DE19531466C2 - Mikromechanische Sonde für Rastermikroskope - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Meßtechnik und be­ trifft eine mikromechanische Sonde für Rastermikroskope. Die Sonde ist anwendbar für die Atom-Kraft-Mikroskopie(AFM), die Raster-Tunnel-Mikroskopie(STM) und, die optische Nahfeldmikro­ skopie(SNOM), mit denen topologische, elektrische und optische Meßdaten von Oberflächen gewonnen werden können.

Bei der AFM und der STM wird eine an einer Sonde angeordnete Mikrotastspitze im Abstand von wenigen Nanometern über die zu untersuchende Oberfläche geführt. Ausgewertet werden bei der AFM die von der Mikrotastspitze erfaßten zwischenatomaren Kräfte und im Falle der STM der Tunnelstrom von einigen nA, der sich bei einer Spannung von wenigen mV zwischen Spitze und einer elek­ trisch leitfähigen Oberfläche einstellt. Wesentlich bei der technischen Realisierung sind Piezosteller, die mit Auflösungen von Picometern die Sondenführung im Nahfeld der Oberfläche ge­ statten. Eine die Wechselwirkung erfassende Meßtechnik und ein Regelmechanismus halten beim Scannen den Abstand zwischen Mikro­ tastspitze und zu untersuchender Oberfläche auf Picometer kon­ stant. Bei der SNOM besteht die Sonde in der Regel aus einer optisch transparenten Spitze mit einer Apertur wesentlich kleiner als die Wellenlänge des Lichtes. Die Sonde wird im Nah­ feld über die zu untersuchende Probe geführt und dient dazu, aus ihrer Apertur austretendes Licht auf die Probe zu senden. Außer­ dem dient die Sonde auch als Lichtempfänger oder bei Total­ reflexion des Lichtes an der Probenoberfläche im evaneszenten Feld zum Absaugen von Photonen.

Mikromechanische Sonden für die AFM und die STM sind in verschiedenen Ausführungsformen bereits bekannt.

So ist beispielweise in der US-PS 4 912 822 eine für die STM konzipierte Anordnung beschrieben, die statische Bewegungen in 3 aufeinander senkrecht stehenden Koordinatenrichtungen ermöglicht. Die Anordnung, die nach dem Cantilever-Prinzip auf­ gebaut ist und mittels Mikroelektroniktechnologien hergestellt wird, hat die Form eines Auslegers mit am Ende befindlicher Mikrotastspitze. Der Ausleger ist als Schichtpaket ausgebildet, das aus 2 Piezoschichten und einer Vielzahl von als Elektroden dienenden Metallschichten besteht. Die Metallschichten sind oberhalb, unterhalb und zwischen den Piezoschichten und auch seitlich voneinander angeordnet. Die Mikrotastspitze ist aus Tantal oder einem anderen elektrisch leitfähigen Werkstoff her­ gestellt und senkrecht auf der Oberfläche des Schichtpaketes an­ geordnet. Die Bewegungen des Auslegers dienen der Annäherung der Mikrotastspitze an die zu untersuchende Oberfläche und der seitlichen Führung über die Oberfläche. Die Bewegungen werden ermöglicht durch Ausnutzung des reziproken piezoelektrischen Effekts in dünnen Schichten, die beidseits von Elektroden umge­ ben sind. Durch Anlegen von elektrischen Spannungen an die Elektroden des Schichtpakets wird das Schichtpaket deformiert. Die Deformation ist als Längsdehnung und Verbiegung möglich. Damit ist es möglich, die Mikrotastspitze in allen 3 Raum­ richtungen zu bewegen. Je nach Erfordernis werden dazu unterschiedliche elektrische Gleichspannungspotentiale an ausgewählte Elektrodenpaare gelegt. Diese Potentiale führen zu Bewegungen in Längs-, Dicken- und Querrichtung sowie zur Verkippung der Mikrotastspitze. Damit kann die Mikrotastspitze sowohl definiert der Oberfläche angenähert als auch seitlich bewegt und gekippt werden. Zum Beispiel ist vorgesehen, die Mikrotastspitze mit Hilfe der angelegten Spannungen in einem solchen Abstand zu einer leitenden Oberfläche zu halten, daß der Tunnelstrom zwischen Tastspitze und Oberfläche konstant ist. Die Anwendungsmöglichkeit dieser Anordnung ist auf die STM beschränkt.

Bekannt ist auch eine mikromechanische Sonde, die aus einem Schwingquarz und einer Tastnadel besteht (Intern. Journ. Optoelectronics, 1993, Vol. 8, Nos. 5/6. 669-676). Die piezo­ elektrisch erregte Tastnadel schwingt mit einer Frequenz von 1 MHz senkrecht zu der zu untersuchenden Probenoberfläche und gestattet eine materialschonende Bestimmung der abstoßenden Kräfte aus der Messung des Phasenverhaltens der im Kraftfeld der Probe schwingenden Nadelspitze auf rein elektrischem Wege. Die Anwendung dieser Sonde ist auf die AFM beschränkt. Ihre Kraftempfindlichkeit liegt nur im Bereich von nN und die für die Meßdynamik maßgebende Zeitkonstante τ nur im ms-Bereich.

In jüngster Zeit sind auch Einrichtungen für die Rastermikroskopie bekannt geworden, die zwei Rastermikroskopie-Moden ermöglichen. So beschreibt die US- PS 5 354 985 eine rastermikroskopische Einrichtung, bei der eine SNOM-Sonde mit einem AFM-Meßsystem kombiniert ist, und in der US-PS 5 386 720 ist eine Einrichtung beschrieben, bei der eine AFM-Sonde mit Mitteln zur STM kombiniert ist.

Gemäß EP 652 414 A1 ist auch bereits eine Einrichtung vorgeschlagen worden, die für die SNOM und die AFM bestimmt ist, mit der unter bestimmten Bedingungen jedoch auch die STM ausführbar sein soll. Nachteilig hierbei ist, daß die Sonde wenig kompakt ausgebildet ist und daß die Einrichtung zur Realisierung der Sondenfunktionen einen aufwendigen Aufbau aufweist. Dadurch ist diese Einrichtung störanfällig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universell an­ wendbare mikromechanische Sonde für Rastermikroskope zu schaffen, die rastermikroskopische Untersuchungen mit einer höheren lateralen Auflösung sowie mit einer im µs-Bereich liegenden kleineren Zeitkonstante τ ermöglicht und damit eine hohe Meßgeschwindigkeit garantiert.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mit der in den Patent­ ansprüchen dargestellten mikromechanischen Sonde gelöst.

Erfindungsgemäß ist die für die Rastersondenmikroskopie bestimmte Sonde AFM-, STM- und SNOM-tauglich ausgeführt und besteht aus einem Träger und einem damit verbundenen, als Schichtpaket ausgebildeten Ausleger. Der Ausleger enthält mindestens eine Piezoschicht, mehrere Metallschichten und mindestens eine Lichtleiterschicht und trägt an seinem freien Ende eine optisch transparente Mikrotastspitze. Dabei ist an die Piezoschicht/en eine Wechselspannung angelegt, deren Frequenz einer der Resonanzfrequenzen des Auslegers entspricht. Die Lichtleiterschicht ist mit der optisch transparenten Mikrotastspitze lichtleitend verbunden.

Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung ist an die Piezoschicht/en eine Wechselspannung angelegt, deren Frequenz mit der Längsresonanz des Auslegers übereinstimmt, und ist die Mikrotastspitze am freien Ende des Auslegers an der Stirnseite der Lichtleiterschicht angeordnet.

Zweckmäßigerweise kann das den Ausleger bildende Schichtpaket als Schichtsystem auf dem oder im Träger fortgeführt sein.

Die Piezoschicht/en können aus Zinkoxid (ZnO) oder Aluminium­ nitrid (AlN) oder einem PZT-Werkstoff bestehen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung können die Piezo­ schicht/en des Schichtpaketes am festen Ende des Auslegers beginnend sich nur über einen Teil der Länge des Auslegers erstrecken. Ebenso können die Metallschichten des Schichtpaketes am festen Ende des Auslegers beginnend sich nur über einen Teil der Länge des Auslegers erstrecken.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Metallschicht auf der Oberfläche der Piezoschicht stellenweise unterbrochen, derart, daß zwei streifenförmige, diametral angeordnete Piezoresonatoren vorliegen, die mit ihrem einen Ende in einem Schwingungsknoten miteinander verbunden sind.

Für den STM-Einsatz der Sonde kann zweckmäßig eine der Metall­ schichten bis an das Ende der Mikrotastspitze geführt sein.

Die Lichtwellenleiter-Schicht besteht erfindungsgemäß aus einem optisch hochbrechenden Werkstoff, vorzugsweise aus Silicium­ carbid (SiC).

Zweckmäßigerweise ist die Lichtwellenleiter-Schicht am freien Ende des Auslegers sich zur Mikrotastspitze hin verjüngend ausgebildet.

Die erfindungsgemäße mikromechanische Sonde zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, daß diese für eine Multimoden-Rastersondenmikroskopie anwendbar ist, indem sie bei Rastermikroskopen universell für die AFM, die STM und die SNOM eingesetzt werden kann, mit denen topologische, elektrische und optische Meßdaten von Oberflächen gewonnen werden können. Von besonderem Vorteil sind auch die gegenüber den bekannten Lösungen wesentlich höheren Leistungsparameter. So bietet das erfindungsgemäße Lösungsprinzip die Möglichkeit einer wesentlichen Verringerung der Sondendimensionen. Auf diesem Wege läßt sich eine Verringerung der Massen und die Erhöhung der Betriebsfrequenz auf Werte weit über 1 MHz, beispielsweise in den Bereich von 50-100 MHz realisieren, und werden so die Tastempfindlichkeit beziehungsweise die laterale Auflösung mit ca. 50 nm sowie die Meßgeschwindigkeit wesentlich erhöht.

Vorteilhaft ist auch die erfindungsgemäße Einbeziehung der für die SNOM vorgesehenen lichtoptischen Mittel und deren Ausgestaltung. Hiernach wird zur räumlichen Konzentration des Lichtes statt der bisher üblichen metallüberzogenen Sondenspitze ein rein dielektrischer Lichtwellenleiter aus einem besonders hochbrechenden Werkstoff verwendet. Dieser Lichtwellenleiter führt das Licht ohne nennenswerte Verluste an Reflexion oder Absorption. Infolge des besonders hohen Brechungsindexes kann der Querschnitt des Lichtwellenleiters sehr gering sein, wodurch eine lokale Beleuchtung eines Objektes mit großer Lichtstärke oder die lokale Erfassung der Lichtintensität im Nahfeld eines Objektes mit geringen optischen Verlusten möglich ist. Dadurch kann die erforderliche Zeit zum Scannen eines mikroskopischen Bildes gegenüber den herkömmlichen Anordnungen verkürzt werden.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels der mikromechanischen Sonde näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt die Sonde in perspektivischer Darstellung.

Die dargestellte Sonde vereinigt in sich die für die Kraft­ mikroskopie, die Tunnelmikroskopie und die optische Nahfeld­ mikroskopie erforderlichen Funktionen und ist damit für Multi­ moden-Rastermikroskope einsetzbar.

Bei dieser Sonde ragt über einen Träger 1 ein Ausleger 2 hinaus, der mit zwei piezoelektrischen Resonatorzungen 3 und 4 aus­ gestattet ist. Am Ende der Resonatorzunge 3 befindet sich eine Tastspitze 5. Der Ausleger 2 besteht aus einem Schichtpaket, das sich aus einer Lichtwellenleiter-Schicht 6, einer ersten Metall­ schicht 7, einer piezoelektrischen Schicht 8 und einer zweiten Metallschicht 9 zusammensetzt. Die Metallschichten 7 und 9 weisen im Bereich des Trägers Kontaktstellen 10 bis 13 auf.

Die Resonatorzungen 3 und 4 werden mit Hilfe der piezoelektri­ schen Schicht 8 zu Längsschwingungen angeregt. Dazu wird zwischen die Metallschichten 7 und 9 über die Kontakt­ stellen 10 und 11 für die Resonatorzunge 3 und über die Kontakt­ stellen 12 und 13 für die Resonatorzunge 4 eine Wechselspannung gelegt. Ihre Frequenz wird so gewählt, daß die Wellenlänge der Längsschwingungen in den Resonatorzungen 3 bzw. 4 den vierfachen Wert der Länge der Resonatorzungen einnimmt. In diesem Fall schwingen die Enden der Resonatorzungen mit maximaler Amplitude, und an ihrer Verbindungsstelle entsteht ein Schwingungsknoten. Soll die Resonatorzunge 4 nicht als Referenzresonator für die Re­ sonatorzunge 3 benutzt werden, wird - in Abweichung zu diesem Ausführungsbeispiel - die zweite Metallschicht 9 an der Verbin­ dungsstelle zwischen Resonatorzunge 3 und Resonatorzunge 4 nicht unterbrochen ausgeführt und die Wechselspannung wird z. B. nur an die Kontaktstellen 10 und 11 angelegt.

Bei Annäherung der in Längsrichtung schwingenden Tastspitze 5 an die Oberfläche einer zu untersuchenden Probe wirken Oberflächen­ kräfte auf die Tastspitze ein. Diese Einwirkung beeinflußt das Schwingverhalten der Resonatorzunge 3 in der Weise, daß die Re­ sonanzfrequenz verschoben wird und die Schwingung eine Dämpfung erfährt. Diese Veränderungen können über das elektrische Zwei­ pol-Verhalten der Resonatorzunge 3, das über die Kontakt­ stellen 10 und 11 gemessen wird, registriert und über einen Regelkreis zur Nachführung der Tastspitze entsprechend dem Ober­ flächenprofil benutzt werden. Bei mechanischer Entkopplung der beiden Resonatorzungen 3 und 4 kann die Resonatorzunge 4, die keine Tastspitze enthält und demzufolge ihre Resonanzfrequenz bei Annäherung an die Probenoberfläche nicht ändert, als Refe­ renzresonator benutzt werden.

Die innerhalb des Schichtpaketes liegende Metallschicht 7 ist auf der Mikrotastspitze 5 bis an deren Ende geführt und dient so gleichzeitig als Elektrode zur Realisierung der tunnel­ mikroskopischen Funktion der Sonde.

In die Lichtwellenleiter-Schicht 6 wird über den Spalt zwischen Träger 1 und Resonatorzunge 4 Licht eingekoppelt, das sich in Richtung Tastspitze 5 ausbreitet und über diese auf die zu untersuchende Probe gelangt. Der Lichtweg kann auch in umgekehr­ ter Richtung zur Detektion optischer Signale von der Probe be­ nutzt werden. Mit Hilfe der oben beschriebenen Verfahrensweise, den Abstand der Tastspitze 5 zur Probenoberfläche konstant zu halten, kann die Probenoberfläche unter konstanten Bedingungen optisch untersucht werden.

Claims (10)

1. Mikromechanische, AFM-, STM- und SNOM-taugliche Sonde für die Rastersondenmikroskopie, bestehend aus einem Träger (1) und einem damit verbundenen, als Schichtpaket ausgebildeten Ausleger (2), der mindestens eine Piezoschicht (8), an die eine Wechselspannung angelegt ist, deren Frequenz einer der Resonanzfrequenzen des Auslegers (2) entspricht, und mehrere Metallschichten (7) sowie mindestens eine Lichtleiterschicht (6) enthält, die mit einer am freien Ende des Auslegers (2) angebrachten optisch transparenten Mikrotastspitze (5) lichtleitend verbunden ist.

2. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an die Piezoschicht/en (8) eine Wechselspannung angelegt ist, deren Frequenz mit der Längsresonanz des Ausle­ gers (2) übereinstimmt, und daß die Mikrotastspitze (5) am freien Ende des Auslegers (2) an der Stirnseite der Lichtleiter­ schicht (6) angeordnet ist.

3. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das den Ausleger (2) bildende Schichtpaket als Schichtsystem auf dem oder im Träger (1) fortgeführt ist.

4. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Piezoschicht/en (8) aus Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (AlN) oder einem PZT-Werkstoff bestehen.

5. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Piezoschicht/en (8) des Schichtpaketes am festen Ende des Auslegers (2) beginnend sich nur über einen Teil der Länge des Auslegers (2) erstrecken.

6. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Metallschichten (7; 9) des Schichtpaketes sich nur über einen Teil der Länge des Auslegers (2) erstrecken.

7. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Metallschichten (9) auf der Oberfläche der Piezoschicht (8) stellenweise unterbrochen ist, derart, daß zwei streifenförmige, diametral angeordnete Piezoresonatoren (3; 4) vorliegen, die mit ihrem einen Ende in einem Schwingungsknoten miteinander verbunden sind.

8. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Metallschichten (7) bis an das Ende der Mikrotastspitze (5) geführt ist.

9. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtwellenleiter-Schicht (6) aus einem optisch hochbrechenden Werkstoff, vorzugsweise aus Siliciumcarbid (SiC) besteht.

10. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtwellenleiter-Schicht (6) am freien Ende des Auslegers (2) zur Mikrotastspitze (5) hin verjüngt ist.