DE102012214181A1

DE102012214181A1 - Rastersondenmikroskop-Hebelarm mit einem elektromagnetischen Sensor

Info

Publication number: DE102012214181A1
Application number: DE102012214181A
Authority: DE
Inventors: Jens Hofrichter; Philip Paul; Felix Holzner; Folkert Horst
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2013-02-14
Also published as: GB201207732D0; US8875311B2; GB2493585A; US20140047585A1; GB2493585B

Abstract

Die Erfindung betrifft vor allem einen Rastersondenmikroskop-Hebelarm (10), der einen Schaft (15) und einen elektromagnetischen Sensor (20) mit einer detektierbaren elektromagnetischen Eigenschaft umfasst, die sich bei Deformation des Schafts ändert. Ferner betrifft die Erfindung ein Rastersondenmikroskop, eine Detektionsvorrichtung und ein Detektionsverfahren, das einen solchen Hebelarm verwendet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Rastersondenmikroskop-Hebelarme und Lesesysteme zum Erkennen und Beobachten von Bewegungen der Hebelarme, wenn diese über die Oberfläche eines Materials geführt werden.
Hintergrund der Erfindung
Die Rastersondenmikroskopie entstand mit der Erfindung des Rastertunnel- und des Rasterkraftmikroskops. Kurz gesagt dient es zum Erstellen der Bilder von Probenoberflächen unter Verwendung einer physischen Sonde. Techniken der Rastersondenmikroskopie beruhen auf dem Abtasten mittels einer Sonde, z. B. einer scharfen Spitze, direkt oberhalb oder in Kontakt mit einer Probenoberfläche bei gleichzeitiger Beobachtung der Wechselwirkung zwischen der Sonde und der Oberfläche. Dadurch kann ein Bild der Probenoberfläche gewonnen werden. Üblicherweise wird die Probe rasterförmig abgetastet und die Wechselwirkung Sonde/Oberfläche als Funktion der Position aufgezeichnet. Somit werden Daten üblicherweise in Form eines zweidimensionalen Rasters von Datenpunkten gewonnen.
Die erreichte Auflösung hängt von der zugrunde liegenden Technik ab: in bestimmten Fällen kann eine atomare Auflösung erreicht werden. Üblicherweise werden zum Ausführen präziser Bewegungen der Sonde entweder piezoelektrische oder elektrostatische Aktoren verwendet.
Die beiden Haupttypen der Rastersondenmikroskopie (scanning probe microscopy, SPM) sind die Rastertunnelmikroskopie (scanning tunneling microscopy, STM) und die Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM). An die Erfindung der STM schloss sich rasch die Entwicklung einer Reihe entsprechender Techniken an (darunter die AFM), die zusammen mit der STM die SPM-Techniken bildet. Bekanntlich wird bei der STM die Wechselwirkung in Form eines Stroms beobachtet, der zwischen einer metallischen Spitze tunnelt, die in nächste Nähe eines leitenden Substrats gebracht wird. Die quantenmechanische Idee der Tunnelung gestattet Elektronen, durch eine Potenzialbarriere zu tunneln, die sie nach den Vorstellungen der klassischen Physik nicht überwinden könnten. Somit sind Elektronen gemäß der Quantentheorie in der Lage, den klassischerweise verbotenen Zwischenraum zwischen der Spitze und der Probe zu durchspringen.
Die bildliche Darstellung der Oberflächentopologie unter Verwendung der STM erfolgt für gewöhnlich in einem von zwei Modi: (i) im Konstanthöhenmodus, wobei der Tunnelstrom überwacht wird, während die Spitze parallel zu der Oberfläche bewegt wird; und (ii) im Konstantstrommodus, wobei der Tunnelstrom konstant gehalten wird, während die Spitze die Oberfläche abtastet, und eine Ablenkung der Spitze gemessen wird.
Bei AFM-Techniken werden die Kräfte zwischen der Spitze und der Oberfläche beobachtet; dabei kann es sich entweder um die Paulische Nahbereichs-Abstoßungskraft (im Kontaktmodus) oder um die Fernordnungs-Anziehungskraft (im kontaktlosen Modus, bloße van der Waalssche Kräfte) handeln.
Unter Verwendung von AFM-Techniken kann die bildliche Darstellung der Oberflächentopologie in einem von drei Modi durchgeführt werden: (i) im Kontaktmodus, wobei die Sonde in ständigem Kontakt über die Oberfläche bewegt wird und somit die Oberfläche durch Änderung des Höhensollwertes beobachtet wird; und (ii) im kontaktlosen Modus, wobei ein starrer Hebelarm mit einer kleinen Amplitude von üblicherweise weniger als 10 nm oberhalb der Oberfläche oszilliert. Einflüsse der Oberfläche führen zu Änderungen von Frequenz und Amplitude des Hebelarms. Diese Änderungen können detektiert und als Rückkopplungssignale verwendet werden. In einem dritten Modus, (iii) dem periodischen Kontakt- oder Tastmodus, oszilliert der Hebelarm mit einer größeren Amplitude von üblicherweise 100 bis 200 nm. Dadurch können auch Nahbereichskräfte detektiert werden, ohne dass der Hebelarm an der Oberfläche haften bleibt.
Die obigen Techniken werden mittels eines Sensors in eine Topografie umgesetzt. Bei einem gebräuchlichen Sensortyp handelt es sich um eine Freiraum-Laserstrahlablenkungsanordnung mit massiver Komponente mit einer Vierquadranten-Diode, die als Ablenkungssensor dient. Thermische Höhen- und piezoresistive Ablenkungssensoren stellen weitere bekannte Messprinzipien dar.
Sowohl bei der STM als auch bei der AFM muss die Position der Spitze in Bezug auf die Oberfläche genau gesteuert werden (z. B. bis auf ungefähr 0,1 Å genau), indem entweder die Probe oder die Spitze bewegt wird. Die Spitze ist üblicherweise sehr scharf; sie endet im Idealfall an dem der Oberfläche am nächsten gelegenen Punkt mit einem einzelnen Atom oder Molekül.
Metallische Sondenspitzen für Leitfähigkeitsmessungen werden üblicherweise aus Platin/Iridium oder Gold hergestellt. Diesbezüglich sind die zwei wichtigsten Verfahren zur Herstellung einer scharfen Sondenspitze bekannt: Ätzen mit Säure und Schneiden. Das erste Verfahren beinhaltet zuerst das Tauchen eines Drahtendes in ein Säurebad und anschließend Warten, bis der Draht durchgeätzt ist und der untere Teil abfällt. Die resultierende Spitze kann somit an seinem Ende einen monoatomaren Durchmesser aufweisen. Ein alternatives und schnelleres Verfahren besteht darin, einen dünnen Draht mit geeigneten Werkzeugen zuzuschneiden. Durch Prüfen der mittels dieses Verfahrens hergestellten Spitze auf einer Probe mit bekanntem Profil zeigt sich dann, ob die Spitze geeignet ist.
Sondenspitzen aus Silicium, die üblicherweise für nichtleitende AFM-Messungen verwendet werden, werden üblicherweise durch isotropes Ätzen einer Säulenstruktur von Silicium hergestellt, bis die gewünschte Feinheit erreicht ist.
Zum Vergleich stellt die US-Patentschrift 5 059 793 (A) ein Rastertunnelmikroskop bereit, bei dem ein Servosystem zur Steuerung des Abstands zwischen der Sonde und der Probe unabhängig vom Oberflächenzustand der Probe geeignet eingestellt werden kann. Als weiteres Beispiel bietet die US-Patentschrift 5 546 375 (A) ein Verfahren zur Herstellung einer feinen Spitze zum Detektieren kleinster Ströme oder Kräfte.
Abgesehen von der Patentliteratur widmen sich eine Reihe von Veröffentlichungen der STM und der Herstellung von SPM-Sonden, siehe z. B. Hayashi, T., Tachiki, M., Itozaki, H., Applied Superconductivity, IEEE Transactions on, Band 17, Ausgabe 2, Juni 2007, S. 792 bis 795 (DOI 10.1109/TASC.2007.898557).
Darüber hinaus sind in anderen technischen Gebieten auch Lichtwellenleiter, Ringresonatoren, Isolatoren und andere optische Komponenten als Grundbausteine für eine Anzahl integrierter Photonikkomponenten wie beispielsweise Schalter, Laser, Filter und Sensoren bekannt. Optische Ringresonatoren umfassen einen Wellenleiter in einer geschlossenen Schleife, der üblicherweise mit Eingangs-/Ausgangs-Wellenleitern verbunden ist. Licht mit einer geeigneten Wellenlänge kann über den Eingangs-Wellenleiter in die Schleife eingekoppelt werden, um in mehreren Durchläufen durch konstruktive Interferenz an Intensität zu gewinnen. Das Licht kann dann über einen Ausgangs-Wellenleiter wieder ausgekoppelt werden. Da in der Schleife eine Reihe bestimmter Wellenlängen in der Schleife in Resonanz stehen, kann der Resonator als Filter verwendet werden.
Die folgenden Patentdokumente sind Teil der zugrunde liegenden Technik:

– US 7 385 749 : Silicon Acousto-Optic Modulator (C. Pannella et al.);
– US 5 329 271 : Semiconductor Strain Sensor (Inuzuka et al.);
– US 7 265 429 : System and Method of Fabricating Micro Cavities (Wan et al.); and
– US2007/0186664 : Strain Gauge (Powlesland et al.);

Auch die folgenden wissenschaftlichen Veröffentlichungen sind als Teil der zugrunde liegenden Technik anzusehen:

[1] Y. Amemiya, Y. Tanushi, T. Tokunaga und S. Yokoyama, Japanese Journal of Applied Physics, 47(4), S. 2910 bis 2914, (2008).
[2] D. K. Biegelsen, Physical Review Letters, 32(21), S. 1196 bis 1199, (1974).
[3] D. K. Biegelsen, Physical Review B, 12(6), S. 2427 bis 2431, (1975).
[4] H Rho, H. E. Jackson und B. L. Weiss, Journal of Applied Physics, 90, S. 276 (2001).
[5] M. C. Brito, J. P. Pereira, J. Maia Alves, J. M. Serra und A. M. Vallera, Review of Scientific Instruments 76, 013901, (2005).
[6] L. S. Yu, Z. F. Guan, Q. Z. Liu und S. S. Lau., Applied Physics Letters 66(16), S. 2016, (1995).
[7] M. Fukuzawa und M. Yamada, Journal of Crystal Growth 229(1–4), S. 22 bis 25, (2001).
[8] F. Xia, L. Sekaric, M. O'Boyle und Y. A. Vlasov, Applied Physics Letters 89, 041122 (2006).
[9] H. Kawakatsu, S. Kawai, D. Saya, M. Nagashio, D. Kobayashi, H. Toshiyoshi, und H. Fujita, Rev. Sci. Instrum. 73, S. 2317 (2002).
[10] G. Schitter, M. J. Rost, Materials Today 11 (Sonderausgabe): S. 40 bis 48 (2008).
[11] K. Srinivasan, H. Miao, M. Rakher, M. Davano und V. Aksyuk: "Optomechanical Transduction of an Integrated Silicon Cantilever Probe Using a Microdisk Resonator", Nano Lett., im Druck.
[12] B. E. A. Saleh und M. C. Teich: "Fundamentals of Photonics", Wiley, 2007.
[13] M. Despont, U. Drechsler, R. Yu, H. B. Pogge und P. Vettiger, "Waferscale Microdevice Transfer/Interconnect: Its Application in an AFM-Based Data-Storage System", Journal of Microelectromechanical Systems 13(6), S. 895 bis 901, 2004.
[14] H. Rothuizen, M. Despont, U. Drechsler, C. Hagleitner, A. Sebastian und D. Wiesmann, „Design of Power-Optimized Thermal Cantilevers For Scanning Probe Topography Sensing", 22. International Conference an Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Sorrento, Jan 2009, S. 603 bis 606, (2009).

Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt wird die vorliegende Erfindung als Rastersondenmikroskop-Hebelarm realisiert, der einen Hebelarmschaft und einen mit dem Schaft verbundenen elektromagnetischen Sensor umfasst, wobei der Sensor eine sich bei Deformation des Schafts ändernde detektierbare elektromagnetische Eigenschaft aufweist.
Gemäß Ausführungsformen kann der Hebelarm ein oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:

– der Sensor umfasst mindestens einen an dem Schaft, vorzugsweise an dessen Oberfläche oder innerhalb eines Tiefenbereichs einer Oberfläche des Schafts, angebrachten Wellenleiter;
– wobei der mindestens eine Wellenleiter eine geschlossene Schleife bildt;
– der Hebelarm umfasst ferner einen oder mehrere zusätzliche Wellenleiter, die so angeordnet sind, dass eine elektromagnetische Welle in den Sensor eingegeben und/oder von diesem detektiert werden kann;
– der Sensor umfasst eine Anzahl von mindestens zwei an dem Schaft angeordneten Wellenleitern, deren beider detektierbare elektromagnetische Eigenschaft sich bei Deformation des Schafts ändert;
– die Anzahl der Wellenleiter sind als gekoppelter Wellenleiter-Resonator konfiguriert;
– der Sensor umfasst mindestens einen Wellenleiter, der mittels einer Silicium-auf-Isolator-Technologie an dem Schaft angeordnet;
– der Sensor umfasst mindestens einen Wellenleiter mit einem Gütefaktor größer als 10.000, vorzugsweise größer als 100.000; und
– der Sensor ist als Mach-Zehnder-Interferometer konfiguriert.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die vorliegende Erfindung als Detektionsvorrichtung realisiert, um gemäß Ausführungsformen der Erfindung die elektromagnetische Eigenschaft bei Deformation des Schafts des Rastersondenmikroskop-Hebelarms zu detektieren.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird die vorliegende Erfindung als Rastersondenmikroskop realisiert, das gemäß den obigen Ausführungsformen eine oder mehrere Einheiten (Hebelarme oder Detektionsvorrichtungen) umfasst.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird die vorliegende Erfindung als Detektionsverfahren realisiert, umfassend die Schritte Abtasten der Oberfläche eines Materials mit dem Hebelarm gemäß den obigen Ausführungsformen, sodass der Schaft des Hebelarms deformiert wird, und Detektieren der elektromagnetischen Eigenschaft, die sich bei Deformation des Schafts des Hebelarms ändert. Vorzugsweise wird beim Detektionsschritt ein in den Sensor eingegebenes elektromagnetisches Signal übertragen. Der Detektionsschritt kann bei einigen Ausführungsformen ferner die Doppelbrechung eines Materials des Sensors und besonders bevorzugt die Polarisationsdrehung nutzen.
Im Folgenden werden nunmehr Hebelarme und andere Einheiten sowie Detektionsverfahren lediglich anhand nicht als Einschränkung anzusehender Beispiele und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Kurzbeschreibung verschiedener Zeichnungsansichten
1 zeigt schematisch eine SPM-Vorrichtung mit einem optischen Lesesensor, der in einen SPM-Hebelarm gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung integriert ist. 1A entspricht einer Konfiguration auf der Oberseite des Sensors. 1B zeigt eine Konfiguration innerhalb der Oberflächenebene, wobei der Sensor innerhalb eines Tiefenbereichs der Oberfläche des Hebelarmschafts strukturiert ist;
2 zeigt eine Variante von 1A;
3 bis 4 zeigen typische Transmissionsspektren, die mit Vorrichtungen wie beispielsweise der in 1 dargestellten mit einem spannungsfreien bzw. mit einem verspannten Hebelarm gewonnen wurden;
5 bis 6 zeigen ein Transmissionsspektrum bzw. ein Sperrbandspektrum eines gekoppelten Lichtwellenleiterresonators (coupled resonator optical waveguide, CROW) für ultrahochauflösende Abbildung, die mit einer in 2 dargestellten Vorrichtung erzielt werden können.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Einleitend zu der folgenden Beschreibung wird zunächst auf allgemeine Aspekte der Erfindung hingewiesen, die in jeder der Ausführungsformen von 1 bis 2 zum Ausdruck kommen. In jedem Fall wird ein Rastersondenmikroskop(SPM)-Hebelarm 10 bereitgestellt, der einen Schaft 15 umfasst, der in der Regel z. B. in einer Sondenspitze 17 ausläuft. Der Hebelarm umfasst ferner einen mit dem Schaft verbundenen elektromagnetischen Sensor 20. Der Sensor weist eine elektromagnetische Eigenschaft (z. B. einen Brechungsindex) auf, der sich bei Deformation des Schafts des Hebelarms ändert. Wenn der Hebelarm über eine Probenoberfläche 70 geführt wird, wird somit eine mechanische Spannung ausgelöst, die die elektromagnetische Eigenschaft des Sensors moduliert. Diese Eigenschaft kann dann durch eine geeignete Messanordnung 40 bis 50 detektiert werden, die ein elektromagnetisches Detektionssystem für den SPM-Hebelarm darstellt. Die Höhe des Hebelarms kann damit gemessen werden.
Zur Verwendung eines Sensors 20 in der oben beschriebenen Weise sind viele Typen von elektromagnetischen Einheiten denkbar, d. h. Einheiten mit einer elektromagnetischen Eigenschaft, die sich bei Deformation ändert. Vorteilhaft ist jedoch, dass der Sensor einfach hergestellt werden kann, da am Schaft ein oder mehrere Wellenleiter 21, 22 und 23 angeordnet werden. Die Wellenleiter können zum Beispiel im Innern des Schafts 15 bereitgestellt werden, indem sie z. B. innerhalb eines begrenzten Tiefenbereichs unter der Oberfläche des Schafts strukturiert oder bündig an seiner Oberfläche angeordnet werden. Sie können jedoch oberhalb einer Oberfläche des Schafts bereitgestellt werden, indem sie z. B. aus der Oberfläche hervorstehen. Bei den Wellenleitern 21, 22, 23 handelt es sich zum Beispiel um Racetrack-Resonatoren (die als geschlossene Schleife angeordnet sind). Je nach dem verwendeten Fertigungsprozess und anderen Randbedingungen ist auch eine Scheibenform denkbar. Darüber hinaus kann der Hebelarm einen oder mehrere zusätzliche auf dem Schaft angeordnete Wellenleiter 30 umfassen, z. B. in der Nähe des Sensors 20, um, wie bei optischen Resonatoren bekannt, Licht von dem Sensor 20 einfach ein-/auskoppeln zu können. Zu beachten ist, dass diese zusätzlichen Wellenleiter als Teil des Sensors angesehen werden können. In der vorliegenden Erfindung und zur Verdeutlichung wird angenommen, dass der Sensor 20 ein oder mehrere Kernelemente 21 bis 23 umfasst, die eine sich bei Deformation (z. B. durch Druck- oder Zugspannung oder Ähnliches) ändernde optische Eigenschaft aufweisen, und dass der Sensor mit Eingabe-/Ausgabeelementen 30 gekoppelt werden kann.
In einem einfachen Fall umfasst der Sensor einen einzelnen Resonator, z. B. einen Racetrack-Resonator 21 (1). Gemäß Varianten kann er zwei oder mehr Resonatoren umfassen, die durch die detektierte Eigenschaft verändert werden. Diese werden zum Beispiel als gekoppelter Lichtwellenleiterresonator (CROW) konfiguriert.
Demgemäß werden im Folgenden solche Varianten erörtert, die ein integriertes optisches Ablenkungs- und somit Höhendetektionssystem ermöglichen, das nicht auf einer massiven Komponente beruht. Das resultierende Lesesystem verwendet elektromagnetische Signale und ist im Wesentlichen frei von elektrischem Übersprechen. Dadurch wiederum sind verschiedene leistungsfähige hochauflösende Lesesysteme möglich, z. B. für hochparallele, sehr kleine Hebelarme oder für räumlich beengte Systeme, wo eine optische Abtastung mit massiven Freiraumkomponenten nicht möglich ist. Darüber hinaus sind die Lesegeschwindigkeiten durch die mechanischen Eigenschaften des Hebelarms im Gegensatz zu den Zeitkonstanten anderer Sensorsysteme (z. B. der thermischen Zeitkonstanten für thermisches Abtasten oder der Zeitkonstanten eines piezoresistiven Lesesystems) begrenzt, wobei ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb denkbar ist. Außerdem können im Folgenden beschriebene Ausführungsformen in Hebelarme für Schreibanwendungen integriert werden.
Vor der Beschreibung weiterer möglicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden einige der Beweggründe für die vorliegende Erfindung dargelegt.
Es sind Systeme zur Nanostrukturierung und Messsysteme bekannt, die heutzutage beim Abtasten Pixelraten von 500 kHz bei einer Geschwindigkeit von 20 mm/s erlauben [Phillip C Paul, Armin Knoll, Felix Holzner, Michel Despont und Urs Duerig, ”Rapid turnaround scanning probe nano-lithography”, IOP Nanotechnology, im Druck]. Die Messfunktion solcher Systeme ist jedoch durch die thermische Zeitkonstante des thermoelektrischen Lesesensors beschränkt. Während die Leserate noch ausreichend bleibt, ist sie bei einer Anzahl praktischer Anwendungen auf unter 100 kHz begrenzt. Die nächste Generation von Hebelarmen soll nun die Geschwindigkeitslücke weiter schließen, da zu erwarten ist, dass sich die thermische Zeitkonstante des Hebelarms nicht so stark verringert, wie die mechanische Resonanzfrequenz ansteigt. Außerdem werden bei bestimmten Anwendungen aktuelle thermoelektrische Bildgebungsverfahren unempfindlicher, wenn lange Spitzen verwendet werden. Da der Hebelarm elektrostatisch betätigt wird, kommt es darüber hinaus zwischen den Signalen zur Hebelarmbetätigung und den Lesesignalen zu starkem Übersprechen. Beim Lesen im Kontaktmodus stellt dies zwar kein Problem dar, verhindert jedoch das gleichzeitige Auslesen und die Rückkopplungssteuerung des Hebelarms beim Schreiben von Mustern. Außerdem stehen die Größe der Hebelarme der neueren Generation sowie die vorgeschlagenen Formfaktoren und die Parallelisierung den optischen Freiraum-Lesesystemen entgegen.
Handelsübliche AFMs lesen die Topografie normalerweise optisch aus. Ein Laser wird auf den Hebelarm fokussiert, und eine Vierquadrant-Fotodiode misst das von dem Hebelarm reflektierte Licht, siehe z. B. Wikipedia-Autoren, ”Atomic force microscopy”, in Wikipedia, Die freie Enzyklopädie, empfangen am 5. Mai 2011 um 11:08 Uhr, von http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Atomic force microscopy&oldid=42 6119857. Der Hebelarm wird in Kontakt mit der Probe gebracht. In Abhängigkeit von der Topografie ändert sich die Ablenkung des Hebelarms, wodurch sich der Winkel des Hebelarms in Bezug auf die Leseoptik ändert und somit das Signal der Fotodiode moduliert. Dieses Bildgebungsverfahren ist schneller als die thermische Bildgebung: es wurden Pixelraten von 100 MHz [9] sowie die Erfassung ganzer Bilder mit Video-Pixelraten gezeigt [10].
Hebelarme sind auch mit optischen Leseverfahren erfolgreich kombiniert worden. Wenn beabsichtigt wird, optische Leseverfahren in schnelle AFM-Messanordnungen zu integrieren, muss jedoch mit Problemen gerechnet werden:
(a) Größe des Hebelarms
Die neuere Generation von Hebelarmen wird deutlich kleiner werden, sodass die reflektierte Lichtmenge im Vergleich zu der von der Probe reflektierten Lichtmenge geringer wird.
(b) Mechanik
Im Gegensatz zu den derzeit verwendeten Strukturierungsanlagen können zukünftige schnelle Abtastanlagen möglicherweise auf einen fest angebrachten Hebelarm verzichten. Wenn sowohl der Hebelarm als auch die Probe betätigt werden, müsste das optische Lesesystem auch auf den beweglichen Teilen angebracht werden, wodurch die erreichbare Abtastgeschwindigkeit verringert wird. Ein zusätzlicher betätigter Laseraufsatz wirkt als akustische Antenne und führt Schwingungen ein oder verstärkt diese, sodass die erreichbare Genauigkeit bei einer bestimmten Abtastgeschwindigkeit verringert wird.
(c) Rückseitenelektrode
Weiterhin kann ein AFM-Strukturierungssystem mit einer speziellen Betätigungselektrode an der Rückseite des Hebelarms ausgestattet werden. Dadurch kann auf den Hebelarm auch eine Rückstellkraft ausgeübt werden. Die Rückstellbewegung des Hebelarms wird als entscheidender Beitrag zur schnellen Strukturierung oberhalb der Resonanzfrequenz angesehen, die bis dahin nicht genau beherrscht werden konnte. Es lässt sich feststellen, dass die Bereitstellung einer speziellen Siliciumscheibe auf dem Hebelarm zu diesem Zweck nicht mit den Standardverfahren zum Auslesen mittels Laserlicht vereinbar ist.
Im Gegensatz dazu ermöglichen die hierin erörterten Ausführungsformen das Durchführen von Messverfahren bei einer Geschwindigkeit, die durch die mechanischen Eigenschaften des Hebelarms bestimmt wird, ohne von den obigen Einschränkungen betroffen zu sein. Gemäß der detaillierten Erörterung kann die optische Bandbreite in bestimmten Fällen mit 125 GHz angesetzt werden. Sie schränkt die Geschwindigkeitsbegrenzung der Gesamteinheit nicht weiter ein.
Zunächst folgen nähere Ausführungen zu speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Im Gegensatz zu thermoelektrischen Ansätzen und Laserreflexionsverfahren wird hier vorgeschlagen, ein optisches Lesesystem mit (z. B. innerhalb einer Oberflächenebene liegenden Wellenleitern zu verwenden. Im Gegensatz zu einem elektrischen Lesesystem sind die vorgeschlagenen Systeme gegenüber elektrischen und magnetischen Störungen relativ unempfindlich. Ferner sind sie im Gegensatz zu Laserreflexionssystemen mit gegenwärtig geplanten Änderungen für die Hebelarme der nächsten Generation gemäß den obigen Ausführungen kompatibel.
Die Grundidee besteht darin, einen elektromagnetischen Sensor an den Schaft des Hebelarms anzuschließen, indem z. B. ein optischer Resonator auf oder innerhalb einer Ebene des Hebelarms integriert wird. Bei Annäherung an die Oberfläche wird der Hebelarm deformiert, wodurch sowohl im Schaft des Hebelarms als auch in dem optischen Resonator eine Verspannung ausgelöst wird. Die Verspannung verändert die optischen Eigenschaften des Resonators (z. B. den Brechungsindex), die dann optisch ausgelesen werden können. Parameter aus einschlägigen Veröffentlichungen zeigen, das mit einer solchen Struktur eine Auflösung im Nanometerbereich erreicht werden kann.
Zum Beispiel zeigen 1A und 1B jeweils einen AFM-Hebelarm 10 mit einem integrierten optischen Lesesensor 20, der sich in diesem Beispiel auf einen einzelnen mit einem Wellenleiter 30 verbundenen Resonator 21 beschränkt. 1A entspricht einer Konfiguration auf der Oberseite des Sensors 20. 1B entspricht einer Konfiguration innerhalb einer Ebene. Offensichtlich können die dargestellten Hebelarme weitere Elemente umfassen, z. B. elektrische Heizelemente für Schreibanwendungen, mikromechanisch bearbeitete SiO₂-Streifen, Deckschichten, Membranen usw., die zur Vereinfachung jedoch nicht dargestellt sind.
Der integrierte optische Resonator kann zum Beispiel nach einer Silicium-auf-Isolator(SOI)-Technologie hergestellt werden. Zum Beispiel wird auf der Rückseite des Hebelarmschaftes 15 (Konfiguration auf der Oberseite, 1A) ein Racetrack-Resonator 21 gebildet. Der Resonator ist mit dem Wellenleiter 30 verbunden, der das Einkoppeln und Detektieren von Licht ermöglicht. Oben wird auf der rechten Seite ein Lichtquellenelement (Licht emittierende Diode [LED], Laser, usw.) 41 bereitgestellt, das unter Verwendung bekannter Techniken mit dem Wellenleiter 30 verbunden werden kann. Andererseits wird ein Lichtdetektorelement 51 unten auf der rechten Seite mit dem Wellenleiter 30 verbunden. Das Lichtquellen- und das Detektorelement 41, 51 werden mit einer geeigneten Verschaltung 42, 43, 52, 53 verbunden, um eine funktionsfähige Lichtquelle 40 und einen Detektor 50 zu bilden, was an sich bekannt ist.
Unter Bezugnahme auf 1B mit der Konfiguration innerhalb einer Ebene ist der Sensor 20 (Wellenleiter 21) bis zu einem Tiefenbereich der Rückfläche des Schafts strukturiert. Das wird zum Beispiel durch Herstellen von Rillen in der Oberfläche erreicht, um die Wellenleiter 21 (und den Wellenleiter 30) „einzuzeichnen”, was später ausführlich beschrieben wird. Die in 1A dargestellten Merkmale 40 bis 70 werden hier zur besseren Verdeutlichung nicht wiederholt. Das grundlegende Funktionsprinzip bleibt jedoch im Wesentlichen gleich.
Wenn auf den Hebelarm keine Spannung ausgeübt wird, weist der Racetrack-Resonator das in 3 dargestellte Transmissionsspektrum auf. Das von der Oberseite beim Transmissionsmaximum eingestrahlte Licht 41 führt in dem Lichtdetektor 50 zu einem Stromsignal. Anschließend verschiebt sich gemäß 4 das Transmissionsspektrum bei Deformation des Schafts 15. 3 und 4 zeigen Transmissionsspektren, das heißt die Darstellung der Transmission (in willkürlichen Einheiten) als Funktion von der Wellenlänge (Nanometer oder nm). Wenn eine Null des Transmissionsspektrums mit der Laserwellenlänge (dargestellt als senkrechte Linie) gemäß 4 zusammenfällt, wird am Detektor 50 im Wesentlichen kein Signal empfangen, z. B. eine „Null” in einem Fotodiodensignal. Somit ist zu erkennen, dass Informationen über die Höhe des Substrats und somit eine Deformation des Hebelarms in der optischen Domäne digital codiert werden können. Die Höheninformation entspricht einem Betrag der Intensitätsänderungen, die durch die Fotodiode detektiert werden. Mit einem Resonator mit hohem Gütefaktor (High Q) in der Größenordnung von 100.000, der sich z. B. der Silicium-auf-Isolator(SOI)-Technologie bedient, die allgemein auch als Siliciumphotonik bezeichnet wird, kann eine atomare Auflösung erzielt werden.
Außer einer Verschiebung des Transmissionsspektrums sind auch andere Detektionssysteme denkbar. Zum Beispiel kann unter Verwendung der Doppelbrechung eines Materials die Polarisationsrotation des Lichtes detektiert werden, was an sich bekannt ist [6]. Vorzugsweise wird zum Detektieren die Polarisationsrotation verwendet.
Weiterhin sind auch noch andere Sensorstrukturen (z. B. Wellenleiterstrukturen) denkbar. Zum Beispiel können Strukturen wie beispielsweise ein Mach-Zehnder-Interferometer mit einem verspannten Arm und einem spannungsfreien Arm hergestellt werden. Solche Strukturen beruhen jedoch auf ein und derselben Grundidee: der Sensor 20 weist eine detektierbare elektromagnetische (optische) Eigenschaft auf, die sich bei Deformation des Schafts des Hebelarms ändert.
Ganz allgemein sind (auch gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung) viele Detektionsvorrichtungen und -systeme denkbar, die eine bei Deformation des Schafts 15 des Hebelarms veränderliche Eigenschaft detektieren können, wenn der Hebelarm eine Probenoberfläche abtastet. Das Detektionssystem kann wie oben ausgeführt das Transmissionsspektrum oder die Doppelbrechung des Sensormaterials nutzen. Als Vorteil kann angemerkt werden, dass vorliegende Ausführungsformen das gleichzeitige Auslesen und die rückgekoppelte Steuerung des Hebelarms während des Schreibens von Mustern ermöglicht.
Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung auch als Rastersondenmikroskop (z. B. als AFM- oder STM-Mikroskop) oder dessen wesentliche Komponenten realisiert werden, d. h. eine Hebelarm- und/oder Detektionsanordnung der oben beschriebenen Art umfassen. Bei einer vollständigen Konfiguration würde ein solches Rastersondenmikroskop einen Hebelarm 10, einen Betätigungsmechanismus und eine rückgekoppelte Steuerschaltung 60 einschließlich eines geeigneten Detektions-/Beobachtungssystems 40 bis 50 umfassen, das in 1 bis 2 symbolisch dargestellt ist.
Wiederum gemäß 1 und den vorhergehenden Erörterungen können geeignete Sensoren in Form eines oder mehrerer Silicium-Wellenleiter 21 realisiert werden, deren optische Eigenschaften durch Verspannung verändert werden, z. B. oberhalb (1A) oder innerhalb einer Ebene (1B) des Hebelarmschafts. Die Höheninformation wird durch Detektion des sich durch den verformten Wellenleiter ausbreitenden optischen Signals gewonnen.
Gemäß der Darstellung in 2 kann alternativ ein gekoppelter Lichtwellenleiterresonator (CROW) 21 bis 23 realisiert werden, entweder anstelle oder zusätzlich zu dem Racetrack-Resonator 21, um die Auflösung zu erhöhen. CROW-Strukturen sind an sich bekannt [8]. Gekoppelte Resonatoren 21 bis 23 in einem CROW gemäß 2 (auch hier wurden aus Gründen der Anschaulichkeit wiederum die in 1A dargestellten Merkmale 40 bis 70 nicht wiederholt) ermöglichen eine präzise Steuerung des Transmissions- und/oder Filterspektrums. Außer breiten Bandpassfiltern können auch Filter mit beliebig geformten Flanken eingesetzt werden. Anstelle eines breiten Bandpassfilters kann für eine hochpräzise Höhensteuerung ein Kantenfilter eingesetzt werden. Darüber hinaus liefert die erste Ableitung eines solchen Filters Informationen darüber, ob sich der Hebelarm der Oberfläche annähert oder von dieser entfernt.
5 und 6 zeigen entsprechende Transmissionsspektren. 5 entspricht einer CROW-Struktur in Transmission und 6 einer CROW-Struktur als Filter. Zu beachten ist, dass der Wellenlängenbereich Dl so gewählt werden kann, dass eine starke Änderung der Transmission T erreicht werden kann. Das bedeutet, dass sehr kleine Höhenabweichungen detektiert werden können, da nur eine geringe Änderung der Resonanzwellenlänge erforderlich ist, um eine starke Änderung der Transmission zu erreichen.
Beispielrechnung:
Wenn ein Resonator als Racetrack-Resonator in Silicium entworfen werden soll, führt der fotoelastische Koeffizient des Siliciums für eine Deformationsspannung von s = 1 × 10^–4 zu einer Verschiebung von ungefähr 0,1 nm (siehe [1]). Die Verbiegung des Hebelarms mit einer Länge von 65 μm um etwa 180 nm führt zu einem Wert der Deformationsspannung von s = 3 × 10^–3. Das führt bei einer Höhenabweichung der Oberfläche von einem Nanometer zu einer Wellenlängenverschiebung von ungefähr 15 pm. Der betreffende Ringresonator benötigt somit einen Gütefaktor Q von
Die Grenzgeschwindigkeit der optischen Einheit ist durch die Abklingzeit t_p im Resonator bestimmt [12]. Die Resonanzfrequenz ist gleich:
Sodann ist der Gütefaktor wie folgt definiert: Q = 2πντ_p.
Somit beträgt die Lebensdauer t_p eines Photons [12]
Bei diesem Beispiel beträgt der optische Grenzwert für die Geschwindigkeit der Einheit 125 GHz. Daraus wird klar, dass die Arbeitsgeschwindigkeit der Einheit durch die mechanischen Eigenschaften des Hebelarms und nicht durch die optischen Grenzen bestimmt wird. Ganz allgemein ist darauf zu achten, dass der Sensor vorzugsweise mindestens einen Wellenleiter mit einem Gütefaktor Q von mehr als 10.000 (was sich für viele praktische Anwendungen bereits als ausreichend erweist) und besonders bevorzugt in der Größenordnung von 100.000 oder mehr umfasst.
Im Folgenden werden weitere technische Überlegungen angestellt. Typischerweise werden die Wellenleiter aus Silicium hergestellt und unter Verwendung an sich bekannter Prozesse auf der Oberseite des Hebelarms aufgewachsen. Bei der Fertigung eines solchen Einheit kann zum Beispiel von der bekannten Silicium-auf-Isolator(SOI)-Technik Gebrauch gemacht werden.
Der Racetrack kann auch innerhalb einer Ebene des Hebelarms integriert werden, d. h. einen Bogen mit der Spitze und der Spitzenheizung bilden, wobei der Racetrack durch die Mitte des Bogens verläuft.
Im Folgenden werden weitere technische Überlegungen angestellt.
Typischerweise werden die Wellenleiter ebenso wie der Hebelarm unter Verwendung an sich bekannter Prozesse aus Silicium hergestellt. Der Wellenleiter kann wie oben ausgeführt innerhalb einer Ebene des Hebelarms oder auf diesem angeordnet werden. Innerhalb der Ebene angeordnete Silicium-Wellenleiter können unter Verwendung desselben Prozesses wie für den Hebelarm hergestellt werden, was im Folgenden ausführlicher beschrieben wird. Weiterhin erfordert die Herstellung eines Wellenleiters oberhalb des Hebelarms zusätzliche Fertigungsschritte, die im Wesentlichen in der Abscheidung eines Wellenleiters auf einem Substrat, d. h. dem Hebelarm, bestehen.
Gemäß einigen Ausführungsformen handelt es sich bei den Wellenleitern um Monomode-Wellenleiter. Für ein Silicium-auf-Isolator(SOI)-Substrat sind solche Wellenleiter üblicherweise kleiner als 1 × 1 μm². Vorzugsweise ist die Größe der Wellenleiter jedoch kleiner als 300 × 600 nm², besonders bevorzugt ungefähr 220 × 550 nm².
Ferner kann das Licht 41 von der Lichtquelle 40 unter Verwendung von Verjüngungen (seitliche Kopplung) oder Gitterkopplern (vertikale Kopplung) in den Hebelarm 15 bzw. den Eingangs-Wellenleiter 30 eingekoppelt werden. Alternativ kann zum seitlichen Einkoppeln die Kopplung über eine gespaltene Kante erfolgen. Darüber hinaus können zum Einkoppeln Mikrolinsenanordnungen oder Spiegel verwendet werden.
Die Fertigung des Hebelarmschafts 15 einschließlich der optischen Sensoreinheit 21 kann z. B. analog [13, 14] erfolgen. Zuerst wird ein SOI-Wafer mit einer epitaxial aufgewachsenen 2 μm dicken Siliciummembran oxidiert. Dann wird die Oxidmaske unter Verwendung von CHF₃/O₂ durch reaktives Ionenätzen (RIE) eröffnet. Anschließend wird durch isotropes RIE in SF₆/Ar-Plasma eine sanduhrförmige Vorstufe der Spitze in die Membran geätzt. Nach dem Entfernen der Oxid-Hartmaske wird zum Anschärfen der Spitze eine Oxidationstechnik verwendet, um die Spitzenform fertigzustellen. Dann wird das Oxid nasschemisch entfernt und die verbleibende Siliciummembran unter Verwendung herkömmlicher Lithografieverfahren und durch RIE mittels SF₆ dünner gemacht. Die elektrischen Kontakte und die Widerstandsbereiche werden nacheinander durch Abdecken unter Verwendung von thermisch erzeugtem Oxid, durch Implantieren und Aktivieren von Dotanden gebildet. Dann wird der Hebelarm, der den optischen Sensorbereich 21 umfasst, durch RIE und unter Verwendung des darunter liegenden SiO₂ als Ätzstoppschicht in die verbleibende Si-Membran übertragen. Nach der Fertigstellung der Vorderseite des Hebelarms unter Verwendung einer Abziehtechnik zum Bilden der elektrischen Kontakte folgen die Übertragung sowie die Bearbeitung der Rückseite denselben Schritten wie z. B. in [13] und [14] beschrieben. Auf die Oberseite der vorgefertigten Hebelarme wird durch Rotationsbeschichtung eine ungefähr 5 μm dicke Polyimidschicht (PI) aufgetragen und gehärtet sowie anschließend der Wafer auf ein Glassubstrat laminiert. Dann wird der als Träger dienende SOI-Wafer durch Abschleifen und Plasmaätzen in SF₆ entfernt, um das restliche Silicium zu entfernen, wobei wiederum das vergrabene Oxid (buried Oxide, BOX) als Ätzstoppschicht verwendet wird. Während der Bearbeitung der Rückseite werden die Siliciumoxid- und/oder Siliciumnitridstreifen definiert. Im nächsten Schritt wird der neue als Träger dienende Wafer mit einem Klebstoff beschichtet und am Glaswafer angeklebt. Der Chipkörper wird durch Tiefätzen mittels RIE strukturiert. Abschließend wird der Hebelarm gemäß Beschreibung in [13] bzw. [14] unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas von dem Klebstoff befreit. Mit anderen Worten, unter Verwendung von Fertigungstechniken wie den oben beschriebenen kann ein elektromagnetischer Sensor 20 innerhalb eines Tiefenbereichs der Oberfläche des Schafts (d. h. für eine Konfiguration in einer Ebene) strukturiert werden. Bei dem obigen Beispiel wurde für den Sensor dasselbe Material wie für den Schaft verwendet.
Es sind jedoch auch noch weitere Fertigungstechniken denkbar, um z. B. einen elektromagnetischen Sensor 20 herzustellen, der innerhalb eines Tiefenbereichs der Oberfläche des Schafts strukturiert wird, wobei das für den Sensor verwendete Material von dem für den Schaft verwendeten verschieden ist, z. B. für Anwendungen im sichtbaren Spektrum.
Ganz allgemein umfasst der Sensor einen oder mehrere an dem Schaft angeordnete Wellenleiter 21, 22, 23, diese Wellenleiter können wie oben erörtert innerhalb eines Tiefenbereichs unter der Oberfläche strukturiert oder auf dem Hebelarmschaft 15 abgeschieden werden. Desgleichen kann bei den Konfigurationen auf der Oberseite das für den Sensor verwendete Material von dem für den Schaft verwendeten Material verschieden sein (wiederum für Anwendungen wie beispielsweise im sichtbaren Spektrum).
Als geeignete Lichtquellen, die in die Wellenleiter eingekoppelt werden können, kommen infrage: ein handelsüblicher fasergekoppelter Diodenlaser oder ein Oberflächenemitter (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL). Ferner können bestimmte Typen von Leuchtdioden (LEDs) verwendet werden. Außer Wellenleiter-Anschlusskomponenten können auch integrierte Laserquellen wie beispielsweise Laserdioden mit verspanntem Germanium (Ge) oder mit Erbium (Er) dotierte Laserdioden verwendet werden. Darüber hinaus kann die Lichtquelle heterogen integrierte Lichtquellen umfassen, beispielsweise VCSELs oder Mikroscheiben-Laser, die auf dem Hebelarm montiert sind.
Weiterhin kann die Detektoreinheit 50 aus einer herkömmlichen InGaAs-Fotodiode oder einer Silicium-Fotodiode oder weiteren handelsüblichen Fotodioden bestehen. Außer Wellenleiter-Anschlusslösungen können auch integrierte Fotodioden verwendet werden, beispielsweise SiGe-Avalanche-Fotodioden.
Bei Verwendung einer breitbandigen Lichtquelle als Lichtquelle 40 wie beispielsweise LEDs kann die Detektoreinheit 50 einen Bandpassfilter umfassen, um das in dem verspannten Wellenleiter 20 veränderte Licht spektral von dem durch den Wellenleiter 30 durchgelassenen Licht zu trennen.
Geeignete Materialien für die Wellenleiter umfassen von Halbleitern abgeleitete Elemente oder Verbindungen wie beispielsweise Si, Si₃N₄, SiO₂, Polymere, GaAs, AlAs, GaN, InP, InGaAsP, InAlAs, InGaAlAs, Ta₂O₅, TiO₂ oder InGaN usw.
1 bis 2 zeigen auch, dass der Resonator 21, 22, 23 üblicherweise eine Scheiben- oder Ringform aufweist. Obwohl im Allgemeinen kreisförmige Formen bevorzugt werden, kann der Wellenleiter-Sensor eine elliptische oder konvexe Form aufweisen. Ringformen können bei bestimmten Anwendungen aufgrund von Einschränkungen bei der Platzaufteilung von Vorteil sein. Vorzugsweise bestehen der Schaft und der Wellenleiter-Sensor aus einem Stück, z. B. im Fall von Konfigurationen in einer Ebene.
Abschließend kann festgestellt werden, dass Einheiten und Verfahren zum Vereinfachen und Verbessern der Lesefähigkeiten von SPM-Hebelarmen offengelegt wurden. Während frühere integrierte Sensorlösungen, die zum Beispiel bei kleinen Hebelarmen für hohe Resonanzfrequenzen oder übermäßig gemultiplexten Hebelarmanordnungen von Vorteil sind, die auf Änderungen der elektrischen Eigenschaften beruhen, stör- und rauschanfällig sind und große Zeitkonstanten aufweisen, wurden neuartige Verfahren zum optischen Auslesen der Signale offengelegt. Anstelle z. B. der Widerstandsmodulation wird hier die Modulation der optischen Eigenschaften des Hebelarms genutzt. Besonders nützlich ist der Vorschlag, auf oder innerhalb der Ebene von Hebelarmen nach dem Stand der Technik Wellenleiter aus einem Material zu bilden, dessen optische Eigenschaften sich bei mechanischer Verspannung ändern. Es wurden Strukturen offengelegt, die einen oder mehrere Ring- oder Racetrack-Resonatoren mit einem oder mehreren angebrachten Wellenleitern zum Eingeben von Licht in die Struktur und zum Ausgeben von Licht aus der Struktur umfassen. Im Gegensatz zu bekannten Prozessen handelt es sich hier um ein optisches Lesesystem, das somit frei von elektrischem Übersprechen ist. Die Herstellung der Einheit ist mit der Herstellung von komplementären Metalloxidhalbleitern (CMOS) kompatibel und kann mit denselben Schritten wie bei der Bildung des Hebelarms durchgeführt werden und empfiehlt sich somit für die preisgünstige Massenfertigung.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden und gleichwertige Entsprechungen ausgetauscht werden können, ohne von der sachlich-gegenständlichen Reichweite der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von deren sachlich-gegenständlicher Reichweite abzuweichen. Deshalb soll die vorliegende Erfindung nicht auf die bestimmte offengelegte Ausführungsform beschränkt sein, sondern alle Ausführungsformen beinhalten, die in die sachlich-gegenständliche Reichweite der angehängten Ansprüche fallen. Zum Beispiel können andere Materialien verwendet werden als oben erwähnt. Ferner sind andere Formen, Anordnungen und Konfigurationen des Resonators denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims

Rastersondenmikroskop-Hebelarm (10), der einen Hebelarmschaft (15) und einen mit dem Schaft verbundenen elektromagnetischen Sensor (20) aufweist, wobei der Sensor eine detektierbare elektromagnetische Eigenschaft aufweist, die sich bei Deformation des Schafts ändert.
Hebelarm gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor mindestens einen an dem Schaft, vorzugsweise an seiner Oberfläche oder innerhalb eines Tiefenbereiches innerhalb einer Oberfläche des Schafts, angebrachten Wellenleiter (21, 22, 23) aufweist.
Hebelarm gemäß Anspruch 2, wobei der mindestens eine Wellenleiter (21, 22, 23) in einer geschlossenen Schleife angeordnet ist.
Hebelarm gemäß Anspruch 2 oder 3, der ferner einen oder mehrere weitere Wellenleiter (30) aufweist, die so angeordnet sind, dass eine elektromagnetische Welle in den Sensor zuführbar ist und/oder von dem Sensor detektierbar ist.
Hebelarm gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sensor (20) eine Reihe (20) von mindestens zwei an dem Schaft angebrachten Wellenleitern (21, 22, 23) aufweist, deren detektierbare elektromagnetische Eigenschaft sich jeweils bei Deformation des Schafts ändert.
Hebelarm gemäß Anspruch 5, wobei die Reihe als gekoppelter Wellenleiter-Resonator konfiguriert ist.
Hebelarm gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Sensor mindestens einen mittels Silicium-auf-Isolator-Technologie an dem Schaft angeordneten Wellenleiter aufweist.
Hebelarm gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Sensor mindestens einen Wellenleiter mit einem Gütefaktor von mehr als 10.000, vorzugsweise von mehr als 100.000 umfasst.
Resonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor als Mach-Zehnder-Interferometer konfiguriert ist.
Detektionsvorrichtung zum Detektieren der elektromagnetischen Eigenschaft, die sich bei Deformation des Schafts des Rastersondenmikroskop-Hebelarms nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ändert.
Rastersondenmikroskop, das eine oder mehrere Einheiten nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
Detektionsverfahren, aufweisend die Schritte Abtasten der Oberfläche eines Materials mit dem Hebelarm nach einem der Ansprüche 1 bis 9 derart, dass der Schaft des Hebelarms Deformationen erfährt, und Detektieren der elektromagnetischen Eigenschaft, die sich bei Deformation des Schafts des Hebelarms ändert.
Detektionsverfahren gemäß Anspruch 12, wobei der Schritt des Detektierens eine Übertragung einer in den Sensor zugeführten elektromagnetischen Welle verwendet.
Detektionsverfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Detektierens eine Doppelbrechung eines Materials des Sensors nutzt und wobei der Schritt des Detektierens vorzugsweise Polarisationsrotation verwendet.