DE102017205442A1

DE102017205442A1 - Lichtquelleneinheit, Analysatoreinheit, Detektionseinheit und Verfahren für ein Rastersondenmikroskop

Info

Publication number: DE102017205442A1
Application number: DE102017205442.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Roos; Daniel Geiger; Othmar Marti; Hannah Lauer
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Universitaet Ulm
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Universitaet Ulm
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2018-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtquelleneinheit (310) zur Verwendung in einer Detektionseinheit (300) für ein Rastersondenmikroskop (600), wobei die Lichtquelleneinheit (310) zumindest einen Strahlteiler (430) aufweist, der ausgebildet ist, um aus einem ersten Lichtstrahl (420) zumindest zwei zweite Lichtstrahlen (320, 340) zu erzeugen, die sich in zumindest einer Eigenschaft (325, 345) unterscheiden. Ferner betrifft die Erfindung eine Analysatoreinheit (390) zur Verwendung in einer Detektionseinheit (300) für ein Rastersondenmikroskop (600), wobei die Analysatoreinheit (390) zumindest einen Strahlteiler (530) aufweist, der ausgebildet ist, um von zumindest einer Sonde (242, 252) des Rastersondenmikroskops (600) reflektiertes Licht (360, 370) in zumindest zwei Teilstrahlen (545, 555) aufzuspalten, und wobei sich die zumindest zwei Teilstrahlen (545, 555) in zumindest einer Eigenschaft unterscheiden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquelleneinheit zur Verwendung in einer Detektionseinheit eines Rastersondenmikroskops. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Analysatoreinheit zur Verwendung in einer Detektionseinheit eines Rastersondenmikroskops. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Detektionseinheit für ein Rastersondenmikroskop. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum gleichzeitigen Detektieren von zumindest zwei Lichtstrahlen durch eine Detektionseinheit eines Rastersondenmikroskops.
Stand der Technik
Rastersondenmikroskope tasten mit einer Sonde eine Probe bzw. deren Oberfläche ab und liefern damit Messdaten zum Erzeugen einer Darstellung der Topographie der Probenoberfläche. Im Folgenden werden Rastersondenmikroskope durch SPM - Englisch für Scanning Probe Microscope - abgekürzt. Je nach Art der Wechselwirkung zwischen der Messspitze einer Sonde und der Probenoberfläche werden verschiedene SPM-Typen unterschieden. Häufig werden Rastertunnelmikroskope (STM, Scanning Tuneling Microscope) eingesetzt, bei denen zwischen der Probe und der Messspitze, die einander nicht berühren, eine Spannung angelegt wird und der resultierende Tunnelstrom gemessen wird.
Beim Rasterkraftmikroskop (AFM für Atomic Force Microscope oder SFM für Scanning Force Microscope) wird die Messspitze durch atomare Kräfte der Probenoberfläche, typischerweise attraktive Van-der-Waals-Kräfte und/oder repulsive Kräfte der Austauschwechselwirkung, ausgelenkt. Die Auslenkung der Messspitze ist näherungsweise proportional zu der zwischen der Messspitze und der Probenoberfläche wirkenden Kraft und diese Kraft wird zum Bestimmen der Oberflächentopographie verwendet.
Neben diesen gängigen SPM-Typen gibt es eine Vielzahl weiterer Gerätetypen, die für spezielle Anwendungsgebiete eingesetzt werden, wie beispielsweise Magnetkraftmikroskope oder optische und akustische Rasternahfeldmikroskope.
Aufgrund der hohen räumlichen Auflösung von Rastersondenmikroskopen können in einem vorgegebenen Zeitintervall nur kleine Bereiche einer Probenoberfläche abgetastet werden. Um für spezielle Anwendungsgebiete den Durchsatz zu steigern, wurden Arrays von Messspitzen oder Sonden-Arrays entwickelt. Der Artikel „VLSI-NEMS chips for parallel AFM data storage" von M. Despont et al., in Sensors and Actuators, Bd. 80, S. 100-107 (2000) stellt eine 32 × 32 Anordnung von 4096 gleichartigen Sonden zum parallelen Schreiben oder Speichern und Auslesen von Daten vor.
Dieses System sieht keine Regelung für die Auslenkung der einzelnen Cantilever vor. Aufgrund der Vielzahl der Cantilever stellt das Sonden-Array ein komplexes schwer zu justierendes Gebilde dar.
Die WO 02/080187 A1 beschreibt eine Anordnung von zehn parallelen Sonden, um schneller die Topographie eines größeren Bereichs der Probe vermessen zu können. In den Cantilever jeder der parallelen Sonden ist ein Detektor in Form eines pizeoresistiven Sensors und vorzugsweise ein Aktuator in Form eines piezoelektrischen Aktuators integriert. Anders als beim Lesen von Daten, bei dem „nur“ zwischen dem Vorliegen einer „1“ oder einer „0“ unterschieden werden muss, beschreibt die WO 02/080187 A1 das hochaufgelöste Abtasten eines Bereichs einer Probenoberfläche. Um den experimentellen Aufwand bei diesem Verfahren handhabbar zu halten, werden die Daten der einzelnen parallelen Spitzen nacheinander aufgezeichnet.
Die beschriebene Anordnung der parallelen Messsonden weist zwei Nachteile auf. Zum einen verringert der in den Cantilever integrierte Detektor und Aktuator die Empfindlichkeit des Cantilvers und damit dessen Auflösungsvermögen. Zudem werden spezielle schwierig zu fertigende Cantilever benötigt. Zum zweiten ermöglicht das beschriebene Zeitmultiplex-Verfahren eine quasi-simultane Detektion der Signale mehrerer Cantilever. Allerdings nimmt die Abtastraste proportional mit der Größe einer Sonden-Anordnung ab.
Lichtzeigersysteme sind präzise zuverlässige Detektionssysteme für Rastersondenmikroskope, die mit einzelnen Sonden arbeiten. Für eine Sonden-Anordnung, die mehreren Sonden aufweist, steigt der Aufwand solcher Detektionseinheiten jedoch schnell an, benötigt beim parallelen Detektieren der Sonden einer Sonden-Anordnung doch jede Sonde eine eigene Lichtquelle und einen eigenen Detektor. Das parallele Detektieren von Signalen eines Lichtzeigersystems, die von benachbarten Sonden eines Sonden-Arrays reflektiert werden, scheitert typischerweise an der Interferenz der beiden Signale, die die Auflösung eines Rastersondenmikroskops in nicht tolerierbarer Weise verschlechtert.
Der Artikel „Parallel optical readout of a cantilever array in dynamic mode“ von W.W. Koelmans et al., (http://iopscience.iop.org/article/10.1088/09574484/21/39/ 395503.pdf) beschreibt ein Lichtzeigersystem, das eine Lichtquelle und einen Detektor zur Detektion von drei Sonden einer Sonden-Anordnung einsetzt. Zum Unterscheiden der Sonden weisen diese verschiedene Resonanzfrequenzen auf. Damit dies erreicht wird, werden Sonden eingesetzt, deren Cantilever unterschiedlich lang sind. Aufgrund der unterschiedlichen Resonanzfrequenzen können mit Hilfe der Lock-in oder der Heterodyn-Messtechnik die Signale mehrerer Sonden unabhängig voneinander detektiert werden. Allerdings machen auftretende Interferenzeffekte das Ausleseverfahren kompliziert und limitieren es auf kleine Cantileverauslenkungen.
Das im vorhergehenden Abschnitt beschriebene optische Detektorsystem weist zwei Nachteile auf. Zum einen müssen die Cantilever einer Sonden-Anordnung so hergestellt werden, dass ihre Resonanzfrequenz unterschiedlich ist. Zum anderen funktioniert die Unterscheidung der einzelnen Sonden eines Sonden-Arrays nur in einem dynamischen Betriebsmodus des Rastersondenmikroskops.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, Vorrichtungen und ein Verfahren zur optischen Detektion von einer oder mehrerer Sonden eines Rastersondenmikroskops anzugeben, die die oben genannten Nachteile zumindest zum Teil vermeiden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem durch eine Lichtquelleneinheit nach Anspruch 1 gelöst. In einer Ausführungsform weist die Lichtquelleneinheit zur Verwendung in einer Detektionseinheit für ein Rastersondenmikroskop zumindest einen Strahlteiler auf, der ausgebildet ist, um aus einem ersten Lichtstrahl zumindest zwei zweite Lichtstrahlen zu erzeugen, die sich in zumindest einer Eigenschaft unterscheiden.
Indem eine Lichtquelleneinheit einen Strahlteiler aufweist, erzeugt die Lichtquelleneinheit aus einem von einer Lichtquelle erzeugten Strahl oder Lichtstrahl zwei oder mehrere Lichtstrahlen. Damit ermöglicht es eine erfindungsgemäße Lichtquelleneinheit gleichzeitig zwei oder mehr unterscheidbare Lichtstrahlen für Analysezwecke bereitzustellen. Insbesondere ermöglicht eine erfindungsgemäße Lichtquelleneinheit gleichzeitig zwei oder mehrere Lichtzeiger zur optischen Detektion von zwei oder mehr benachbarten Sonden eines Rastersondenmikroskops (SPM) zu generieren. Überdies kann eine erfindungsgemäße Lichtquelleneinheit zwei oder mehr Lichtzeiger für alle derzeit bekannten Betriebsarten eines SPM bereitstellen. Durch das Erzeugen von zwei oder mehr unterscheidbaren Lichtstrahlen aus einer Lichtquelle können eine oder mehrere Lichtquellen sowie deren Treiber eingespart werden. Innerhalb eines Rastersondenmikroskops ist das Platzangebot in der Regel sehr begrenzt. Eine erfindungsgemäße Lichtquelleneinheit bietet hier Platzvorteile. Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Lichtquelleneinheit ist ihr unproblematischer Einbau in bereits bestehende SPMs.
Der zumindest eine Strahlteiler kann ausgebildet sein, die zumindest zwei zweiten Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation zu erzeugen.
Das Verwenden von zwei verschiedenen Polarisationen für die beiden zweiten Lichtstrahlen macht diese unterscheidbar. Dies ermöglicht das gleichzeitige Einsetzen von beiden Lichtstrahlen zur Detektion optischer Signale für benachbarte Sonden einer Sonden-Anordnung, ohne dass die Auflösung des Lichtzeigersystems eines Rastersondenmikroskops verschlechtert wird.
Der zumindest eine Strahlteiler kann einen doppelbrechenden Kristall umfassen. Der doppelbrechende Kristall kann ein Wollaston-Prisma, ein Rochon-Prisma, ein Senarmont-Prisma oder ein Normarski-Prisma umfassen.
Der zumindest eine Strahlteiler kann einen nicht polarisierenden Strahlteiler und zumindest ein Phasenverschiebungsplättchen umfassen. Das Phasenverschiebungsplättchen kann ein λ/2-Plättchen umfassen.
Der zumindest eine Strahlteiler kann ausgebildet sein, die zumindest zwei zweiten Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Frequenz zu erzeugen.
Neben der Polarisation sind elektromagnetische Wellen auch durch ihre Frequenz oder Wellenlänge charakterisiert. Damit können die zwei oder mehreren zweiten Lichtstrahlen auch mit Hilfe unterschiedlicher Frequenzen unterscheidbar gemacht werden.
Der zumindest eine Strahlteiler kann einen akustooptischen Modulator umfassen.
Die Funktion eines Strahlteilers auf der Basis eines doppelbrechenden Kristalls ist durch das Material und die Herstellung des Strahlteilers festgelegt. Die Funktion eines akustooptischen Modulators kann innerhalb eines Intervalls durch den Betrieb des Ultraschall-Gebers oder -Sender eingestellt werden. Zudem kann die Funktion eines akustooptischen Modulators ein- und ausgeschaltet werden.
Die Lichtquelleneinheit kann ferner zumindest ein optisches Element aufweisen, das ausgebildet ist, um die zumindest zwei zweiten Lichtstrahlen auf zumindest eine Sonde des Rastersondenmikroskops zu richten. Die zumindest eine Sonde kann zumindest zwei benachbarte Sonden einer Sonden-Anordnung umfassen.
Allgemein, kann das optische Element die zwei zweiten Lichtstrahlen auf zwei räumlich getrennte Positionen einer Sonde richten. In der Anwendung in einer Detektionseinheit kann das optische Element der Lichtquelleneinheit die beiden Lichtstrahlen auf verschiedene Stellen einer Sonde oder auf im Wesentlichen identische Stellen von zwei Sonden eines Rastersondenmikroskop richten. Vorzugsweise richtet das optische Element die zwei zweiten Lichtstrahlen auf benachbarte Sonden einer Sonden-Anordnung oder eines Sonden-Arrays.
Das Richten eines Lichtstrahls kann das Abbilden und/oder das Fokussieren eines Lichtstrahls umfassen.
Der Ausdruck „im Wesentlichen“ bedeutet hier wie an anderen Stellen dieser Anmeldung eine Angabe einer Messgröße innerhalb ihrer Fehlertoleranzen, wenn die Messgröße mit Messgeräten gemäß dem Stand der Technik gemessen wird.
Das optische Element kann zumindest ein Element aus der Gruppe umfassen: eine Linse, ein Spiegel und eine Blende. Insbesondere kann das optische Element eine oder mehrere Mikrolinsen und einen oder mehrere Mikrospiegel umfassen.
Die Lichtquelleneinheit kann ferner zumindest ein Laser-System und/oder ein Leuchtdioden-System umfassen. Das Laser-System und/oder das Leuchtdioden-System kann ausgebildet sein, um einen Lichtstrahl im sichtbaren Wellenlängenbereich zu emittieren.
Ein Laserstrahl kann auf einen kleinen Brennfleck fokussiert werden. Zudem kann sein Auftreffpunkt auf eine Sonde präzise justiert werden. Damit bildet ein Laserstrahl einen Lichtzeiger mit großer Güte. Eine Leuchtdiode oder LED (Light Emitting Diode) erfüllt diesen Zweck ebenfalls mit vergleichbaren Eigenschaften.
Eine erfindungsgemäße Lichtquelleneinheit ist nicht auf das Erzeugen von zwei zweiten Lichtstrahlen beschränkt. Vielmehr ist es möglich, eine Lichtquelleneinheit so auszuführen, dass an ihrem Ausgang mehr als zwei Lichtstrahlen anstehen, die sich in einer Eigenschaft unterscheiden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das oben genannte Problem durch eine Analysatoreinheit nach Anspruch 10 gelöst. In einer Ausführungsform umfasst die Analysatoreinheit zur Verwendung in einer Detektionseinheit für ein Rastersondenmikroskop zumindest einen Strahlteiler, der ausgebildet ist, um von zumindest einer Sonde des Rastersondenmikroskops reflektiertes Licht in zumindest zwei Teilstrahlen aufzuspalten, und wobei sich die zumindest zwei Teilstrahlen in zumindest einer Eigenschaft unterscheiden.
Eine erfindungsgemäße Analysatoreinheit kann reflektiertes Licht, das von zwei getrennten Positionen auf die Analysatoreinheit reflektiert wird, in zwei Teilstrahlen aufspalten, wenn das von den beiden Positionen reflektierte Licht sich in einer Eigenschaft unterscheidet. Damit erlaubt eine erfindungsgemäße Analysatoreinheit beispielsweise das gleichzeitige Detektieren von zwei Lichtstrahlen, die von zwei Sonden eines Sonden-Arrays reflektiert werden und die sich teilweise oder vollständig überlappen oder überlagern. Das detektierte Licht kann von einer Lichtquelle oder von zwei Lichtquellen stammen, wichtig ist lediglich, dass die beiden von den Sonden reflektierten Lichtstrahlen eine unterschiedliche Eigenschaft aufweisen.
Falls beide Sonden eines SPMs zur Analyse einer Probenoberfläche eingesetzt werden, kann die pro Zeiteinheit abgetastete Fläche verdoppelt werden. Es ist auch möglich, eine erste Sonde im Analysemodus und eine zweite Sonde in einem Bearbeitungsmodus zu betreiben. Dadurch kann der Bearbeitungsmodus eines SPMs in situ überwacht werden. Überdies ist es möglich, dass beide Sonden in einem Bearbeitungsmodus arbeiten. In dieser Betriebsart können die beiden Sonden beispielsweise als Nano-Pinzette fungieren, die beispielsweise dazu benutzt werden kann, Teilchen oder Nano-Partikel auf einer Probenoberfläche in kontrollierter Weise zu verschieben.
Zudem kann eine erfindungsgemäße Analysatoreinheit - ähnlich wie eine oben beschriebene Lichtquelleneinheit - in bereits im Einsatz befindliche Rastersondenmikroskope nachgerüstet werden.
Die zumindest zwei Teilstrahlen können sich in einer Polarisation und/oder einer Frequenz unterscheiden.
Der zumindest eine Strahlteiler kann einen polarisierenden Strahlteiler und/oder einen Frequenz-Diskriminator umfassen. Frequenz-Diskriminatoren kommen beispielsweise in Fluoreszenzmikroskopen zum Einsatz.
Die Analysatoreinheit kann ferner zumindest zwei Mehrsegment-Photodetektoren umfassen. Die zumindest zwei Mehrsegment-Photodetektoren können zumindest zwei Vier-Quadranten-Photodioden umfassen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das oben genannte Problem durch eine Detektionseinheit nach Anspruch 15 gelöst. In einer Ausführungsform weist die Detektionseinheit für ein Rastersondenmikroskop auf: (a) eine Lichtquelleneinheit, die ausgebildet ist, um zumindest zwei Lichtstrahlen zu erzeugen und auf zumindest eine Sonde des Rastersondemikroskops zu richten, wobei sich die zumindest zwei Lichtstrahlen in zumindest einer Eigenschaft unterscheiden; und (b) eine Analysatoreinheit, die ausgebildet ist, um von der zumindest einen Sonde reflektiertes Licht in zumindest zwei Teilstrahlen gemäß der zumindest einen unterschiedlichen Eigenschaft der zumindest zwei Lichtstrahlen aufzuspalten.
Eine erfindungsgemäße Detektionseinheit ermöglicht mit einer Lichtquelleneinheit und mit einer Analysatoreinheit das gleichzeitige Detektieren der Signale von zwei benachbarten Sonden einer Sonden-Anordnung eines Rastersondenmikroskops. Das Auflösungsvermögen reduzierende Interferenzeffekte können zumindest stark verringert werden. Auf ein Zeitmultiplex-Verfahren zum interferenzfreien Bestimmen der Positionen der verschiedenen Sonden eines Sonden-Arrays kann verzichtet werden. Durch das Erhöhen der Auslesegeschwindigkeit von zwei oder mehr Sonden eines Sonden-Arrays macht eine erfindungsgemäße Detektionseinheit eine Verdopplung der pro Zeiteinheit analysierten Probenfläche möglich, ohne dass Interferenzeffekte der beiden Lichtstrahlen das Auflösungsvermögen eines Rastersondenmikroskops substantiell verringern können. Überdies kann eine erfindungsgemäße Detektionseinheit für alle gängigen Betriebsarten eines Rastersondenmikroskops eingesetzt werden. Ähnlich wie oben für eine Lichtquelleneinheit und eine Analysatoreinheit beschrieben, können bereits existierende Rastersondenmikroskope mit einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit ohne großen Aufwand nachgerüstet werden.
Die Lichtquelleneinheit der Detektionseinheit kann eine Lichtquelleneinheit nach einem der oben angegebenen Aspekte umfassen, und/oder die Analysatoreinheit der Detektionseinheit kann eine Analysatoreinheit nach einem der oben beschriebenen Aspekte umfassen.
Eine Lichtquelleneinheit einer erfindungsgemäßen Detektionseinheit, die zwei Lichtstrahlen erzeugt, kann eine oder zwei Lichtquellen umfassen.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das oben genannte Problem durch ein Verfahren zum gleichzeitigen Detektieren von zumindest zwei Lichtstrahlen durch eine Detektionseinheit für ein Rastersondenmikroskop nach Anspruch 17 gelöst. In einer Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte auf: (a) Erzeugen von zumindest zwei Lichtstrahlen, wobei sich die zumindest zwei Lichtstrahlen in zumindest einer Eigenschaft unterscheiden; (b) Richten der zumindest zwei Lichtstrahlen auf zumindest eine Sonde des Rastersondenmikroskops; und (c) Aufspalten von der zumindest einen Sonde reflektierten Lichts in zumindest zwei Teilstrahlen gemäß der zumindest einen unterschiedlichen Eigenschaft der zumindest zwei Lichtstrahlen.
Die zumindest zwei Lichtstrahlen können eine unterschiedliche Polarisation und/oder eine unterschiedliche Frequenz aufweisen.
Ein Computerprogramm kann Anweisungen umfassen, die, wenn sie von einem Rastersondenmikroskop ausgeführt werden, das eine oben erläuterte Detektionseinheit aufweist, das Rastersondenmikroskop veranlassen, die Verfahrensschritte eines der obigen Aspekte auszuführen.
Eine Steuereinrichtung kann ausgebildet sein, ein Rastersondenmikroskop, das eine Detektionseinheit nach einem der oben angegeben Aspekte umfasst, zu veranlassen, die Verfahrensschritte des oben angegebenen Verfahrens auszuführen.
Figurenliste
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei

1 schematisch zwei Beispiele von Sonden eines Rastersondenmikroskops zeigt;
2 schematisch eine beispielhafte Sonden-Anordnung eines SPMs mit fünf Sonden wiedergibt;
3 schematisch eine Detektionseinheit präsentiert, die als Lichtzeigersystem für zwei Sonden eines Sonden-Arrays fungiert;
4 schematisch die Lichtquelleneinheit der Detektionseinheit der 3 in größerer Detaillierung präsentiert;
5 schematisch eine Analysatoreinheit der Detektionseinheit der 3 darstellt;
6 schematisch die Einbettung der Detektionseinheit der 3 in ein Rastersondenmikroskop zeigt; und
7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum gleichzeitigen Detektieren zweier Lichtstrahlen durch eine Detektionseinheit eines Rastersondenmikroskops präsentiert.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden derzeit bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Lichtquellen-, Analystor- und Detektionseinheiten sowie eines Verfahrens zum gleichzeitigen Detektieren von zumindest zwei Lichtstrahlen durch eine Detektionseinheit eines Rastersondenmikroskops am Beispiel eines Rasterkraftmikroskops oder AFMs (atomic force microscope) genauer erläutert. Die erfindungsgemäßen Einheiten und das erfindungsgemäße Verfahren sind jedoch nicht auf die im Folgenden diskutierten Beispiele beschränkt. Vielmehr können diese für beliebige Rastersondenmikroskope eingesetzt werden, deren Kraftsensor eine Wechselwirkung zwischen einer Probe und einer Sonde eines Rastersondenmikroskops durch Änderung eines Abstands zwischen der Sonde und einer Probenoberfläche detektieren kann.
Die 1 zeigt im oberen Teilbild eine Sonde 100 eines Rastersondenmikroskops. Die Sonde 100 oder Messsonde 100 umfasst einen Biegebalken 110 oder einen Hebelarm 110. Der Biegebalken 110 wird im Folgenden - wie im Fachgebiet üblich - Cantilever 110 genannt. Der Cantilever 110 der Sonde 100 weist an einem Ende (dem freien Ende) eine Messspitze 120 auf. Im Beispiel des oberen Teilbildes der 1 weist die Messspitze 120 eine langgezogene dünne Spitze mit geringem Krümmungsradius auf, die zum Analysieren einer Probenoberfläche geeignet ist. An dem der Messspitze 120 oder dem freien Ende gegenüberliegenden Ende weist der Cantilever 110 eine Halteplatte 130 auf. Mit Hilfe der Halteplatte 130 wird die Sonde 100 in einen Messkopf eines Rastersondenmikroskops eingebaut (in der 1 nicht dargestellt).
Über eine Bewegung der Halteplatte 130 kann die Sonde 100 bewegt werden. Insbesondere kann der Cantilever 110 zu einer Schwingung angeregt werden. Ferner kann der Cantilever 110 ein Piezo-Element aufweisen, das den Cantilever 110 zu einer Schwingung beispielsweise bei der Resonanzfrequenz der Sonde 100 anregen kann (in der 1 ebenfalls nicht wiedergegeben). Ferner ist es möglich, die Sonde 100 bzw. deren Cantilever 110 mit Hilfe eines Laserstrahls in Richtung einer Probenoberfläche zu biegen oder zu einer Schwingung anzuregen.
Das untere Teilbild präsentiert ein zweites Beispiel einer Sonde 150. Anders als die Sonde 100 weist die Sonde 150 eine Messspitze 160 mit einem größeren Krümmungsradius auf. Die Messspitze 160 der Sonde 150 ist zum Bearbeiten einer Probe geeignet.
Die Oberfläche des Cantilevers 110 der Sonden 100 und 150, die den Messspitzen 120 und 160 gegenüberliegen, kann mit einer dünnen metallischen Reflexionsschicht versehen werden, um die Reflektiviät der Oberfläche des Cantilevers 110 für einen Lichtstrahl, der als ein Lichtzeiger fungiert, zu erhöhen (in der 1 nicht gezeigt).
Die Sonde 100, 150 kann einen Aktuator in Form eines Piezo-Aktuators aufweisen (in der 1 nicht dargestellt). Der Piezo-Aktuator kann die Sonde 100, 150 auslenken. Insbesondere kann der Piezo-Aktuator die Messspitze 120, 160 in Richtung einer Probenoberfläche biegen. Ferner kann der Piezo-Aktuator den Cantilever 110 der Sonden 100 und 150 zu einer Schwingung anregen. Vorzugsweise regt ein Piezo-Aktuator den Cantilever bei oder in der Nähe einer Resonanzfrequenz der Sonde 100, 150 an. Ferner kann der Piezo-Aktuator ausgelegt sein, den Cantilever 110 der Sonden 100 und 150 zu verdrehen. In einer bevorzugten alternativen Ausführungsform ist ein Piezo-Aktuator auf der Halteplatte 130 der Sonden 100 und 150 angebracht und verbindet die Sonden 100 und 150 mit einem Messkopf eines Rastersondenmikroskops.
Neben der in der 1 dargestellten Form einer Sonde 100, 150 mit Cantilever 110 oder Biegebalken 110 können auch andere für eine sondenmikroskopische Abtastung geeignete Strukturen eingesetzt werden zum Beispiel entsprechend ausgebildete Brücken- oder Membranstrukturen (in der 1 nicht dargestellt). Überdies können zwei oder mehr Cantilever 110 eingesetzt werden, die keine gemeinsame Halteplatte 130 aufweisen. Beispielsweise können diese einander gegenüberliegend orientiert (englisch: interdigitated) angeordnet sein.
Die 2 zeigt eine beispielhafte Sonden-Anordnung 200 mit fünf einzelnen Sonden 212, 222, 232, 242 und 252, die von einer gemeinsamen Halteplatte 280 gehalten werden. Mit Hilfe der Halteplatte 280 wird die Sonden-Anordnung 200 in einen Messkopf eines SPMs eingebaut. Die Cantilever 210, 220, 230, 240 und 250 des Sonden-Arrays 200 tragen die Messspitzen 215, 225, 235, 245 und 255. Die Messspitzen 215, 225, 235, 245 und 255 können zum Analysieren und/oder zum Bearbeiten einer Probe eingesetzt werden. Die Messspitzen 215 und 220 der Cantilever 210 und 220 der Sonden-Anordnung 200 weisen eine Form auf, die zum Ausführen einer Bearbeitungsfunktion an einer Probe konzipiert sind. Ein Bearbeiten einer Probe kann das Entfernen von überschüssigem Material von einer Probe beispielsweise einer Photomaske umfassen. Ferner kann das Bearbeiten einer Probe das definierte Verschieben von Teilchen oder Nano-Partikeln auf der Oberfläche einer Probe umfassen. Dies bedeutet, die Cantilever 210 und 220 und die Messspitzen 215 und 225 der Sonden 212 und 222 können die Funktion einer Nano-Pinzette ausführen. Zu diesem Zweck weisen die Spitzen 215 und 225 unterschiedliche Formen auf. Da beim Bearbeiten einer Probenoberfläche die Messspitzen 215 und 225 in der Regel in direkten Kontakt mit dem Material der Probe kommen, sollten deren Oberflächen härter als die Oberfläche der Probe sein, um eine wirtschaftliche Lebensdauer der Bearbeitungsspitzen 215 und 225 zu gewährleisten. Durch den Einsatz von Spitzen aus hartem Material wie etwa Siliziumnitrid und/oder eine entsprechend Vergütungsschicht kann diese Zielsetzung erreicht werden.
Der Cantilever 230 der Sonde 232 des Sonden-Arrays 200 trägt eine lange nadelförmige Spitze 235. Für diese nadelförmige Spitze 235 kann beispielsweise eine Kohlenstoff-Nanoröhre eingesetzt werden. Damit lassen sich Bereiche der Oberfläche einer Probe abtasten, die ein sehr großes Aspektverhältnis, d.h. ein Verhältnis aus der Tiefe bzw. Höhe einer Struktur zu ihrer kleinsten lateralen Ausdehnung aufweisen.
Die Messspitzen 245 und 255 der Cantilever 240 und 250 der Sonden 242 und 252 der Sonden-Anordnung 200 weisen zwei lange dünne Spitzen mit kleinem Krümmungsradius auf. Diese Messspitzen 245, 255 sind zum genauen Untersuchen einer Probenoberfläche ausgelegt. Insbesondere können die beiden Cantilever 240 und 250 gleichzeitig betrieben werden, um in dieser Betriebsart die Abtastung einer grösseren Fläche einer Probe zu erlauben.
Das Sonden-Array 200 weist in dem Beispiel der 2 nur zufällig fünf Sonden auf. Die minimale Anzahl von Sonden einer Sonden-Anordnung ist zwei. Je nach Einsatzzweck der Sonden-Anordnung können beide Messspitzen zum Bearbeiten oder zum Analysieren einer Probe ausgelegt werden. Darüber hinaus ist es möglich, eine erste Sonde zum Analysieren einer Probe und eine zweite zum Verändern oder Bearbeiten einer Probe zu designen. Nach oben ist die Anzahl der Sonden einer Sonden-Anordnung, durch die Anzahl in einem MEMS (mico electro-mechanical system) fertigbarer Sonden begrenzt.
In dem in der 2 dargestellten Beispiel weisen die Cantilever 210, 220, 230, 240 und 250 eine Breite von 40 µm auf. Ihre Länge beträgt 250 µm. Der Abstand benachbarter Cantilever liegt im Bereich von 3 µm bis 5 µm. Es ist jedoch auch möglich, Cantilever 210, 220, 230, 240 und 250 einzusetzen, deren Abmessungen deutlich von den angegebenen Werten abweichen. Zudem kann der Abstand benachbarter Cantilever je nach Einsatzzweck größer oder kleiner als oben angegeben sein.
Die 3 zeigt schematisch eine Detektionseinheit 300, die ein Lichtzeigersystem für zwei Sonden 242 und 252 eines Sonden-Arrays bildet. In dem in der 3 dargestellten Beispiel sind die beiden Sonden 242 und 252 Teil des Sonden-Arrays 200 der 2. Die Detektionseinheit 300 umfasst eine Lichtquelleneinheit 310 und eine Analysatoreinheit 390. Die Lichtquelleneinheit 310 weist einen Anschluss 315 auf und die Detektionseinheit 390 weist einen Anschluss 395 auf, mit denen die beiden Einheiten 310 und 390 mit einer Steuereinrichtung eines Rastersondenmikroskops verbunden werden können (in der 3 nicht dargestellt). In einer alternativen Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung für die Detektionseinheit 300 in der Lichtquelleneinheit 310 oder der Analysatoreinheit 390 angeordnet und die beiden Einheiten 310 und 390 der Detektionseinheit 300 weisen eine direkte Verbindung auf (in der 3 nicht dargestellt). Ferner ist es möglich, eine Steuerungseinrichtung der Detektionseinheit 300 auf die Lichtquelleneinheit 310 und die Detektionseinheit 390 aufzuteilen (in der 3 nicht gezeigt).
Die Lichtquelleneinheit 310 erzeugt in dem in der 3 dargestellten Beispiel zwei Lichtstrahlen 320 und 340, die auf die Spitzen der Cantilever 250 und 240 der Sonden 252 und 242 gerichtet sind. Der beispielhafte Lichtstrahl 320 weist eine lineare Polarisation 325 auf, wobei der Vektor des elektromagnetischen Feldes in der Papierebene liegt. Der beispielhafte Lichtstrahl 340 weist eine lineare Polarisation 345 auf, bei der der Vektor des elektromagnetischen Feldes senkrecht zur Papierebene ausgerichtet ist. Die Lichtquelleneinheit 310 fokussiert die beiden Lichtstrahlen 320 und 340 auf die Spitzen der beiden Cantilever 240 und 250.
In dem in der 3 präsentierten Beispiel liegt die Strahltaille 330 und 350 der beiden Lichtstrahlen 320 und 340 auf den Cantilevern 240 und 250 im Bereich der Breite der beiden Cantilever 240 und 250. Damit zeigt das Beispiel der 3 ein typisches Anwendungsszenario. Dies bedeutet, Teile der Intensität 332 und 335 bzw. 352 und 355 der Lichtstrahlen 320 und 340 reichen über die Breite der Cantilever 240 und 250 hinaus und fallen auf den bzw. die benachbarten Cantilever 250 und 240, der nur einige Mikrometer entfernt ist. Falls die beiden Lichtstrahlen 320 und 340 sich nicht in wenigstens einer Eigenschaft unterscheiden, stört die Strahlung des benachbarten Cantilevers 250 den Lichtstrahl 320 des Cantilevers 240, der als Lichtzeiger fungiert, in erheblichem Umfang und verringert durch Interferenzeffekte das Auflösungsvermögen des Lichtzeigersystems eines Rastersondenmikroskops in einer nicht hinnehmbaren Weise. Im Stand der Technik wird dieses Problem, wie im ersten Teil der Beschreibung ausgeführt, durch ein sequentielles Bestimmen der Position der Messspitzen 245 und 255 bezüglich der Probenoberfläche gelöst.
Indem sich die beiden Lichtstrahlen 320 und 340 in einer Eigenschaft, beispielsweise der Polarisation 325 und 345, unterscheiden, können die negativen Auswirkungen der teilweisen Überlagerung der beiden Lichtstrahlen 320 und 340 auf den Cantilevern 240 und 250 vermieden werden. Dadurch wird ein simultanes Auslesen der Lichtzeiger der beiden Lichtstrahlen 320 und 340 ermöglicht.
Das von der Oberfläche der Cantilever 240 und 250 reflektierte Licht erreicht als Lichtstrahlen 360 und 370 die Analysatoreinheit 390. Wie durch die Bezugszeichen 362, 364 und 365 einerseits und 372, 374 und 375 andererseits angedeutet, überlagern sich die beiden reflektierten Lichtstrahlen 360 und 370 auf der Analysatoreinheit 390 zumindest teilweise. Es ist auch möglich, die beiden Lichtstrahlen 320 und 340 der Lichtquelleneinheit 310 so auszurichten, dass sich die beiden reflektierten Lichtstrahlen 360 und 370 auf der Analysatoreinheit 390 vollständig überlagern.
Bei der Reflexion der beiden Lichtstrahlen 320 und 340 auf der Oberfläche der Cantilever 240 und 250 wird der Polarisationszustand 325, 345 der einfallenden Lichtstrahlen 320 und 340 im Wesentlichen unverändert auf die reflektierten Lichtstrahlen 360 und 370 übertragen. Dadurch bleiben die beiden Lichtstrahlen 360 und 370 trotz teilweiser oder vollständiger Überlagerung in der Analysatoreinheit 390 unterscheidbar. Details der Trennung der beiden Lichtstrahlen 360 und 370 werden nachfolgend im Kontext der Diskussion der 5 erläutert. Als unterscheidbar werden in dieser Anmeldung Lichtstrahlen bezeichnet, deren Licht oder elektromagnetische Wellen, trotz vollständiger räumlicher Überlagerung der Lichtstrahlen getrennt detektiert werden kann.
Die 4 präsentiert die Lichtquelleneinheit 310 der Detektionseinheit 300 der 3 in einem größeren Detailierungsgrad. Die beispielhafte Lichtquelleneinheit 310 umfasst eine Lichtquelle 410 in Form eines Laser-Systems. Eine Lichtquelle 410 in Form eines Laser-Systems ist bevorzugt, da ein Laser weitgehend kohärentes Licht emittiert, das mit einfachen optischen Mitteln abbildbar und zu fokussieren ist. Außerdem weist ein Laser-System die vorteilhafte Eigenschaft auf, bereits weitgehend polarisierte Strahlung zu emittieren. Alternativ kann als Lichtquelle 410 eine Leuchtdiode oder LED eingesetzt werden. LEDs weisen hinreichend gute Eigenschaften hinsichtlich Kohärenz und Fokussierbarkeit auf und bieten gleichzeitig gegenüber einem Laser-System Kostenvorteile. Es ist günstig, wenn das als Lichtquelle 410 fungierende Laser-System oder die LED linear polarisiertes Licht generiert. Falls dies nicht der Fall sein sollte oder falls die Polarisation des Laser-Systems oder der LED nicht die richtige Orientierung aufweist, wird mit einem Polarisator am Ausgang der Lichtquelle 410 ein Lichtstrahl 420 mit definierter linearer Polarisation erzeugt.
An das Laser-System der Lichtquelle 410 werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Vorzugsweise werden Halbleiter-Laserdioden als Lichtquelle 410 in der Lichtquelleneinheit 310 eingesetzt. Halbleiter-Laserdioden weisen zum einen eine kompakte Bauform auf und haben zum anderen einen großen Wirkungsgrad. Dies trifft für alternativ eingesetzte Leuchtdioden ebenfalls zu.
Der die Lichtquelle 410 verlassende Lichtstrahl 420 wird auf den Strahlteiler 430 gerichtet. Der Strahlteiler 430 teilt den Lichtstrahl 420 in zwei räumlich getrennte Lichtstrahlen 440 und 450 auf. Es ist vorteilhaft, den Strahlteiler aus einem doppelbrechenden Material herzustellen. Ein doppelbrechender Kristall trennt zum einen den Lichtstrahl 420 räumlich in die beiden Lichtstrahlen 440 und 450 und zum anderen weisen die beiden den Strahlteiler 430 verlassenden Lichtstrahlen 445 und 455 eine lineare Polarisation auf, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen. In dem in der 4 dargestellten Beispiel ist der Strahlteiler 430 in Form eines Wollaston-Prismas ausgeführt. Der Strahlteiler 430 kann beispielsweise auch in Form eines Rochon-Prismas oder eines Senarmont-Prismas ausgeführt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Strahlteiler 430 durch einen nicht polarisierenden Strahlteiler in zwei räumlich getrennte Lichtstrahlen 445 und 455 aufgespalten werden und die Polarisation eines der beiden Lichtstrahlen 445 oder 455 oder beide Lichtstrahlen 445 und 455 können mit Hilfe eines oder zweier Phasenverschiebungsplättchen relativ zueinander geändert werden. Beispielsweise kann die Polarisationsebene des Lichtstrahls 445 mit Hilfe eines λ/2-Plättchen relativ zum Lichtstrahl 455 um 90" gedreht werden (in der 4 nicht dargestellt).
In einer weiteren Ausführungsform kann der Strahlteiler 430 einen akustooptischen Modulator umfassen. Ein akustooptischer Modulator trennt zum einen die beiden Lichtstrahlen 445 und 455, die den Strahlteiler 430 verlassen, räumlich. Zum anderen wird der von der Ultraschallwelle des akustooptischen Modulators abgelenkte Lichtstrahl gegenüber dem nicht abgelenkten Lichtstrahl in der Frequenz verschoben, wenn auch nur um einen kleinen relativen Betrag in Δf/f. Damit weisen die beiden den Strahlteiler 430 in Form eines akustooptischen Modulators verlassenden Lichtstrahlen 445 und 455 zwei verschiedene Eigenschaften auf, nämlich einen verschiedenen Polarisationszustand und eine verschiedene Frequenz. Jede der beiden unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Lichtstrahlen 445 und 455 kann einzeln oder in Kombination zum Unterscheiden der beiden auf die Cantilever 240 und 250 einfallenden Lichtstrahlen 320 und 340 bzw. der von den Cantilevern reflektierten Lichtstrahlen 360 und 370 benutzt werden.
Die Wirkung eines Strahlteilers 430 in Form eines doppelbrechenden Kristalls ist durch die Bauart des Strahlteilers festgelegt. Ein Strahlteiler 430 in Form eines akustooptischen Modulators kann ein und ausgeschaltet, d.h. dynamisch betrieben werden. Zudem ist es möglich, die Frequenz der Ultraschallwelle eines akustooptischen Modulators und damit den Frequenzunterschied der beiden Lichtstrahlen 445 und 455 in einem bestimmten Intervall einzustellen.
Schließlich weist die Lichtquelleneinheit 310 zumindest ein optisches Element 460 auf, das ausgelegt ist, die beiden Lichtstrahlen 445 und 455 auf die Spitze der Cantilever 240 und 250 zu fokussieren. Das optische Element 460 kann in Form einer Linse oder eines oder mehrerer Spiegel realisiert werden. Ferner kann das das optische Element 460 als Mikrolinsen oder Mikrospiegel für jeden Lichtstrahl 445 und 455 einzeln umgesetzt werden.
In der Lichtquelleneinheit 310 benötigt die Lichtquelle 410 den größten Platzbedarf. Durch das Erzeugen von zwei unterscheidbaren Lichtstrahlen 445 und 455 aus dem Lichtstrahl 420 einer Lichtquelle 410 kann die Lichtquelleneinheit 310 kompakt gebaut werden. Zudem wird nur eine Treiberschaltung benötigt, um die beiden unterscheidbaren Lichtstrahlen 445 und 455 zu erzeugen.
Die Lichtquelleneinheit 310 der 4 generiert zwei unterscheidbare Lichtstrahlen 445 und 455 aus dem Lichtstrahl 410. Die Lichtquelleneinheit 310 ist nicht auf das Erzeugen von zwei Lichtstrahlen 445 und 455 beschränkt. Indem zwei Strahlteiler 430 hintereinander angeordnet werden, können aus dem Lichtstrahl 420 der Lichtquelle 410 vier unterscheidbare Lichtstrahlen hergestellt werden (in der 4 nicht gezeigt).
Die 5 präsentiert mehr Details der Analysatoreinheit 390 der 3. Die von den Cantilevern 240 und 250 reflektierten Lichtstrahlen 360 und 370 treffen in teilweiser oder vollständiger Überlappung auf die Analysatoreinheit 390 der Detektionseinheit 300. Die beiden Lichtstrahlen 360 und 370 weisen unterschiedliche Polarisationszustände 325 und 345 auf. Ein optisches Element 510 bildet die beiden reflektierten sich überschneidenden Lichtstrahlen 360 und 370 als einen Lichtstrahl 520 auf den Strahlteiler 530 ab. In der in der 5 dargestellten beispielhaften Analysatoreinheit 390 ist der Strahlteiler 530 in Form eines polarisierenden Strahlteilers ausgeführt. Der polarisierende Strahlteiler lässt die elektromagnetische Welle, deren Polarisation in der Papierebene ausgerichtet ist, als Lichtstrahl 545 mit der Polarisation 325 passieren. Der Lichtstrahl 545 fällt auf den Mehrsegment-Photodetektor 550.
Das Licht oder die elektromagnetische Strahlung des Lichtstrahls 520 deren Polarisation senkrecht zur Papierebene gerichtet ist, lenkt der polarisierende Strahlteiler als Lichtstrahl 555 mit der Polarisation auf den Mehrsegment-Photodetektor 560 ab. In der Analysatoreinheit 390 der 5 sind die beiden Mehrsegment-Photodetektoren 550 und 560 in Form von Vier-Quadranten-Photodioden ausgeführt. Es ist ferner möglich, die beiden Mehrsegment-Photodetektoren550 und 560 als Zwei-Segment-Photodioden auszuführen (in der 5 nicht gezeigt).
Eine Analysatoreinheit kann ausgelegt werden vier Lichtstrahlen zu separieren. Dazu muss sich das auf die Analysatoreinheit 390 auftreffende Licht in zwei Eigenschaften unterscheiden, beispielsweise dem Polarisationszustand und der Frequenz. Durch eine Kombination aus dichroitischen Spiegeln und Bandpassfiltern kann eine Analysatoreinheit designt werden, die die die auf die Analysatoreinheit einfallende Strahlung in vier getrennt detektierbare Lichtstrahlen aufteilt (in der 5 nicht dargestellt).
Die 6 präsentiert schematisch die Einbettung einer Lichtquelleneinheit 310 und einer Analysatoreinheit 390 als Detektionseinheit 300 in ein Rastersondenmikroskop 600. Das in der 6 dargestellte Rasterkraftmikroskop 600 kann unter Umgebungsbedingungen oder in einer Vakuumkammer (in der 6 nicht dargestellt) betrieben werden. Das Rastersondenmikroskop 600 umfasst einen Probentisch 630 auf dem eine Probe 610 angeordnet ist, deren Oberfläche 620 von den Sonden 242 und 252 untersucht und/oder bearbeitet wird. Der Probentisch 630 kann in drei Raumrichtungen durch eine Positionier-Einrichtung 640 positioniert werden. Die Positionier-Einrichtung 640 umfasst zum Beispiel ein oder mehrere Mikroverschiebeelemente, beispielsweise in Form von Spindel-Aktuatoren und/oder Piezo-Aktuatoren (in 6 nicht gezeigt).
Die Sonden 242 und 252 werden mittels der Halteplatte 200 mit einem Piezo-Aktuator 650 verbunden. Der Piezo-Aktuator 650 ist in den Messkopf des Rastersondenmikroskops 600 eingebaut (in der 6 nicht gezeigt). Der Piezo-Aktuator 650 kann die Funktion einer Scan-Einrichtung ausführen. Alternativ oder zusätzlich kann in einer weiteren Ausführungsform die Relativbewegung zwischen der Probenoberfläche 620 und den Messspitzen 245 und 255 der Cantilever 240 und 250 zwischen der Positionier-Einrichtung 640 und dem Piezo-Aktuator 650 aufgeteilt werden. Beispielsweise führt die Positionier-Einrichtung 640 die Bewegung der Probe 610 in der Probenebene (xy-Ebene) aus und der Piezo-Aktuator 650 bewerkstelligt die Bewegungen der Messspitzen 245 und 255 in Richtung der Probennormalen (z-Richtung). Wie bereits im Kontext der 1 erläutert, kann zusätzlich jeder Cantilever 240 und 250 einen eigenen Piezo-Aktuator aufweisen (in der 6 nicht gezeigt).
Vorzugsweise ist der Probentisch 640 jedoch ortsfest ausgeführt und die Messspitzen 245 und 255 werden mittels des Piezo-Aktuators 650 an den zu analysierenden und/oder zu bearbeitenden Bereich der Probe 610 gebracht.
Die Messspitzen 245 und 255 der Sonden 242 und 252 können in mehreren Betriebsarten arbeiten. Zum einen können diese in konstanter Höhe über die Oberfläche 620 der Probe 610 gerastert werden. Alternativ können die Sonden 242 und 252 mit konstanter Kraft in einer geschlossenen Regelschleife über die Probenoberfläche 620 geführt werden. Ferner ist es möglich, mit Hilfe eines Modulationsverfahrens die Cantilever 240 und 250 in eine Schwingung senkrecht zur Probenoberfläche 650 zu versetzen und dadurch die Oberfläche 620 der Probe 610 in einer geschlossenen Regelschleife abzutasten. Dabei können die Cantilever 240 und 250 bei ihrer Resonanzfrequenz schwingen oder eine erzwungene Schwingung bei einer vorgegebenen Frequenz ausführen. Für alle Betriebsarten des Rastersondenmikroskops 600 kann die Lichtquelleneinheit 310 und die Analsatoreinheit 390 ein Lichtzeigersystem als Detektionssystem 300 realisieren, um simultan die Signale der Cantilever 240 und 250 auszulesen. Zudem können die Messspitzen 245 und 255 der Cantilever 240 und 250 oder andere Messspitzen der Sonden-Anordnung eine Nano-Pinzette realisieren, die Nano-Partikel auf der Oberfläche 620 Probe 610 verschieben können.
Ferner weist das Rasterkraftmikroskop 600 eine Steuereinrichtung 690 auf. Diese ist über die Verbindung 315 mit der Lichtquelleneinheit 310 und über die Verbindung 395 mit der Analysatoreinheit 390 verbunden. In dem in der 6 dargestellten Beispiel wird die Bewegung der Cantilever 240 und 250 mittels des Piezo-Aktuators 650 über die Halteplatte 280 der Sonden-Anordnung 200 ausgeführt. Der Piezo-Aktuator 650 wird über die Verbindung 655 von der Steuereinrichtung 690 gesteuert. Zusätzlich kann jeder der beiden Cantilever 240 und 250 einen eigenen Piezo-Aktuator aufweisen, die ebenfalls von der Steuereinrichtung 690 des SPM 600 aktiviert und kontrolliert werden (in der 6 nicht gezeigt). Schließlich steuert die Steuereinrichtung 690 über die Verbindung 645 die Positionier-Einrichtung 640 des Probentisches 630.
Die 7 gibt ein Ablaufdiagramm 700 eines Verfahrens wieder, das zum gleichzeitigen Detektieren von zwei oder mehr Lichtstrahlen durch eine Detektionseinheit 300 für ein Rastersondenmikroskop 600 eingesetzt werden kann. Das Verfahren beginnt bei 710. Im ersten Schritt 720 werden zwei oder mehr Lichtstrahlen 320, 340 erzeugt, die sich zumindest in einer Eigenschaft 325, 345 unterscheiden. Im zweiten Schritt 730 werden die zwei oder mehr Lichtstrahlen 320, 340 auf eine oder mehrere Sonden 242, 252 gerichtet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die zwei oder mehr Lichtstrahlen 320, 340 auf die freien Enden der Cantilever 240 und 250 gerichtet.
Im dritten Schritt 740 werden das von der zumindest einen Sonde 242, 252 reflektierte Licht 360, 370 in zumindest zwei Teilstrahlen 545, 555 aufgespalten gemäß der zumindest einen unterschiedlichen Eigenschaft 325, 345 der zumindest zwei Lichtstrahlen 320, 340. Das Verfahren endet bei 750.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 02/080187 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„VLSI-NEMS chips for parallel AFM data storage" von M. Despont et al., in Sensors and Actuators, Bd. 80, S. 100-107 (2000) [0005]

Claims

Lichtquelleneinheit (310) zur Verwendung in einer Detektionseinheit (300) für ein Rastersondenmikroskop (600), wobei die Lichtquelleneinheit (310) zumindest einen Strahlteiler (430) aufweist, der ausgebildet ist, um aus einem ersten Lichtstrahl (420) zumindest zwei zweite Lichtstrahlen (320, 340) zu erzeugen, die sich in zumindest einer Eigenschaft (325, 345) unterscheiden.
Lichtquelleneinheit (310) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Strahlteiler (430) ausgebildet ist, die zumindest zwei zweiten Lichtstrahlen (320, 340) mit unterschiedlicher Polarisation (325, 345) zu erzeugen.
Lichtquelleneinheit (310) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zumindest eine Strahlteiler (430) einen doppelbrechenden Kristall umfasst.
Lichtquelleneinheit (310) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der doppelbrechende Kristall ein Wollaston-Prisma (430), ein Rochon-Prisma, ein Senarmont-Prisma oder ein Normarski-Prisma umfasst.
Lichtquelleneinheit (310) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Strahlteiler (430) ausgebildet ist, die zumindest zwei zweiten Lichtstrahlen (320, 340) mit unterschiedlicher Frequenz zu erzeugen.
Lichtquelleneinheit (310) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zumindest eine Strahlteiler (430) einen akustooptischen Modulator umfasst.
Lichtquelleneinheit (310) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend zumindest ein optisches Element (460), das ausgebildet ist, um die zumindest zwei zweiten Lichtstrahlen (320, 340) auf zumindest eine Sonde (242, 252) des Rastersondenmikroskops (600) zu richten.
Lichtquelleneinheit (310) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das optische Element (460) zumindest ein Element aus der Gruppe umfasst: eine Linse (460), ein Spiegel und eine Blende.
Lichtquelleneinheit (310) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend zumindest ein Laser-System und/oder ein Leuchtdioden-System.
Analysatoreinheit (390) zur Verwendung in einer Detektionseinheit (300) für ein Rastersondenmikroskop (600), wobei die Analysatoreinheit (390) zumindest einen Strahlteiler (530) aufweist, der ausgebildet ist, um von zumindest einer Sonde (242, 252) des Rastersondenmikroskops (600) reflektiertes Licht (360, 370) in zumindest zwei Teilstrahlen (545, 555) aufzuspalten, und wobei sich die zumindest zwei Teilstrahlen (545, 555) in zumindest einer Eigenschaft (325, 345) unterscheiden.
Analysatoreinheit (390) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest zwei Teilstrahlen (545, 555) sich in einer Polarisation (325, 345) und/oder einer Frequenz unterscheiden.
Analysatoreinheit (390) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der zumindest eine Strahlteiler (530) einen polarisierenden Strahlteiler und/oder einen Frequenz-diskriminator umfasst.
Analysatoreinheit (390) nach einem der Ansprüche 10-12, ferner aufweisend: zumindest zwei Mehrsegment-Photodetektoren (550, 560).
Analysatoreinheit (390) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest zwei Mehrsegment-Photodetektoren (550, 560) zumindest zwei Vier-Quadranten-Photodioden (550, 560) umfassen.
Detektionseinheit (300) für ein Rastersondenmikroskop (600) aufweisend: a. eine Lichtquelleneinheit (310), die ausgebildet ist, um zumindest zwei Lichtstrahlen (320, 340) zu erzeugen und auf zumindest eine Sonde (242, 252) des Rastersondemikroskops (600) zu richten, wobei sich die zumindest zwei Lichtstrahlen (320, 340) in zumindest einer Eigenschaft (325, 345) unterscheiden; und b. eine Analysatoreinheit (390), die ausgebildet ist, um von der zumindest einen Sonde (242, 252) reflektiertes Licht (360, 370) in zumindest zwei Teilstrahlen (545, 555) gemäß der zumindest einen unterschiedlichen Eigenschaft (325, 345) der zumindest zwei Lichtstrahlen (320, 340) aufzuspalten.
Detektionseinheit (300) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Lichtquelleneinheit (310) eine Lichtquelleneinheit (310) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst, und/oder wobei die Analysatoreinheit (390) eine Analysatoreinheit (390) nach einem der Ansprüche 10 bis 14 umfasst.
Verfahren zum gleichzeitigen Detektieren von zumindest zwei Lichtstrahlen (320, 340) durch eine Detektionseinheit (300) für ein Rastersondenmikroskop (600), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a. Erzeugen von zumindest zwei Lichtstrahlen (320, 340), wobei sich die zumindest zwei Lichtstrahlen (320, 340) in zumindest einer Eigenschaft (325, 345) unterscheiden; b. Richten der zumindest zwei Lichtstrahlen (320, 340) auf zumindest eine Sonde (242, 252) des Rastersondenmikroskops (600); und c. Aufspalten von der zumindest einen Sonde (242, 252) reflektierten Lichts (360, 370) in zumindest zwei Teilstrahlen (545, 555) gemäß der zumindest einen unterschiedlichen Eigenschaft (325, 345) der zumindest zwei Lichtstrahlen (320, 340).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zumindest zwei Lichtstrahlen (320, 340) eine unterschiedliche Polarisation (325, 345) und/oder eine unterschiedliche Frequenz aufweisen.
Computerprogramm, das Anweisungen umfasst, die, wenn sie von einem Rastersondenmikroskop (600) ausgeführt werden, das eine Detektionseinheit (300) nach einem der Ansprüche 15 oder 16 aufweist, das Rastersondenmikroskop (600) veranlassen, die Verfahrensschritte des Anspruchs 17 auszuführen.
Steuereinrichtung (690), die ausgebildet ist, ein Rastersondenmikroskop (600), das eine Detektionseinheit (300) nach einem der Ansprüche 15 oder 16 umfasst, zu veranlassen, die Verfahrensschritte des Anspruchs 17 auszuführen.