DE19546860A1 - Vorrichtung zur Messung der Relativbewegung zwischen einer Sonde und einem Sondenkopf bei der Rastersondenmikroskopie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Schwingungsamplitude und/oder -freguenz und/oder -phase einer lateral schwingenden Sonde relativ zu einem Sondenkopf in einer optischen Rastervorrichtung, insbesondere einem Rastersondenmikroskop, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Rastersondenmikroskopen werden die Sonde und die Probe zeilenförmig beziehungsweise rasterförmig gegeneinander bewegt. Während dieser Rasterbewegung wird die mittels der Sonde gemessene physikalische Größe, zum Beispiel eine auf die Sonde ausgeübte Kraft oder eine lokale optische Eigenschaft, aufgezeichnet und schließlich zu einer Abbildung der Probe zusammengesetzt. Dabei ist es erforderlich, den Abstand zwischen der Sonde und der Probe von typischerweise 10-20 nm während der gesamten Messung auf etwa 1 nm genau konstant zu halten, unabhängig von der Topographie der Probe.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um den Abstand zwischen der Sonde und der Probe zu messen und gegebenenfalls einzuregulieren.

Aus der optischen Nahfeldmikroskopie kommt die Idee der Abstandsmessung durch Scherkraftdetektion. Bei dieser Methode wird die Sonde in laterale Schwingungen versetzt, und die Dämpfung dieser Schwingung beim annähern an die Probe wird als Maß für den Abstand zwischen Sonde und Probe verwendet. (Vergleiche E. Betzig, P. L. Finn, J. S. Weiner: Applied Physics Letters 60 (20), (1992), 2484-2486). Um diese Dämpfung letztlich bestimmen zu können, muß die Amplitude der Frequenz der Schwingbewegung der Sonde relativ zu einem Ruhepunkt, beispielsweise zu ihrer Aufhängung im Sondenkopf, gemessen werden.

Es ist bekannt, daß dieses mit einem optischen Aufbau bewerkstelligt werden kann, bei dem ein Laserstrahl auf die (schwingende) Sonde fokussiert wird und das dabei entstehende Beugungsbild der Sonde anschließend betrachtet und ausgewertet wird (A. Shchemelin, M. Rudman, K. Lieberman, A. Lewis: Review of Scientific Instruments Vol. 64 (12), Dec. 1993, 3538/3541). Um einen einwandfreien Meßprozeß zu gewährleisten, muß die Sonde während der gesamten Rasterbewegung im Fokus des Laserstrahls gehalten werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Sondenkopf mit Sonde und der optische Aufbau zur Beobachtung der Sonde ortsfest und unbeweglich installiert sind und die Probe relativ hierzu bewegt wird (vergleiche A. Shchemelin, et al a.a.O.). Für eine Reihe von Anwendungsfällen, bei denen zum Beispiel die Probe nicht bewegt werden kann, weil sie zu groß ist oder fest auf einem anderen Gerät, zum Beispiel einem optischen Mikroskop oder einer Heizplatte aufliegt, ist dieses Verfahren jedoch ungeeignet.

Im Hinblick auf die vorgenannte Problematik sind ferner bereits Geräte gebaut worden, bei denen der Sondenkopf die Rasterbewegung ausführt, während der übrige Aufbau einschließlich der Probe ortsfest bleibt. Damit ist jedoch der Nachteil verbunden, daß der maximale Rasterbereich, in dem der Sondenkopf bewegt werden kann ohne den Fokus des ortsfesten Laserstrahls zu verlassen, auf einen Bruchteil des Durchmessers des Fokus des Laserstrahls - typischerweise einige Mikrometer - beschränkt ist (vergleiche I. Hörsch, R. Kusche, O. Hollricher, O. Kirschenhofer, O. Marti, R. Sieber, G. Krauch, J. Mlynek: Proceedings zum NATO-Workshop "Photons and Local Probes", Reichenau 1994, im Druck).

Es ist weiterhin ein Gerät bekannt, bei dem das vorgenannte Problem dadurch umgangen wird, daß die Sonde in einer Linse montiert ist, die den Fokus während der Rasterbewegung auf der Sondenspitze hält. Der auf den Rand der Linse auftreffende Laserstrahl wird auf die Sondenspitze fokussiert und das an der Probenoberfläche reflektierte Beugungsbild der Spitze wird dann über den gegenüberliegenden Rand der Linse auf einem Detektor abgebildet (vergleiche: I. Hörsch et al a.a.O.). Dieses Verfahren hat jedoch ebenfalls gravierende Nachteile: Dadurch, daß eine Reflektion an der Probenoberfläche zur Abbildung der schwingenden Sonde herangezogen wird, ist das Meßsignal von den optischen Eigenschaften der Probenoberfläche abhängig, was die Benutzung dieses Verfahrens zur Abstandsregelung in einem Rastersondenmikroskop nur bei optisch homogenen Probenoberflächen gestattet. Darüberhinaus ist hierbei die Justage des Strahlengangs nur möglich, wenn die Sonde bereits bis auf etwa einen Mikrometer an die Probenoberfläche angenähert ist. Diese erste Annäherung ist jedoch ohne einen bereits funktionierenden Abstandsmeßmechanismus kaum möglich, so daß die Justage, die bei jedem Austausch der Sonde erforderlich ist, zu einem kaum lösbaren Problem wird. Schließlich ist die Verwendung eines achsfernen Strahlengangs problematisch, da in diesem Bereich Linsenfehler besonders groß sind, was wiederum der Erzeugung eines kleinen Fokusses erschwert.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, eine Vorrichtung zur Messung der vertikalen Relativbewegungen zwischen einer lateral schwingenden Sonde und einer Probenoberfläche bzw. einem Sondenkopf anhand der Schwingungsänderung bereitzustellen, mit der die Amplitude und/oder Frequenz der Lateralschwingungen der Sonde unter Verwendung einer laseroptischen Anordnung gemessen wird, während diese Sonde rasterförmig über die Probe geführt wird, wobei die Sonde unabhängig von ihrer Rasterbewegung immer im Fokus des Laserstrahls steht, und wobei das laseroptische System von der Probenoberfläche unabhängig ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmalskombination gelöst.

Der Kern dieser Lösung besteht gewissermaßen darin, die Sonde so im Strahlengang der gesamten Optik zu montieren, daß sie über die Probenoberfläche geführt und diese Schritt für Schritt abtasten bzw. abrastern kann und dabei trotzdem immer im Fokus des Laserstrahls bleibt, ohne daß das optische System zur Detektion der Sonde von der Probenoberfläche bzw. der Probe selbst abhängig ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei soll u. a. ein kleiner Fokusdurchmesser an der Sonde erreichbar sein; außerdem ist es wünschenswert, daß der optische Strahlengang vollständig außerhalb des Sondenkopf justierbar ist, und schließlich soll ein möglichst unbeschränkter Raum auch für große Proben oder Proben in Verbindung mit anderen Geräten frei bleiben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Auswirkungsbeispiels, das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, näher beschrieben. Diese zeigen in

Fig. 1 dem Gesamtaufbau eines Rastersondenmikroskops, das in Verbindung mit einem konventionellen invertierten optischen Mikroskop und einem Photomultiplier als optisches Nahfeldmikroskop konzipiert ist;

Fig. 2 einen Nahfeldmikroskopaufsatz nach Fig. 1 mit einem Sondenkopf und einem optischen Aufbau zur Detektion der Sonde;

Fig. 3 einen Sondenkopf in Vorderansicht und in entsprechender Querschnittsdarstellung, sowie als Explosionszeichnung;

Fig. 4 den Sondenkopf nach Fig. 3 in Seitenansicht und in entsprechender Querschnittsdarstellung, sowie ebenfalls als Explosionszeichnung;

Fig. 5 ein erstes Ausführungsbeispiel für den Strahlengang im Nahfeldmikroskopaufsatz nach Fig. 1 und Fig. 2;

Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Strahlengang im Nahfeldmikroskopaufsatz nach Fig. 1 und Fig. 2;

Fig. 7 ein Demonstrationsbeispiel für den Strahlengang des ersten Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 bei einer Rasterbewegung.

(Bezugnehmend auf die Gesamtheit der Figuren sei angemerkt, daß gleiche Bauteile stets mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.)

Das in Fig. 1 dargestellte Rastersondennahfeldmikroskop enthält eine Glasfaser 36, deren eines Ende in an sich bekannter Weise (vergleiche E. Betzig, J. K. Trautman, T. D. Harris, J. S. Wiener, R. L. Kostalek: Science 251, (1991), 1468) als optische Sonde 1 präpariert ist (vergleiche Fig. 3/4/5). Dabei wird die Glasfaser 36 zunächst mittels eines Pipettenziehgeräts zu einer Spitze ausgezogen und anschließend in einem Aluminium-Dampfstrahl beschichtet. Diese Sonde 1 (vgl. insbesondere Fig. 2) ist in einem Sondenkopf 8 angeordnet, der über eine Piezokeramikröhre 16 mit einem Träger 17 verbunden ist. Die Piezokeramikröhre 16 dient als Stellelement, mit dem der Sondenkopf 8 in alle drei Raumrichtungen bewegt werden kann, ohne daß der Sondekopf 8 dabei verkippt wird (vergleiche Fig. 7). An dem Träger 17 sind zwei manuell verstellbare Feingewindeschrauben 28, 19 und eine elektrisch verstellbare Feingewindeschraube 30 befestigt, mittels derer der Träger 17 samt Sondenkopf 8 und Sonde 1 grob an die Probenoberfläche 15 angenähert werden kann.

Die beiden manuell verstellbaren Schrauben 28, 29 sind auf manuell verstellbaren Verschiebetischen 31, 32 gelagert, die zur groben lateralen Positionierung des Trägers mit Sondenkopf 8 und Sonde 1 dienen.

Die Rasterbewegung der Sonde 1 über der Probenoberfläche 15 kann visuell mit Hilfe eines im Stand der Technik bekannten einen Photomultiplier 34 umfassenden Inversmikroskops 33 beobachtet werden.

In Fig. 2 ist die Anordnung der optischen Elemente in dem Rastersondennahfeldmikroskop 35 näher dargestellt. Auf dem Träger 17 ist eine Laserdiode 18 auf einem xy-Verschiebetisch 19 angeordnet. Das von der Laserdiode 18 emittierte Licht wird mittels einer verschiebbaren Linse 20 ins unendliche fokussiert. In dem Strahlengang ist ein Umlenkprisma 22 auf einem Prismentisch 21 angeordnet, das die (hier nicht dargestellten) parallelen Beleuchtungsstrahlen 13 durch das Innere der Piezoröhre 16 auf den Sondenkopf 8 lenkt, wo sie auf die Sonde 1 oberhalb der Probenoberfläche 15 fokussiert werden. In dem Strahlengang der von der Sonde zurückkommenden, den Sondenkopf 8 und die Piezoröhre 16 parallel verlassenden Detektionsstrahlen 14 (hier nicht dargestellt) ist ein zweites Umlenkprisma 23 auf einem Prismentisch 24 angeordnet. Durch dieses Umlenkprisma 23 werden die Detektionsstrahlen 14 auf eine zweite verschiebbare Linse 25 gelenkt, die die Strahlen bündelt, und auf dem auf einem Verschiebetisch 26 angeordneten Detektor 27, beispielsweise einer Photodiode, abgebildet.

Der Verlauf der Beleuchtungsstrahlen 13 und Detektionsstrahlen 14 durch die Piezoröhre 16, den Sondenkopf 8 und die Sonde 1 ist in Fig. 5 im einzelnen dargestellt. Das von der Laserdiode 18 emittierte und durch die verschiebbare Linse 20 parallel gebündelte Licht wird durch das Umlenkprisma 22 in die Piezoröhre 16 hinein und parallel zu ihrer Längsachse auf den Sondenkopf 8 gelenkt. In dem Sondenkopf 8 ist eine Fokussierlinse 11 im Strahlengang der Beleuchtungsstrahlen 13 ausgebildet, die die ankommenden Strahlen bündelt und durch ein Umlenkprisma 9 auf die Sonde 1 fokussiert. Die von der Sondenspitze abgehenden Detektionsstrahlen 14 treffen auf ein in ihrem Strahlengang angeordnetes Umlenkprisma 10, das die Detektionsstrahlen 14 auf eine Fokussierlinse 12 lenkt, wo sie parallel zueinander und zur Achse der Piezoröhre 16 gebündelt werden, so daß sie durch den Sondenkopf 8 und die Piezoröhre 16 hindurch zurücklaufen. Am oberen Ende der Piezoröhre 16 ist ein weiteres Umlenkprisma 23 im Strahlengang der Detektionsstrahlen 14 angeordnet, das die Detektionsstrahlen 14 auf eine verschiebbare Linse 25 umlenkt, die die Strahlen bündelt und auf den Detektor 27 fokussiert. Anstelle der Linse 25 kann auch ein Spiegel ausgebildet sein, um das Beugungsbild der Sonde 1 auf dem Detektor 27 abzubilden.

Wird nun der Sondenkopf mittels der Piezoröhre zur Rasterung bewegt, - siehe Fig. 7 - so bleiben Linse und Sonde in ihrer Anordnung zueinander davon unberührt; die Sonde liegt stets im Fokus des Laserstrahls. Durch die Rasterbewegung Δx der Piezoröhre 16 mit Sondenkopf 8 und Linsen 11, 12, kommt es zwar zu einer leichten Verschiebung zwischen den einfallenden Beleuchtungsstrahlen 13 und dem Linsenmittelpunkt, so daß die einfallenden Beleuchtungsstrahlen 13 außerhalb der Mitte unter einem Winkel tan α = Δx/f auf die Sonde 1 auftreffen, was aber für das Beugungsbild und damit das Regelsignal ohne Bedeutung ist.

In Fig. 3 und Fig. 4 ist der Aufbau eines Sondenkopfes 8 näher dargestellt. Auf dem Sondenkopf 8 sind zwei Umlenkprismen 9, 10 und zwei Fokussierlinsen 11, 12 angeordnet. Diese Linsen 11, 12 sind so bemessen (vgl. Fig. 5), daß die Sonde 1 in ihrem gemeinsamen Brennpunkt 37 liegt. Das Umlenkprisma 9 lenkt die Beleuchtungsstrahlen 13 so um, daß diese parallel zur Oberfläche der Probe 15 verlaufen und insbesondere diese nicht berühren. Die von der Sonde 1 abstrahlenden Detektionsstrahlen 14 werden von dem Umlenkprisma 10 eingefangen und auf die Fokussierlinse 11 gelenkt, wo sie gebündelt und parallel zur Achse der Piezoröhre 16 ausgerichtet werden.

Diese Sonde 1 selbst ist in einer Glasröhre 2 angeordnet, die mittels einer Schraube 3 in einer Haltevorrichtung 4 eingeklemmt ist. Dadurch ist ein einfaches Austauschen der Sonde 1 möglich. Die Haltevorrichtung 4 ist mit einem Plättchen 5 aus Piezokeramik verbunden, an dem zwei Kontaktdrähte 6,7 ausgebildet sind (vergleiche Fig. 4). Durch Anlegen einer auf die Resonanzfrequenz der Sonde 1 abgestimmten Wechselspannung kann diese Sonde 1 zu lateralen Eigenschwingungen angeregt werden.

Das Piezo-Plättchen 5 mit der Sonde 1 ist an der zur Probenoberfläche 15 hinweisenden Stirnfläche des Sondenkopfes 8 befestigt.

Der Sondenkopf 8 ist über eine an sich bekannte 8-fach segmentierte Piezokeramikröhre 16 mit dem Nahfeldmikroskopaufsatz 17 verbunden (vergleiche Fig. 2).

Fig. 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Strahlengangs. Das von der Laserdiode 18 ausgesandte Licht wird durch eine Linse 39 gebündelt und parallelisiert auf einen Strahlteilerwürfel 37 gelenkt, der die Beleuchtungsstrahlen 13 abwinkelt und (in vorliegender Zeichnung nach unten) in Richtung Sondenebene reflektiert. In der Ebene der Sonde 1 ist im Strahlengang dieser reflektierten Beleuchtungsstrahlen 13 ein Umlenkprisma 22 angeordnet, das die Strahlen auf eine Fokussierlinse 11 umlenkt, die die Strahlen auf die Sonde 1 fokussiert. Hinter der Sonde 1 ist spiegelbildlich zu der Fokussierlinse 11 ein Konkavspiegel 38 vorgesehen, der die von der Sonde 1 abgehenden Detektionsstrahlen 14 reflektiert und auf die Sonde 1 zurückfokussiert. Von dort laufen die Detektionsstrahlen 14 auf demselben Weg wie die Beleuchtungsstrahlen 13, jedoch in umgekehrter Richtung über das Umlenkprisma 22 bis zu dem Strahlteilerwürfel 37. Der Strahlteilerwürfel 37 lenkt die auftreffenden Detektionsstrahlen 14 - abweichend vom Gang der Beleuchtungsstrahlen 13 - auf eine verschiebbare Sammellinse 25, die die Strahlen auf den Detektor 27 fokussiert.

Ganz allgemein läßt sich im Hinblick auf die vorliegende Erfindung noch folgendes anmerken:

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Scherkraftdetektion bei einer Sonde in der optischen Nahfeldmikroskopie mit freistehender Geometrie, wobei die Detektion unabhängig von der Rasterbewegung und unabhängig von den optischen Eigenschaften der Probe erfolgt. Darüberhinaus ist das gesamte optische System inklusive der Sonde leicht, d. h. insbesondere unabhängig von der jeweils zu mikroskopierenden Probe, zu justieren.

Der Rasterbereich ist nun nur noch durch die Größe der Piezoröhre und die Toleranzen beim Bau der Sonden beschränkt. In Verbindung mit Untersuchungen an Prototypen konnte ein Rasterbereich von 25×25 µm realisiert werden, was gegenüber dem Stand der Technik eine Verbesserung um einen Faktor von 25 darstellt.

Bezugszeichenliste

1 Sonde
2 Mikropipettenröhrchen
3 Schraube
4 Haltevorrichtung
5 Piezoplättchen
6 Kontaktdraht
7 Kontaktdraht
8 Sondenkopf
9 Umlenkprisma
10 Umlenkprisma
11 Fokussierlinse
12 Fokussierlinse
13 Beleuchtungsstrahl
14 Detektionsstrahl
15 Probenoberfläche
16 Piezoröhre
17 Träger
18 Laserdiode
19 xy-Verschiebetisch
20 verschiebbare Linse
21 Prismentisch
22 Umlenkprisma
23 Umlenkprisma
24 Prismentisch
25 verschiebbare Linse
26 Verschiebetisch
27 Detektor
28 manuell verstellbare Schraube
29 manuell verstellbare Schraube
30 elektrisch verstellbare Schraube
31 Verschiebetisch
32 Verschiebetisch
33 Inversmikroskop
34 Photomultiplier
35 Rastersonden-Nahfeldmikroskop
36 Glasfaser
37 Brennpunkt
38 Strahlteilerwürfel
39 Konkavspiegel
40 Linse.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Messung der Schwingungsamplitude und/oder -freguenz und/oder phase einer lateral schwingenden Sonde relativ zu einem Sondenkopf in einer optischen Rastervorrichtung, bei der die Sonde mittels des Sondenkopfes über eine stationär angeordnete Probe geführt ist und der Abstand zwischen Sonde und Probenoberfläche nach der Methode der Scherkraftdetektion reguliert wird, mit einem optischen System, bei dem ein Lichtstrahl auf die Sonde fokussiert wird und das an der Sonde entstehende Beugungsbild in einem Detektor detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussieroptik einerseits und die Abbildungsoptik andererseits so im Sondenkopf (8) integriert sind, daß die Sonde (1) während der Rasterbewegung an jedem Koordinatenpunkt im gemeinsamen Brennpunkt der beiden optischen Systeme liegt, und daß der Strahlengang außerhalb der Probe (15) verläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Nahfeldmikroskop integriert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussieroptik und die Abbildungsoptik jeweils aus einer Sammellinse (11, 12) und einem Umlenkprisma (9, 10) bestehen, die so aufeinander abgestimmt sind, daß das jeweilige Umlenkprisma (9, 10) die optische Achse der dazugehörigen Linse (11, 12) derart umlenkt, daß der Brennpunkt der betreffenden Linse (11, 12) an der Sonde (1) zu liegen kommt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkopf (8) über ein Stellelement zur Bewegung des Sondenkopfes (8) mit dem Träger (17 des externen Aufbaus verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Laserquelle abgesandten Beleuchtungsstrahlen (13) mittels einer Linse (20) und eines Umlenkprismas (22) in das Stellelement , parallel zu dessen Längsachse gelenkt werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement eine 8-fach segmentierte Piezokeramikröhre (16) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) eine Glasfaserspitze ist, die durch ein Piezokeramikplättchen (5) zu Eigenschwingungen anregbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Träger (17) Stellelemente (28, 29, 30) zur Annäherung des Sondenkopfes (8) an die Probenoberfläche (15) eingebaut sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (17) auf Lateral- Positioniereinrichtungen (31, 32) gelagert ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle Elemente in einem durch die Ebene der Probenoberfläche (15) definierten Halbraum angeordnet sind.