskopie.
Die optische Nahfeldmikroskopie basiert auf der Messung von Streulicht an einer Nahfeldsonde, das durch eine optische Nahfeldwechselwirkung zwischen der Nahfeldsonde und einer Probe beeinflusst ist. Zur Erzielung eines hohen örtlichen Auflösungsvermögens wird als Nahfeldsonde z. B. eine Tastspitze verwendet, wie sie aus der Atomkraftmikroskopie bekannt ist. Zur Erzeugung des Streulichts wird die Nahfeldsonde fokussiert beleuchtet. Die Fokussierung soll möglichst frei von chromatischen Fehlern sein, um Messfehler bei der Beleuchtung mit verschiedenen Wellenlängen, z. B. im sichtbaren Spektralbereich oder im mittleren Infrarot-Spektralbereich zu vermeiden. Bisher werden zur Fokussierung in der Nahfeldmikroskopie transmittierende optische Bauelemente, z. B. optische Linsen verwendet, mit denen die geforderte Unterdrückung von chromatischen Fehlern wegen der Materialdispersion in den Bauelementen nicht oder nur unzureichend erreicht werden kann.

Zur Vermeidung der chromatischen Fehler, die durch die Materialdispersion verursacht werden, wurde von T. Nakano et al.("Optik", Bd. 94, 1993, S. 159-162) vorgeschlagen, die Beleuchtungsstrahlung mit reflektierenden optischen Bauelementen, z. B. rotationssymmetrischen Hohlspiegelobjektiven zu fokussieren. Als Hohlspiegelobjektiv wurde beispielsweise ein Reflektor in Form eines Paraboloids verwendet, dessen Paraboloidachse senkrecht zur Oberfläche der untersuchten Probe ausgerichtet ist. Mit diese Geometrie ergibt sich eine Bestrahlung der Nahfeldsonde im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche, wie dies auch in der Lichtmikroskopie mit Glasobjektiven üblich ist. Ein Nachteil der herkömmlichen Reflektoren besteht darin, dass die Polarisationsrichtung der Beleuchtungsstrahlung im wesentlichen transversal ist, für die optische Nahfeldwechselwirkung mit der Probe jedoch eine senkrecht zur Probe orientierte Lichtfeldstärke bevorzugt wird. Wenn zur Lösung dieses Problems eine Neigung des herkömmlichen Hohlspiegelobjektivs eingeführt wird, ergeben sich weitere Nachteile durch den Platzbedarf der Nahfeldsonde und den Aufwand für eine möglichst komafreie Justierung.

Von K. Ueyanagi et al. wird in „Japanese Journal of Applied Physics", Band 39, 2000, S. 888–891 vorgeschlagen, einen Lesekopf zum nahfeldoptischen Auslesen eines optischen Datenspeichers mit einem fokussierenden Reflektor auszustatten. Der Reflektor ist ein so genannter SIM-Spiegel (SIM: Solid Immersion Mirror) mit einer Oberfläche in Form eines Halb-Paraboloiden. Der Reflektor ist so ausgerichtet, dass die Paraboloidachse des geschnittenen Paraboloiden parallel zur Oberfläche des optischen Datenspeichers verläuft und Beleuchtungsstrahlung, die entlang der Paraboloidachse auf die Oberfläche gerichtet wird, eine Fokussierung auf die Oberfläche des optischen Datenspeichers erfährt. Die Anwendung des von K. Ueyanagi beschriebenen SIM-Spiegels ist auf das Auslesen optischer Datenspeicher beschränkt. Eine Anwendung in der optischen Nahfeldmikroskopie ist ausgeschlossen, da der SIM-Spiegel weder genügend Raum für eine Positionierung der Nahfeldsonde im Fokus des Spiegels zur Verfügung stellt, noch eine Überwachung des Betriebs der Nahfeldsonde ermöglicht.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Spiegeloptik, insbesondere für eine nahfeldoptische Messung an einer Probe bereitzustellen, mit der die Nachteile der herkömmlichen Hohlspiegelobjektive überwunden werden und die einen erweiterten Anwendungsbereich, insbesondere in der Nahfeldmikroskopie besitzt. Die Spiegeloptik soll ermöglichen, dass eine Nahfeldsonde im Fokus der Spiegeloptik angeordnet und beleuchtet werden kann. Des weiteren soll die Fokussierung der Beleuchtungsstrahlung mit verminderten optischen Fehlern und einer optimierten Polarisationsrichtung bereitgestellt werden. Die Aufgabe der Erfindung besteht des weiteren in der Bereitstellung eines verbesserten optischen Nahfeldmikroskops, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Nahfeldmikroskope überwunden werden und das eine in Bezug auf die optischen Fehler und die Polarisation verbesserte Beleuchtung der Nahfeldsonde ermöglicht.

Diese Aufgaben werden durch eine Spiegeloptik und durch ein Nahfeldmikroskop mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt beruht die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, eine Spiegeloptik mit einem paraboloidförmigen Reflektor bereitzustellen, dessen Rand so geformt ist, dass auf einen Fokus des Reflektors mindestens zwei Beleuchtungsstrahlengänge gerichtet werden können. Die Oberfläche (reflektierende Oberfläche) des Reflektors ist so ausgeschnitten, dass mindestens zwei behinderungsfreie Lichtwege gebildet werden können, die durch den Fokus des Reflektors verlaufen. Vorteilhafterweise wird durch die Bereitstellung mindestens eines Randausschnittes des Reflektors eine Positionierung einer Nahfeldsonde im Fokus des Reflektors so ermöglicht, dass einerseits durch die Halterung der Nahfeld sonde die Beleuchtungsstrahlengänge nicht behindert werden und andererseits durch den Reflektor der Betrieb (Bewegung, Oszillation) der Nahfeldsonde nicht eingeschränkt wird.

Die Erfinder haben festgestellt, dass für die fehlerfreie Fokussierung entlang des ersten Beleuchtungsstrahlengangs zur Anregung und Beobachtung von Streulicht an der Nahfeldsonde ein Paraboloid, dessen Rand in einer Ebene senkrecht zur Paraboloidachse einen Kreisbogen bildet, nicht unbedingt erforderlich ist. Gemäß der Erfindung ermöglicht auch ein Paraboloid mit mindestens einem Randausschnitt, der zusätzlich einen optischen Zugang zur Überwachung der Probe und/oder der Nahfeldsonde entlang dem zweiten Beleuchtungsstrahlengang eröffnet, eine effektive Lichtsammlung an der Nahfeldsonde. Die beschnittene Reflektorfläche ermöglicht sowohl die Fokussierung von kollimierter erster Beleuchtungsstrahlung auf die Nahfeldsonde zur Erzeugung des Streulichts als auch die Fokussierung von zweiter Beleuchtungsstrahlung zur Beobachtung der Probe und/oder der Nahfeldsonde.

Die Form des erfindungsgemäß verwendeten Reflektors repräsentiert einen Teil eines Paraboloids. Mit dem Begriff „Paraboloid" wird hier jede geometrische Fläche mit einer Achse (Paraboloidachse) bezeichnet, für die ein Schnitt parallel zur Paraboloidachse eine Parabel ergibt. Ein Schnitt senkrecht zur Paraboloidachse ergibt einen Kreis. Der Paraboloid ist ein Rotationsparaboloid. Der Schnittpunkt der Paraboloidachse mit dem Paraboloid wird als Ursprung des Paraboloids bezeichnet.

Der Reflektor weist einen ersten Rand auf, der die Paraboloidfläche in einer Richtung parallel zur Paraboloidachse beschränkt. Der erste Rand wird hier auch als Hauptöffnung des Paraboloids bezeichnet. Typischerweise erstreckt sich die Hauptöffnung in einer Ebene senkrecht zur Paraboloidachse.

Wenn der Reflektor gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung für eine schräge Ausrichtung relativ zur Probenoberfläche vorgesehen ist, kann sich die Hauptöffnung in einer Ebene erstrecken, die mit der Paraboloidachse einen Winkel ungleich 90° bildet. Der erfindungsgemäß verwendete Reflektor weist einen zweiten Rand auf, der durch die Bereitstellung des Randausschnittes für den zweiten Beleuchtungsstrahlengang gebildet wird. Der zweite Rand wird hier auch als Seitenöffnung des Paraboloids bezeichnet. Allgemein wird die Seitenöffnung durch einen Schnitt des Paraboloids gebildet, dessen Schnittebene nicht durch den Ursprung des Paraboloids und nicht senkrecht zur Paraboloidachse verläuft. Typischerweise wird der Randausschnitt durch eine Schnittebene des Paraboloids gebildet, die parallel zur Paraboloidachse mit einem Abstand von dieser verläuft. Insbesondere bei der Anwendung mit einem schräg gestellten Reflektor kann die Schnittebene relativ zur Paraboloidachse geneigt sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet der Reflektor einen Halb-Paraboloid. Der Reflektor weist in diesem Fall zusätzlich einen dritten Rand auf, der die Paraboloidform in oder nahe einer Mittelebene des Paraboloids beschränkt. Der dritte Rand wird hier auch als Basisöffnung des Paraboloids bezeichnet. Der Begriff "Halb-Paraboloid" umfasst hier sowohl die genaue Halbierung als auch den Fall eines an der Basisöffnung zusätzlich beschnittenen Paraboloids. Vorteilhafterweise kann damit die Spiegeloptik so relativ zu einer ebenen Oberfläche einer zu untersuchenden Probe angeordnet werden, dass die Paraboloidachse parallel zu oder in der Oberfläche der Probe verläuft. Vorteilhafterweise ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung der erste Beleuchtungs strahlengang parallel zur Oberfläche der Probe ausgerichtet. Die Polarisation der ersten Beleuchtungsstrahlung kann so ausgerichtet werden, dass an der Nahfeldsonde eine Beleuchtung mit einer im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Probe orientierten Lichtfeldstärke (Polarisation) bereitgestellt wird.

Durch die Ränder des paraboloidförmigen Reflektors werden relativ zum Fokus des Reflektors Öffnungswinkel aufgespannt, die Räume für die Nahfeldsonde und die ersten und zweiten Beleuchtungsstrahlengänge frei lassen. Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der zwischen dem zweiten und dem dritten Rand in einer Mittelebene gebildete Öffnungswinkel α des Reflektors in einem Bereich von 20° bis 70° gewählt. Für diesen Winkelbereich haben die Erfinder festgestellt, dass die Beleuchtung des Fokus über den ersten Beleuchtungsstrahlengang mit hoher Effektivität möglich ist, ohne dass der zweite Beleuchtungsstrahlengang zu stark beschnitten wird.

Der erste Rand des Paraboloids bildet die Hauptöffnung mit einem vorbestimmten Öffnungswinkel β. Der Öffnungswinkel β repräsentiert den Winkel, unter dem Strahlung auf dem ersten Beleuchtungsstrahlengang auf den Fokus zuläuft. Wenn der Öffnungswinkel β im Bereich von 30° bis 240° gewählt ist, kann die Lichtsammlung im Fokus des Reflektors vorteilhafterweise verbessert werden.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Spiegeloptik besteht darin, dass gleichzeitig mehrere Betriebsbedingungen der Nahfeldmikroskopie erfüllt werden können, welche die Bewegung der Probe relativ zur Nahfeldsonde und relativ zum Spiegelobjektiv, die Halterung der Nahfeldsonde, die Umkehrbarkeit des ersten Beleuchtungsstrahlengangs zum Auslesen des Streulichts und den optischen Zugang zur mikroskopischen Überwachung der Nahfeldsonde und/oder zum Auslesen einer Verbiegung der Nahfeldsonde umfassen. Des weiteren kann die Beleuchtung so polarisiert werden, dass die Feldstärke eine wesentliche Komponente entlang der Nahfeldsonde senkrecht zur Oberfläche der Probe enthält, was insbesondere wegen der Antennenfunktion von metallisierten Tastspitzen für die sSNOM-Mikroskopie (sSNOM: Scattering-Type Scanning Near-Field Optical Microscope) von Vorteil ist.

Wenn die Spiegeloptik gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem Justierelement ausgestattet ist, können sich Vorteile für eine Justierung des ersten Beleuchtungsstrahlengangs relativ zur Paraboloidachse des Reflektors ergeben. Das Justierelement ist ein optisches Bauteil mit einem ebenen Reflektor, dessen Oberfläche senkrecht zur Paraboloidachse des Reflektors angeordnet ist. Als Justierelement kann beispielsweise ein ebener Spiegel oder ein anderes reflektierendes Bauteil mit einer planen Oberfläche verwendet werden.

Das Justierelement ist vorzugsweise an einem Rand des Reflektors angeordnet, so dass Störungen der ersten oder zweiten Beleuchtungsstrahlengänge vermieden werden. Besonders bevorzugt ist die Positionierung am zweiten Rand, also am Umfang des erfindungsgemäß vorgesehenen Randausschnitts des Reflektors.

Wenn die Beleuchtungsintensität an der Position des Justierelements für eine sichere Justierung nicht ausreichend ist, kann gemäß einer weiteren Variante der Erfindung die Spiegeloptik mit einem Ablenkelement ausgestattet sein. Das Ablenkelement ist im sich öffnenden Paraboloid im ersten Beleuchtungsstrahlengang angeordnet und lenkt einen Teil der Beleuchtungsstrahlung aus dem ersten Beleuchtungsstrahlengang hin zum Justierelement. Vorzugsweise ist das Ablenkelement eine plane parallele, transparente Platte, z. B. aus Glas. Mit Hilfe des Ablenkelements wird vorteilhafterweise der Rand des Reflektors der Spiegeloptik ausgeleuchtet.

Vorteilhafterweise kann die Spiegeloptik in der Praxis mit verschiedenartigen optischen Bauelementen realisiert werden. Gemäß einer Variante umfasst der Reflektor der Spiegeloptik einen Hohlspiegel, mit dem vorteilhafterweise chromatische Abbildungsfehler ausgeschlossen werden können. Alternativ kann der Reflektor durch eine Festkörper-Immersionsoptik gebildet werden, die eine reflektierende Grenzfläche entsprechend der erfindungsgemäß vorgesehenen Paraboloidform enthält. Die Festkörper-Immersionsoptik ist vorzugsweise wie eine SIM-Linse aufgebaut. Vorteilhafterweise kann mit der Verwendung der Festkörper-Immersionsoptik der Fokusdurchmesser in Abhängigkeit von dem Brechungsindex des Materials der Festkörper-Immersionsoptik verringert und die Beleuchtungsstärke an der Nahfeldsonde entsprechend vergrößert werden.

Zur Vermeidung von Reflektionsverlusten kann die Festkörper-Immersionsoptik mit einer ebenen Eintrittsfläche ausgestattet sein. Besonders bevorzugt ist die Bereitstellung einer dielektrischen Beschichtung auf der Eintrittsfläche und/oder die Neigung der Eintrittsfläche gemäß dem Brewster-Winkel relativ zum ersten Beleuchtungsstrahlengang.

Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung ist ein Nahfeldmikroskop, das mindestens eine erfindungsgemäße Spiegeloptik und mindestens eine Nahfeldsonde enthält. Vorzugsweise ist die Spiegeloptik im Nahfeldmikroskop relativ zu einer Probe auf einer Probenhalterung so angeordnet, dass die Paraboloidachse des Reflektors parallel zur Oberfläche der Probe verläuft.

Alternativ kann die Paraboloidachse relativ zu der Oberfläche der Probe mit einem Reflektorwinkel geneigt sein, der z. B. im Bereich oberhalb von 0° bis 60°, vorzugsweise 10° bis 45° gewählt ist, wobei sich in diesem Fall Vorteile für die Justierung oder die Einstellung einer bestimmten Polarisation der ersten Beleuchtungsstrahlung relativ zur Ausrichtung der Probenoberfläche ergeben können. Insbesondere kann damit der erste Beleuchtungsstrahlengang über die Tastspitze und ihre Halterung hinweg geführt werden, was einen kompakten Aufbau ermöglicht.

Um bei dieser Variante eine möglichst hohe Lichtsammlung durch den Reflektor zu erhalten, verläuft der erste Rand vorzugsweise nicht durch eine Ebene senkrecht zur Paraboloidachse, sondern durch eine Ebene senkrecht zur Probenoberfläche. Der Winkel zwischen der vom ersten Rand aufgespannten Ebene und einer Normalen auf der Paraboloidachse entspricht dem Reflektorwinkel. Des Weiteren verläuft der zweite Rand vorzugsweise nicht durch eine Ebene parallel zur Paraboloidachse, sondern parallel zur Probenoberfläche. Der Winkel zwischen der vom zweiten Rand aufgespannten Ebene und der Paraboloidachse entspricht dann ebenfalls dem Reflektorwinkel.

Das erfindungsgemäße Nahfeldmikroskop ist vorzugsweise mit einer Lichtquelleneinrichtung ausgestattet, mit der über den ersten Beleuchtungsstrahlengang die Nahfeldsonde im Fokus der Spiegeloptik beleuchtet werden kann. Die Spiegeloptik und die Lichtquelleneinrichtung sind vorzugsweise relativ zueinander fixiert, so dass die Justierungen während der optischen Nahfeldmessung vermieden werden können. Vorteilhafterweise kann die Lichtquelleneinrichtung für Messungen mit spektraler Auflösung Beleuchtungsstrahlen mit mehreren, verschiedenen Wellenlängen erzeugen. Hierzu können beispielsweise mehrere La serquellen in der Lichtquelleneinrichtung vorgesehen sein, die verschiedene Emissionswellenlängen aufweisen. Die Beleuchtungsstrahlen mit den verschiedenen Wellenlängen werden parallel nebeneinander über den ersten Beleuchtungsstrahlengang auf die Nahfeldsonde im Fokus der Spiegeloptik fokussiert.

Vorzugsweise ist das Nahfeldmikroskop gemäß der Erfindung ferner mit einer Detektoreinrichtung ausgestattet, mit der Streulicht von der Nahfeldsonde detektiert werden kann. Vorteilhafterweise wird mit der erfindungsgemäß verwendeten Spiegeloptik ein großer Raumwinkelbereich zur Sammlung der an der Nahfeldsonde gestreuten Strahlung erfasst, so dass sich das Nahfeldmikroskop durch eine hohe Sammlungseffizienz und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis auszeichnet.

Der mit der Spiegeloptik erfasste Raumwinkelbereich entspricht einem großen Querschnitt des Parallelstrahls auf dem ersten Beleuchtungsstrahlengang. Da der Parallelstrahl nicht kompakt, sondern rechteckig oder elongiert deformiert ist, kann eine Teilung des Parallelstrahls in zwei oder mehrere nebeneinander verlaufende Strahlen vorgesehen sein. Vorteilhafterweise können damit mehrere Strahlen auf die Nahfeldsonde gerichtet werden oder das rückgestreute Licht räumlich getrennt detektiert werden.

Ein Verfahren zur nahfeldoptischen Messung an einer Probe unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Spiegeloptik oder eines erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskops stellt einen unabhängigen Gegenstand der Erfindung dar.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

1: eine schematische Illustration der erfindungsgemäß geschnittenen Paraboloidform des Reflektors einer Spiegeloptik,

2: eine schematische Seitenansicht einer nahfeldmikroskopischen Messanordnung mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spiegeloptik,

3: eine schematische Draufsicht auf die in 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung, und

4: eine schematische Seitenansicht einer nahfeldmikroskopischen Messanordnung mit einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spiegeloptik.

1 illustriert eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spiegeloptik 10, die durch einen Hohlspiegel gebildet wird. Auf der inneren Krümmung des Hohlspiegels ist der Reflektor 11 gebildet, dessen Oberfläche einen Ausschnitt eines Paraboloids mit dem Fokus 13 auf der Paraboloidachse 12 bildet. Beim illustrierten Beispiel verläuft die Paraboloidachse 12 in x-Richtung. Die Paraboloidfläche öffnet sich in x-Richtung.
Die Form des Reflektors 11 wird durch die folgenden drei Schnitte des Paraboloids bestimmt. Der erste Schnitt verläuft parallel zur y-z-Ebene zur Bildung des ersten (vorderen) Randes 16.1, 16.2 des Reflektors 11. Die Hauptöffnung des Paraboloids wird so beschnitten, dass der Fokus 13 außerhalb des vom Reflektor 11 umschlossenen Raumes angeordnet ist. Die zweiten und dritten Schnitte verlaufen parallel zur x-y-Ebene, wobei der obere (zweite) Rand 15 und der untere (dritte) Rand 17 gebildet werden. Mit dem oberen Rand 15 wird der erfindungsgemäß vorgesehene Randausschnitt 14 als Seitenöffnung des Paraboloids gebildet. Der untere Rand 17 liegt in einer Ebene 18, die einen vorbestimmten Abstand z₁ von der Paraboloidachse 12 mit dem Fokus 13 aufweist. Der Abstand z₁ beträgt z. B. 1 mm. Durch den dritten Rand wird die Form des Halb-Paraboloids nahe der Mittelebene des Paraboloids beschränkt. Alternativ kann ein Halb-Paraboloid geschaffen werden, in dem die Ebene 18 mit der Mittelebene des Paraboloids zusammenfällt. Relativ zum Fokus 13 bilden der untere Rand 17 und der obere Rand 15 den Öffnungswinkel α (siehe 2) und die Fußpunkte der vorderen Ränder 16.1, 16.2 den Öffnungswinkel β (siehe 3).
Der Reflektor 11 ist so beschnitten, dass ein erster Beleuchtungsstrahlengang I und ein zweiter Beleuchtungsstrahlengang II auf den Fokus 13 gerichtet werden können. Der erste Beleuchtungsstrahlengang I (schematisch illustriert) umfasst alle parallel zur Paraboloidachse 12 (x-Richtung) auf den Reflektor 11 fallenden Strahlen, die entsprechend der paraboloiden Reflektorform in den Fokus 13 fokussiert werden. Das im Fokus 13 mit einer Nahfeldsonde (siehe 2 bis 4) allseits abgestrahlte Streulicht wird in umgekehrter Richtung mit dem Reflektor 11 gesammelt und in die x-Richtung gelenkt. Der zweite Beleuchtungsstrahlengang II verläuft senkrecht zur Paraboloidachse 12 und zur Ebene 18. Der zweite Beleuchtungsstrahlengang II kann von der Reflektorseite (wie dargestellt) oder von der entgegengesetzten Seite oder von beiden Seiten auf den Fokus 13 gerichtet sein. Durch den zweiten Beleuchtungsstrahlengang II wird ein Lichtweg geschaffen, auf dem die Probe und/oder die Nahfeldsonde beobachtet werden können. Es kann insbesondere die Probenoberfläche mit einem Mikroskop und/oder die Ausrichtung der Nahfeldsonde mit einem optischen Deflektionsdetektor erfasst werden.
Für die Anwendung in der Nahfeldmikroskopie wird der Reflektor 11 durch eine Metallfolie, z. B. aus Nickel oder eine beschichtete Hohlfläche eines optischen Bauelements gebildet, wie dies in den 2 und 3 illustriert ist. Gemäß einer weiteren Variante kann eine Festkörper-Immersionsoptik vorgesehen sein, die unten unter Bezug auf 4 beschrieben ist.
Die 2 und 3 illustrieren eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Nahfeldmikroskops 100 mit der Spiegeloptik 10, einer Nahfeldsonde 20, einer Lichtquelleneinrichtung 30, einer Detektoreinrichtung 40 und einer Kameraeinrichtung 50. Die schematisch illustrierten Komponenten 20 bis 50 (in Figur nur teilweise gezeigt) und eine Steuerungs- und Auswertungseinrichtung (nicht dargestellt) des Nahfeldmikroskops 100 sind so aufgebaut, wie es aus der herkömmlichen Nahfeldmikroskopie bekannt ist.
Die Spiegeloptik 10 umfasst einen Spiegelkörper mit einer konkaven Oberfläche, die den Reflektor 11 bildet. Die Oberfläche des Reflektors 11 repräsentiert einen Ausschnitt eines Paraboloids, wie dies oben unter Bezug auf 1 beschrieben wurde. Der Spiegelkörper besteht z. B. aus Aluminium.
Die Spiegeloptik 10 ist mit dem Abstand z₁ über der Oberfläche 2 der zu untersuchenden Probe 1 angeordnet. Der Öffnungswinkel α zwischen dem unteren Rand 17 und dem oberen Rand 15 beträgt z. B. 50°. Parallel zur Oberfläche 2 der Probe 1 beträgt der Öffnungswinkel β (siehe 3) z. B. 150°. Die Paraboloidachse 12 des Reflektors 11 verläuft parallel zur Oberfläche 2.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung kann die Paraboloidachse 12 relativ zur Oberfläche 2 um einen Reflektorwinkel von z. B. 20 ° geneigt sein. Der erste Rand 16.1, 16.2 erstreckt sich dann senkrecht zur Probenoberfläche in einer Ebene, die entsprechend mit der Paraboloidachse einen Winkel von 70° aufspannt. Des Weiteren spannt der zweite Rand 15 mit der Paraboloidachse entsprechend dem Reflektorwinkel ebenfalls 20° auf.
Am oberen (zweiten) Rand 15 des Randausschnitts 14 ist das Justierelement 19 angeordnet. Das Justierelement 19 umfasst einen Planspiegel, dessen Oberfläche senkrecht zur Paraboloidachse 12 ausgerichtet ist. Mit dem Justierelement 19 kann die entlang dem ersten Beleuchtungsstrahlengang I auf den Reflektor 11 gerichtete Strahlung genau parallel zur Paraboloidachse 12 justiert werden. Hierzu genügt es, wenn die Spiegelfläche des Justierelements 19 geringe Maße von z. B. 1 mm aufweist. Falls die Strahlintensität am Rand 15 für Justierzwecke nicht ausreichend ist, kann in den ersten Beleuchtungsstrahlengang I eine planparallele, transparente Platte 19.1 (gestrichelt gezeichnet) eingesetzt werden, mit der ein Teil des Lichts auf das Justierelement 19 abgelenkt wird, ohne die Bestrahlung der Tastspitze 21 wesentlich zu beeinträchtigen.
Mit dem Reflektor 11 wird das parallel zur Paraboloidachse 12 eingestrahlte Licht auf die Tastspitze 21 fokussiert. Vorteilhafterweise wird ermöglicht, eine starke, zur Oberfläche 2 der Probe 1 senkrecht stehende Komponente des elektrischen Feldes auf die Tastspitze 21 zu fokussieren.
Der zweite Beleuchtungsstrahlengang II verläuft senkrecht zur Paraboloidachse 12 zwischen der Nahfeldsonde 20 und der Kameraeinrichtung 50. Im zweiten Beleuchtungsstrahlengang II ist ein Mikroskopobjektiv 51 angeordnet. Vorzugsweise weist das Mikroskopobjektiv 51 einen Arbeitsabstand ab, der größer als die senkrechte Höhe der Spiegeloptik 10 über dem Fokus 13 ist. Es wird beispielsweise ein Cassegrain-Spiegelobjektiv (NA = 0.55, Arbeitsabstand 23 mm) verwendet. Bei der Untersuchung einer transparenten Probe 1 kann zusätzlich eine Beobachtung von der Unterseite der Probe her vorgesehen sein.
4 illustriert Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Spiegeloptik 10 eine Festkörper-Immersionsoptik mit einem Spiegelkörper 10.1 aus einem transparenten Material umfasst. Der Spiegelkörper 10.1 besteht beispielsweise aus Glas oder ZnSe. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Fokusdurchmesser entsprechend einem Faktor verkleinert wird, der gleich dem Brechungsindex des Materials des Spiegelkörpers 10.1 ist (z.B. ZnSe: n = 2.4). Die Beleuchtungsstärke an der Nahfeldsonde vergrößert sich entsprechend mit dem Faktor n². Bei der Sammlung des an der Nahfeldsonde gestreuten Lichtes werden Gewinne ähnlicher Größenordnung erzielt.
Bei der Spiegeloptik 10 gemäß 4 wird der Reflektor 11 durch eine gekrümmte Oberfläche des Spiegelkörpers 10.1 gebildet. Die Reflektion des ersten Beleuchtungsstrahlengangs I erfolgt durch innere Totalreflektion oder durch eine metallische Beschichtung.
Bei der Ausführungsform gemäß 4 bildet der Reflektor 11 einen Halb-Paraboloiden. Die durch den Rand 17 aufgespannte Ebene enthält die Paraboloidachse 12 und den Fokus 13. Der Spiegelkörper 10.1 wird gemäß 4 an seiner an den Rand 17 angrenzenden Seite durch eine ebene Oberfläche 10.2 begrenzt, die den Fokus 13 enthält. Die zu untersuchende Probe wird auf die Oberfläche 10.2 aufgebracht und mit der Nahfeld sonde 20 abgerastert, wie dies von der Nahfeldmikroskopie bekannt ist. Wenn sich die zu untersuchende Probe auf einem gesonderten Substrat, z. B. einem Deckglas für die Mikroskopie, befindet, so wird der Spiegelkörper 10.1 auf der Seite der Oberfläche 10.2 um die Dicke des gesonderten Substrats abgetragen.
Vorteilhafterweise kann das Probensubstrat auf dem Spiegelkörper 10.1 verschoben werden, um verschiedene Bereiche der Probe nahfeldmikroskopisch zu untersuchen. Dabei können gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskopieverfahrens die Nahfeldsonde 20 und der Reflektor 11 ortsfest bleiben.
Auf der zum ersten Beleuchtungsstrahlengang I weisenden Seite weist der Spiegelkörper 10.1 eine ebene Eintrittsfläche 10.3 auf, die zur Vermeidung von Reflektionsverlusten vorzugsweise mit einer an die verwendeten Wellenlängen angepassten dielektrischen Beschichtung versehen oder mit dem Brewsterwinkel geneigt angeordnet ist.
Die in den 2 und 4 schematisch gezeigten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nahfeldmikroskope 100 weisen jeweils eine einzelne Spiegeloptik 10 auf. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung kann ein Nahfeldmikroskop mit zwei Spiegeloptiken ausgestattet sein, von denen eine erste Spiegeloptik gemäß 2 der Beleuchtung der Tastspitze 21 und die zweite Spiegeloptik gemäß 4 der Sammlung des an der Tastspitze gestreuten Lichtes dient. In diesem Fall wird der erste Beleuchtungsstrahlengang von einer Lichtquelleneinrichtung über die erste Spiegeloptik zur Tastspitze aufgespannt, während ein zweiter Beleuchtungsstrahlengang von der Tastspitze über die zweite Spiegeloptik zur Detektoreinrich tung und ein dritter Beleuchtungsstrahlengang zur Beobachtung der Probe und/oder der Tastspitze vorgesehen sind.
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.

Claims

Spiegeloptik (10), insbesondere für eine nahfeldoptische Messung an einer Probe (1), umfassend: – einen Reflektor (11) in Form eines Paraboloids mit einer Paraboloidachse (12) und einem Fokus (13), der über einen ersten Beleuchtungsstrahlengang (I) beleuchtet werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass – der Reflektor (11) mindestens einen Randausschnitt (14) derart aufweist, dass der Fokus (13) über einen zweiten Beleuchtungsstrahlengang (II) beleuchtet werden kann, der vom ersten Beleuchtungsstrahlengang (I) abweicht.
Spiegeloptik nach Anspruch 1, bei welcher der Reflektor (11) die Form eines Halb-Paraboloids aufweist.
Spiegeloptik nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher ein Rand (15) des Randausschnitts (14) und ein gegenüberliegender Rand (17) des Reflektors (11) einen Öffnungswinkel α bilden, der im Bereich von 20° bis 70° gewählt ist.
Spiegeloptik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwei einander gegenüberliegende Randabschnitte (16.1, 16.2) einer Hauptöffnung des Reflektors (11) einen Öffnungswinkel β bilden, der im Bereich von 30° bis 240° gewählt ist.
Spiegeloptik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Reflektor (11) ein Justierelement (19) mit einer senkrecht zur Paraboloidachse (12) ausgerichteten Oberfläche aufweist.
Spiegeloptik nach Anspruch 5, bei welcher der Reflektor (11) ein Ablenkelement (19.1) aufweist, mit dem Licht vom ersten Beleuchtungsstrahlengang (I) zum Justierelement (19) gelenkt werden kann.
Spiegeloptik nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Reflektor (11) einen Hohlspiegel oder eine Festkörper-Immersionsoptik umfasst, die eine reflektierende Grenzfläche enthält.
Spiegeloptik nach Anspruch 7, bei der die Festkörper-Immersionsoptik eine ebene Oberfläche (10.2) aufweist, in welcher der Fokus (13) liegt.
Spiegeloptik nach Anspruch 8, bei der die Festkörper-Immersionsoptik eine ebene Eintrittsfläche (10.3) aufweist, die eine dielektrische Beschichtung trägt oder mit dem Brewster-Winkel relativ zum ersten Beleuchtungsstrahlengang (I) geneigt ist.
Nahfeldmikroskop (100), das mindestens eine Spiegeloptik (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Nahfeldsonde (20) enthält.
Nahfeldmikroskop nach Anspruch 10, bei dem die Spiegeloptik (10) so angeordnet ist, dass die Paraboloidachse (12) parallel zur Oberfläche (2) der Probe (1) verläuft.
Nahfeldmikroskop nach Anspruch 10, bei dem die Spiegeloptik (10) so angeordnet ist, dass die Paraboloidachse (12) relativ zur Oberfläche (2) der Probe (1) einen Reflektorwinkel bildet, der im Bereich oberhalb von 0° bis 60° gewählt ist.
Nahfeldmikroskop nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem eine Lichtquelleneinrichtung (30) vorgesehen ist, mit der über den ersten Beleuchtungsstrahlengang (I) der Fokus (13) der Spiegeloptik (10) beleuchtet werden kann.
Nahfeldmikroskop nach Anspruch 13, bei dem die Lichtquelleneinrichtung (30) dazu eingerichtet ist, mehrere Beleuchtungsstrahlen zu erzeugen, die parallel nebeneinander über den ersten Beleuchtungsstrahlengang (I) zum Fokus der Spiegeloptik (10) gerichtet werden können.
Nahfeldmikroskop nach Anspruch 14, bei dem die Lichtquelleneinrichtung (30) dazu eingerichtet ist mehrere, spektral unterschiedliche Beleuchtungsstrahlen zu erzeugen.
Nahfeldmikroskop nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem eine Detektoreinrichtung (40) vorgesehen ist, mit der Streulicht von der Nahfeldsonde (20) über den ersten Beleuchtungsstrahlengang (I) detektiert werden kann.
Nahfeldmikroskop nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem eine Kameraeinrichtung (50) vorgesehen ist.
Verfahren zur nahfeldoptischen Messung an einer Probe (1) unter Verwendung einer Spiegeloptik (10) oder eines Nahfeldmikroskops (100) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.