DE19601109A1

DE19601109A1 - Zweidimensionale optische Nahfeldlichtquelle

Info

Publication number: DE19601109A1
Application number: DE19601109A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof Dr Ing Mueller; Juergen Prof Dr Rer Na Beuthan
Original assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Priority date: 1996-01-13
Filing date: 1996-01-13
Publication date: 1997-07-17
Also published as: WO1997025644A3; WO1997025644A2

Description

Aufgabenstellung

Es soll ein Verfahren und eine Vorrichtung gefunden werden, mit der die Untersuchungsmethoden der optischen Nahfeldmikroskopie ohne mechanisch bewegte Teile und bei vergrößertem Objektfeld ange wandt werden können.

Stand der Technik

Optische Nahfeldmikroskopie mit piezoelektrisch bewegten ultradünn (< 50 nm) ausgezogener optischer Faser (einzelne Punktlichtquelle). Nano-Lichtquelle nach Prof. Aaron Lewis in Form einer bis auf 50 nm konisch ausgezogenen, endständig mit Anthrazen gefüllten Glaskapillare, die mit einem Argon-Laser angeregt wird.

Erfindungsgemäße Lösung

Erfindungsgemäß wurden zwei Probleme gelöst. Zunächst ist eine Substrataufnahme in Nano-Dimensio nen zu schaffen, um eine zweidimensionale Aufnahme der Excitonen-Generator-Substanz zu gewährleisten. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit laserinduzierten elektromagnetischen Oberflächen wellen (SEW) ein photochemischer Ätzprozeß auf einem geeigneten Material, in einem Ausführungsbei spiel auf Halbleitermaterial, durchgeführt wird. Dazu wird in Anwesenheit von Ätzgas (in einer Ausführungs form He/CH₃Br) über holographische Gitter, vorzugs weise UV-Laserlicht oder anderes Laserlicht, das s- bzw. p-polarisiert ist, in einem für die Abbildung geeigneten Winkel auf das künftige Positionierungs substrat gestrahlt. Im Ergebnis entsteht eine Array- Mulden-Anordnung in der gewünschten Nano-Struktur. In einem zweiten Schritt erfolgt der planparallele Mikroanschliff des Positionierungssubstrats von der inversen Seite so lange, bis der Ätz-Mulden-Anschnitt realisiert ist. Der Mulden-Anschnitt durch den plan parallelen Mikroanschliff wird so lange in die Tiefe geführt, bis die gewünschte Apertur erreicht ist. In die sen Mulden wird dann das excitonenaktive Material, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel Anthrazen, über Lösungsmittel-Verdampfung eingetragen. Damit ist gleichzeitig ein mikroskopischer Objektträger mit Nano-Lichtquellen in 2D-Struktur geschaffen. Auf die sem Objektträger kann dann erfindungsgemäß das zu untersuchende Präparat aufgebracht werden und mit dem zweidimensionalen Nanolichtquellenarray durch strahlt werden.

Das zweite erfindungsgemäß gelöste Problem betrifft die Aufgabe, die Excitonen im Anthrazen oder einem anderen excitonenaktiven Material, z. B. amorphen oder porösen Silicium, durch Laserstrahlung, z. B. mit einem Argon-Ionen-Laser, anzuregen. Diese Excitonen zerfal len ihrerseits an der Grenzfläche am distalen Mul denende zu Photonen. Dazu wird ein der zweidimen sionalen Punktquellenanordnung des Substratträgers entsprechendes Quarzfiberbündel so getapert, bis das distale Ende querschnittsangeglichen ist und dieses dann auf das Trägersubstrat auf bekannte Art und Weise aufgesetzt wird. Die Anregung kann dann über einen elektronenoptischen Laser-Scanner erfolgen. Auch ohne Querschnittsanpassung kann die Anregung direkt durch Einbringung der beschriebenen Anordnung in einem Laser-Scan-Mikroskop realisiert werden. Als aktives Strahlersubstrat sind alle excitonenaktive Sub stanzen einsetzbar. In Weiterführung des Erfindungs gedankens wird diese wie oben beschriebene zweidi mensionale optische Nahfeldlichtquelle im inneren eines Rasterelektronenmikroskopes angeordnet. Die Anregung der Excitonen erfolgt dann erfindungsgemäß mittels des Elektronenstrahls. Der Nachweis der Illumi neszenzstrahlung nach dem Durchtritt durch die auf der zweidimensionalen Nano-Lichtquelle aufgebrachten Probe erfolgt nach dem Stand der Technik mit einem Objektiv hohen Lichtleitwertes hoher Abbildungsgüte.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde in einem Gallium-Arsenid-Halbleiter-Waver eine zweidi mensionale Ätz-Mulden-Struktur mittels SEW-Technik erzeugt. Dazu wurde unter Einfluß von Ätzgas und s-polarisierten UV-Laserlicht mittels holographischer Netzabbildung eine Mulden-Struktur von 335 nm Rastermaß bei ca. 200 nm Muldentiefe in das Träger substrat eingebracht. Die Prinzipdarstellung der reali sierten Geometrie zeigt Fig. 1. Im dargestellten Aus schnitt des Probenträgers (1) sind die Mulden (2) und das in einem zweiten Schritt eingebrachte exitionen aktive Material (3) - in diesem Fall die Molekülkristalle des Anthrazen - sichtbar. Gleichzeitig wird das Ergeb nis des inversen Mikroanschliffes als aperturbestim mende Mulden-Öffnung sichtbar. Die distale Mulden öffnung beträgt in diesem Falle ca. 100 nm. Auf diese Oberfläche ist später eine in 2D-Nano-Struktur zu beleuchtende mikroskopische Probe auflegbar. Die Laserstrahlungsanregung ist dazu von der anderen Seite des 2D-Nano-Strahlers mittels Laser-Scan (4) durchzu führen. Der Argon-Ionen-Laserstrahl (4) trifft auf den Excitonen-Kristall (3). Durch die bekannten Energie- Konversions-Prozesse trifft dann die blaue Strahlung in Probenrichtung (5) aus. Fig. 2 zeigt die prinzipielle Anordnung des 2D-Nano-Strahlers (3) und gleichzeiti gen mikroskopischen Probenhalters im Strahlengang eines inversen Laser-Scan-Mikroskops. Die Anregung mittels Argon-Ionen-Laserstrahls (4) erfolgt beim 2D-Scan-Vorgang. Die Detektion ist auf bekannte Art und Weise über eine Optik (2) unter Einsatz eines Detektor-Arrays realisiert.

Claims

1. Hochauflösende optische Nahfeldmikroskopie und -spektroskopievorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl optischer Nahfeldlichtquellen in Form eines Arrays in einem Silicium-Substrat eingebracht werden und daß die Anregung dieser zweidimensionalen Nahfeldlichtquellen-Array- Anordnung durch ebenfalls zweidimensionales Abtasten mittels einer energiereichen Strahlung erfolgt.

2. Verfahren und Vorrichtung nach (1) dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung Laserstrahlung ist.

3. Verfahren und Vorrichtung nach (1) dadurch gekennzeichnet, daß die energiereiche Strahlung ein Elektronenstrahl ist.

4. Verfahren und Vorrichtung nach (1-3) dadurch gekennzeichnet, daß zur Strahlungskonversion und -erzeugung der Nano-Lichtquelle ein Molekülkristall, wie z. B. Anthrazen, mit hinreichend großem Abstand ver wendet wird.

5. Verfahren und Vorrichtung nach (1-3) dadurch gekennzeichnet, daß zur Energiekonversion amorphes und poröses Silicium selbst verwendet wird.

6. Verfahren und Vorrichtung nach (1) dadurch gekennzeichnet, daß in Nano-Strukturen das Array aus beliebigen bearbeitbaren Materialien ohne Photonentrans porteigenschaften im energetisch bestimmenden Bereich besteht.

7. Verfahren und Vorrichtung nach (1) dadurch gekennzeichnet, daß die Strahleranordnung im Trägersubstrat eine durch optische und Ätzverfahren realisierbare beliebige 2D-Strukturiertheit aufweist.

8. Verfahren und Vorrichtung nach (1) dadurch gekennzeichnet, daß auf die Anregungsseite der excitonenaktiven Strahlermaterialien ein querschnittsvarianter Photonen leitender Taper in 2D-Struktur aufge bracht wird.