DE19928338C1 - Verfahren zur räumlichen und zeitlichen Abtastung ultraschneller elektrischer Signale einer Probe mittels einer Cantileversonde aus Halbleitermaterial für die Rastersondenmikroskopie - Google Patents

Abstract

Es werden ein Verfahren zur räumlichen und zeitlichen Abtastung ultraschneller Signale einer Probe und ein Verfahren zur Erzeugung ultraschneller elektrischer Signale beschrieben, wobei eine Cantileversonde aus Halbleitermaterial zum Einsatz kommt, die eine Leiterbahnstruktur mit einem photoleitenden Schalter aufweist, der durch Einwirkung von Licht betätigbar ist. Zur Abtastung der ultraschnellen Signale weist der photoleitende PL-Schalter eine im wesentlichen stufenartige Übertragungsfunktion auf, wobei das von einer Auswerteelektronik detektierte Faltungssignal des PL-Schalters einer Differentiation unterworfen wird. Das Verfahren zur Erzeugung ultraschneller elektrischer Pulse zeichnet sich dadurch aus, daß der photoleitende PL-Schalter eine im wesentlichen stufenartige Übertragungsfunktion aufweist, wobei man zwischen wenigstens zwei Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur ein Potential anlegt und das vom photoleitenden PL-Schalter erzeugte Signal einer Differentiation unterzogen und in die Probe eingekoppelt wird. Schließlich wird auch eine Cantileversonde zur Durchführung der Verfahren beschrieben, bei der die Leiterbahnstruktur durch eine Wellenleitung mit einem integrierten photoleitenden Schalter gebildet ist (Abbildung 11a).

Description

Beschrieben wird ein verbessertes Verfahren inklusive der dazu erforderlichen Sonden zur lokalen Untersuchung von zeitlich veränderlichen Prozessen, wie z. B. ultraschnellen elektrischen Signalen auf aktiven oder passiven elektrischen Bauelementen. Das Verfahren erlaubt es, mit Femtosekunden zeitlicher und sub- Mikrometer räumlicher Auflösung Signale zu detektieren. Das neue Verfahren verwendet dazu einen einseitig eingespannten Biegebalken (im folgenden Cantilever genannt) als Sonde, der sowohl im Kontakt mit dem zu untersuchenden Objekt - im Folgenden als Probe bezeichnet - als auch berührungslos betrieben werden kann.

Auf dem Cantilever integriert befindet sich eine spezielle Leiterbahnstruktur, die mit einem photoleitenden Schalter (im folgenden PL-Schalter genannt), versehen ist. Der PL-Schalter kann durch einen gepulsten Lichtstrahl elektrisch leitfähig gemacht werden. Die Lichtpulse sind mit dem Operationszyklus der zu untersuchenden Schaltung synchronisiert, die auch selbst wieder über einen PL-Schalter und die gleiche oder eine andere synchronisierte Lichtquelle betrieben werden kann. Über eine Zeitverzögerung kann die Einschaltzeit des Schalters gegenüber dem Probensignal verzögert werden. Das Sondensignal wird dann als Funktion dieser Zeitverzögerung aufgezeichnet. Mit diesem Verfahren lassen sich lokale elektrische Signale mit sub- Pikosekunden zeitlicher Auflösung untersuchen.

Durch das Rastern des Cantilevers bei fester Probe oder der Probe bei fester Cantilever-Position läßt sich ein zeitlich veränderlicher Prozeß gleichzeitig räumlich und zeitlich auflösen. Z. B. können Feldverteilungen sich ausbreitender elektrischer Pulse untersucht und dargestellt werden.

Ferner kann das neue Verfahren dazu verwendet werden, ultrakurze elektrische Signale mit Hilfe der Cantileversonde zu erzeugen und auf elektrische Schaltungen oder Bauelemente zu übertragen. Die Signale können lokal an jeder dem Cantilever zugänglichen Position auf dem Bauelement injiziert werden. Auch dieses Verfahren wird hier beschrieben.

Ferner wird gezeigt, wie die vorgestellte Sonde zur Pulserzeugung und zur anschließenden Detektion des an der Cantileverspitze reflektierten Signals eingesetzt werden kann. Das reflektierte Signal enthält Informationen über die elektrischen und dielektrischen lokalen Eigenschaften der Probe.

Zur elektrischen Charakterisierung von ultraschnellen Bauelementen im Zeitbereich wurde bereits die Abtastmethode mit photoleitenden (PL) Schaltern eingesetzt. Solche Signalabtastverfahren werden verwendet, um hochfrequente periodische Vorgänge untersuchen zu können, die von einem Signalaufnehmer nicht mehr kontinuierlich detektiert werden können, da die Bandbreite des Signalaufnehmers nicht ausreichend ist. Hierbei werden die Meßsignale so umgeformt, daß ihre Kurvenform zwar der ursprünglichen entspricht, das umgeformte Signal aber viel niederfrequenter dargestellt wird. Eine Einschränkung ist, daß nur periodische bzw. repititive Signale verarbeitet werden können. Diese Verfahren werden in Sampling- oder Abtastoszilloskopen angewandt. Bei dem Sampling- Verfahren handelt es sich um ein Meßprinzip, bei dem das Meßsignal nicht kontinuierlich erfaßt wird, sondern zu bestimmten Zeitpunkten Proben (engl: samples) entnommen werden. Die Augenblickswerte werden aus verschiedenen Perioden des Meßsignals entnommen und dann mit ihrer richtigen Lage innerhalb einer Periode zum Signalbild zusammengesetzt und zeitlich richtig dargestellt. Der Vorteil des Abtastverfahrens im Vergleich zur direkten Meßwertdarstellung liegt darin, daß die physikalisch bedingte Grenzfrequenz der Signalaufnehmer nicht mehr ausschlaggebend für die Darstellung des Meßwerts ist, da während der gesamten Periodendauer des Meßsignals z. B. nur ein einziger Meßwert angezeigt werden muß. In Abb. 1a) ist die Abtastung eines periodischen Signals dargestellt. Von dem zu messenden Signal u₁ mit Periodendauer T (im Folgenden als Probensignal bezeichnet) werden Proben mit einer Wiederholrate T + τ entnommen, wobei τ eine variable Zeitverzögerung ist. Die Abtastung liefert in Abhängigkeit der Verzögerungszeit τ den zeitlichen Verlauf des abgetasteten Meßsignals in (zeitlich) gedehnter Form, wie in Abb. 1b) dargestellt. Für elektrische Signale auf einer piko- und subpikosekunden Zeitskala sind ultraschnelle Schalter grundlegende Elemente. Ein ultraschneller Schalter - der sogenannte PL-Schalter - läßt sich realisieren, indem ein gepulster optischer Pumpstrahl zwischen zwei Leiterbahnen einer Wellenleiterstruktur auf einem halbleitenden Substratmaterial fokussiert wird. Angeregte Ladungsträger formen dort eine leitende Verbindung zwischen den Leiterbahnen. Entsprechend ihrer Lebensdauer rekombinieren diese wieder und heben somit die leitende Verbindung wieder auf. Kleinste Schaltzeiten von etwa 0.5 ps wurden bislang erreicht [4]. Der PL-Schalter kann sowohl für die Pulserzeugung wie auch für die Signaldetektion verwendet werden. Bei der Erzeugung kurzer Pulse wird der PL-Schalter dazu verwendet, optische in elektrische Pulse zu transformieren. Bei der Signaldetektion wird der PL-Schalter zur Entnahme kurzer Proben eines zeitveränderlichen Signals verwendet. Wird nun dieser PL- Schalter mit einer optischen Pulsfolge bestrahlt, so lassen sich ähnlich wie in einem Sampling-Oszilloskop periodische Signale einer Probe durch Variation der Zeitverzögerung zwischen Schalter und Probensignal abtasten.

In EP 0 324 110 A2 und EP 0 559 274 A2 wurde daher vorgeschlagen, einen PL-Schalter in einen konventionellen makroskopischen Tastkopf zu integrieren. Diese Tastköpfe wurden optimiert, um einen möglichst einfachen Zugriff auf im Layout der Schaltung festgelegte Testpunkte zu haben und dort Signale abnehmen zu können. Um einen Zugriff auf beliebige Stellen eines Bauelementes mit erhöhter lateraler Auflösung zu erhalten, wurde diese Methode in ein Rastersondenmikroskop implementiert (US 5,416,327 A, US 5,442,300 A). Dazu wurde der PL-Schalter auf einem einseitig eingespannten Biegebalken (Cantilever) integriert. Um Probensignale eines Bauelementes zu untersuchen, wird die Spitze des Cantilevers in die Nähe des Bauelementes gebracht. Die Positionierung erfolgt dabei analog zur wohlbekannten Rasterkraftmikroskopie (RKM). Dabei kann der Cantilever im Kontakt mit der Probe sein, oder aber auch dicht über der Oberfläche positioniert werden. Dort wird ein Teil der Pulsenergie über eine Elektrode dem PL-Schalter auf dem Cantilever zugeführt. Abhängig vom Probenpotential fließt über den PL-Schalter ein Strom bis die durch den Lichtpuls erzeugte Ladungsträgerdichteverteilung des Materials abgeklungen ist. Bei dieser Abtasttechnik wird die zeitliche Auflösung durch Verändern der Verzögerungszeit zwischen Signalerzeugungs- und Abtastpuls erhalten. Das gemessene Signal ist ein zeitlich gemittelter, von der Verzögerungszeit abhängiger Strom, der ein Maß für die Probenspannung ist [1, 2, 3].

Die optischen Pulse werden zu dem PL-Schalter auf dem Cantilever mit Hilfe einer Freistrahloptik gebracht. Eine flexiblere Anordnung nutzt für die Übertragung eine Glasfaser. Um die Faser parallel zur Oberfläche des Cantilevers montieren zu können, wird das Faserende unter einem Winkel von etwa 45° poliert oder gebrochen, so daß das Licht durch den Fasermantel ausgekoppelt wird (EP 0 559 274 A2).

Durch die Verwendung des PL-Schalters als "Sliding Contact"- Anordnung [4, 3] zwischen den beiden Elektroden einer Transmissionsleitung wird eine unerwünschte Impedanzdiskontinuität vermieden, wie sie bei einer in-line Anordnung des Schalters (US 5,416,327 A, US 5,442,300 A) entstehen würde.

Der PL-Schalter kann allerdings auch in umgekehrter Richtung als Generator für elektrische Pulse benutzt werden [5, 6]. Dazu müssen lediglich die beiden Elektroden des PL-Schalters vorgespannt werden. Jetzt führt die Anregung mit optischen Pulsen zu elektrischen Pulsen, die sich in beide Richtungen, entlang einer mit dem PL-Schalter verbundenen Wellenleitung ausbreiten. Diese Signale können, z. B. zur Charakterisierung von elektronischen Schaltungen oder Strukturen, auf ein zu untersuchendes Objekt gegeben werden.

In der JP 09203770 A ist ein bekannter Aufbau eines metallbeschichteten Cantilevers mit einem üblichen photo­ leitenden Schalter beschrieben. Die Metallbeschichtung der Spitze des Cantilevers ist erforderlich, um Kontaktmessungen am Bauelement durchführen zu können und soll eine erhöhte Stabilität liefern. Der Abtastvorgang beruht auf der konventionellen Abtastung inklusive einer Heterodyntechnik zur Signaldetektion.

Ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit extrem hoher zeitlicher Auflösung anzugeben.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß der photoleitende PL-Schalter eine im wesentlichen stufenartige Übertragungsfunktion aufweist, das von einer Auswerteelektronik erfaßte Faltungssignal des PL-Schalters eine Faltung zwischen dem elektrischen Signal und der stufenartigen Übertragungsfunktion ist und das Faltungssignal oder das elektrische Signal einer Differentiation unterworfen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Die Erfindung betrifft auch weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung ultraschneller elektrischer Pulse beispielsweise in einer Probe mittels einer Cantileversonde aus Halbleitermaterial, die eine Leiterbahnstruktur mit einem photoleitenden Schalter (PL-Schalter) aufweist, der durch Einwirkung von Licht betätigt wird.

Dieses bekannte Verfahren soll dahingehend verbessert werden, daß ultrakurze Pulse mittels der Cantileversonde erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß der photoleitende PL-Schalter eine im wesentlichen stufenartige Übertragungsfunktion aufweist, wobei man zwischen wenigstens zwei Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur ein Potential anlegt und das vom photoleitenden PL-Schalter erzeugte Signal einer Differentiation unterzogen und in die Probe eingekoppelt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen 10 bis 12 angegeben.

Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Cantileversonde zur Durchführung eines der vorhergehenden Verfahren, wobei die Leiterbahnstruktur durch eine Wellenleitung mit einem integrierten photoleitenden Schalter gebildet ist.

Von Vorteil sind auf der Cantileversonde zwei, drei oder mehrere, gegebenenfalls nicht planare Leitungselektroden angeordnet, wobei bevorzugt zwischen benachbarten Leitungselektroden ein photoleitender Schalter integriert ist.

In dem zu beschreibenden Verfahren wird ein, auf einer Cantileversonde integrierter PL-Schalter zur Abtastung ultraschneller elektrischer Signale benutzt. Das Prinzip des PL-Schalters beruht darauf, den elektrischen Widerstand eines geeigneten Materials (üblicherweise halbleitende Materialien wie z. B. low temperature Galliumarsenid) zwischen zwei Metallelektroden auf dem Cantilever durch die Einwirkung optischer Strahlung ausreichender Photonenenergie deutlich zu vermindern und somit einen ultraschnellen elektrischen Schalter zu realisieren. Wird anstelle von Einzelpulsen eine optische Pulsfolge vorgegeben, so kann, ähnlich wie in einem Sampling Oszilloskop ein periodisches elektrisches Signal abgetastet werden. Bei dieser Abtasttechnik wird die zeitliche Auflösung durch Verändern der Verzögerungszeit zwischen Signalerzeugungspuls und Abtastpuls erreicht. Das erhaltene Meßsignal ist ein zeitgemittelter, von der Verzögerungszeit abhängiger Strom. Um lokal elektrische Signale einer Probe aufnehmen zu können, wird eine Mikrowellenleitung in den Cantilever integriert über die das Probensignal zum PL-Schalter gelangt, um dort abgetastet zu werden. Die zeitliche Auflösung solcher Abtastverfahren ist durch die kleinste erreichbare Öffnungszeit des PL-Schalters, d. h. die Summe aus Anstiegs- und Abklingzeit, begrenzt. Um eine möglichst hohe zeitliche Auflösung zu erreichen, wäre es wünschenswert diese zu minimieren, um eine Abtastung mit quasi δ-Impulsen zu erreichen. Die Öffnungszeit eines PL-Schalters ist im wesentlichen durch die Summe von Anstiegs- und Abfallzeit definiert, wobei die Abfallszeit durch die Rekombinationsprozesse des Halbleitermaterials bestimmt ist und damit deutlich größer ausfällt, als die Anstiegszeit, die durch den optischen Absorptionsprozeß bestimmt ist. Bei dem neuen Verfahren wird das Probensignal mit einem PL-Schalter abgetastet, der keine pulsförmige sondern eine stufenförmige Übertragungsfunktion aufweist. Das Meßsignal ergibt sich in diesem Fall als Faltung zwischen der Übertragungsfunktion des PL-Schalters mit der zeitlichen Ableitung des Probensignals. Die Differentiation des Probensignals kann durch einen, direkt auf dem Cantilever realisierten Differentiator, oder auch erst bei der Signalauswertung erfolgen. Die zeitliche Auflösung dieses Verfahrens wir nur durch die kurze Anstiegszeit des Schalters begrenzt.

Dieses Prinzip kann ebenso für die Generation ultraschneller elektrischer Pulse benutzt werden. Ähnlich wie bei der Signaldetektion wird die Spitze des Cantilevers bei der Pulserzeugung in unmittelbare Nähe zur Probe positioniert. Zur Pulserzeugung wird der PL-Schalter auf dem Cantilever vorgespannt und mit optischen Pulsen bestrahlt. Die sich ergebenden stufenförmigen elektrischen Pulse propagieren auf der Wellenleitung zur Cantileverspitze und werden dort auf die Probe übergekoppelt. Dabei führt die Spaltkapazität C_j zwischen Cantilever und Probe, die Cantilever-Wellenleiterimpedanz Z_c und die Wellenleiterimpedanz der Cantilever-Proben Anordnung zur Differentiation der stufenförmige Signale. Daraus resultieren ultraschnelle elektrische Pulse auf der Probe, deren Pulslänge im wesentlichen durch die Anstiegszeit des Schalters bestimmt wird.

Zur lokalen Untersuchung der elektrischen und dielektrischen Eigenschaften einer Probe kann die beschriebene Sonde zur Pulserzeugung und zur anschließenden Detektion des an der Cantileverspitze reflektierten Signals eingesetzt werden. Dazu wird zunächst mit einem PL-Schalter auf der Wellenleitung des Cantilevers ein Puls erzeugt, der am offenen Ende der Leitung an der Spitze des Cantilevers reflektiert wird. Aufgrund der kapazitiven Kopplung mit der Probe enthält der reflektierte Puls Informationen über die elektrischen und dielektrischen Eigenschaften der Probe. Der reflektierte Puls wird wiederum mit dem gleichen oder einem weiteren PL-Schalter abgetastet. In Analogie zu einem optischen Raster-Nahfeldmikroskop kann man diese Anordnung als ein Raster Mikrowellen-Nahfeldmikroskop bezeichnen.

Lateral hochaufgelöste Beobachtung von Prozessen, die auf einer sub-Pikosekundenzeitskala ablaufen können. Die Erfindung ermöglicht die räumlich und zeitlich aufgelöste Untersuchung von verschiedensten Phänomenen, wie z. B.: den Ladungsträgertransport in Halbleiterstrukturen, die molekulare Aktivität chemischer Reaktionen, die Wellenfrontausbreitung von elektrischen Feld- bzw. Spannungszuständen in Metallen, Halbleitern oder isolierenden Materialien. Typische Probleme liegen im Bereich der Mikroelektronik, d. h. bei der elektrischen Charakterisierung von hochintegrierten aktiven oder passiven Mikrowellenschaltungen und Bauelementen.

Die wesentlichen Merkmale von Ausführungsbeispielen der Erfindung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Eine Methode basierend auf einem Rastersondenmikroskop (RSM) mit gleichzeitig sub-Pikosekunden zeitlicher und sub-Mikrometer räumlicher Auflösung, die folgendes beinhaltet: a) die gezielte Positionierung einer speziellen Cantileversonde in Bezug auf den Abstand und die Lage zur Probenoberfläche durch Messung einer Wechselwirkung zwischen Probe und Cantileversonde mit dem Ziel im Kontakt oder berührungslos die Topographie der Probe abzutasten und/oder einen wohldefinierten Abstand zwischen Cantileversonde und Probe einzustellen. b) den Einsatz der gleichen Cantileversonde, in die eine Wellenleiterstruktur integriert ist, zum zeitlichen Abtasten eines elektrischen Signals. Zu diesem Zweck wird eine Folge ultraschneller, optischer Pulse ausreichender Photonenenergie zwischen zwei Leitern der Wellenleiterstruktur durch eine Freistrahloptik oder über eine Lichtleitung eingestrahlt. Die optische Absorption der Photonen führt dort kurzzeitig zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit des sich darunter befindlichen Materials und damit zu einem Schaltvorgang zwischen den Leitungen. Es können verschiedenste halbleitende Materialien eingesetzt werden (wie z. B. LT-GaAs, semi-isolierendes GaAs (SI-GaAs), Si, etc.). Mit Hilfe dieses photoleitenden Schalters wird dann das elektrische Signal der Probe, das in das Ende der Wellenleitung gekoppelt wird und entlang dem Wellenleiter zum Schalter propagiert, abgetastet. c) die zeitliche Auflösung wird erreicht, indem das Signal als Funktion der einstellbaren Zeitverzögerung zwischen dem periodischen Probensignal und dem synchronisierten Schalter aufgenommen wird. d) die Abklingdauer des elektrischen Schaltvorgangs des photoleitenden Schalters muß lang gegenüber dem zu untersuchenden pulsförmigen Meßsignal sein, so daß eine stufenartige Übertragungsfunktion des Schalters resultiert. Dies läßt sich einerseits durch eine lange Ladungsträgerlebensdauer des verwendeten Materials und ultrakurze optische Pulse oder durch eine kurze Ladungsträgerlebensdauer bei einer stufenförmigen optischen Pulsanregung oder bei geeigneter Kombination beider erreichen. Das vom Schalter und der nachfolgenden Elektronik erfaßte Signal ist eine Faltung zwischen Meßsignal und der Übertragungsfunktion des Schalters. Durch Differentiation des Faltungssignales kann das Meßsignal mit höchster zeitlicher Auflösung erhalten werden. Die Differentiation kann elektronisch (z. B. durch ein auf dem Cantilever integriertes RC-Glied oder im berührungslosen Meßmodus unter Verwendung der Spaltkapazität zwischen Sonde und Probe) oder nach der Datenaufnahme numerisch erfolgen. e) Die räumliche Auflösung wird erreicht, indem die Cantileversonde über die Probe (vice versa) rasterförmig bewegt wird, wobei der Abstand zwischen Cantileversonde und Probe gemäß b) kontrolliert wird.

Eine Methode wie beschrieben, wobei die Einkopplung des Probensignals in die Wellenleitung des Cantilevers kapazitiv im berührungslosen Modus oder resistiv im Kontaktmodus erfolgt. Berührt die Wellenleitung der Cantileversonde im Kontaktmodus die Probe nicht, so erfolgt auch hier eine kapazitive Einkopplung.

Eine Methode wie beschrieben, wobei die Wellenleitung auf dem Cantilever zweidimensional, z. B. als Koplanarleitung, oder auch dreidimensional, z. B. als Koaxial-, Hohl-, oder Streifenleitung ausgeführt wird. Zur Abtastung des Meßsignals kann eine in den Cantilever integrierte Spitze oder auch das zulaufende Ende des Cantilever benutzt werden.

Eine Methode wie beschrieben, wobei die optischen ultrakurzen Pulse z. B. durch einen: Pulse-Mode-Locked-Laser, einen Colliding-Pulse-Modelocking-Dye-Laser, einen Festkörper-Mode- Locked-Laser, einen Titan/Saphire-Laser, einen gepulsten Halbleiterlaser oder ähnliche Lichtquellen mit ultraschnellen Lichtpulsen erzeugt werden.

Eine Methode wie beschrieben, wobei die optischen stufenförmigen Pulse z. B. durch einen: Pulsed-Mode-Locked Laser, einen Colliding-Pulse-Modelocking-Dye-Laser, einen Festkörper-Mode-Locked-Laser, einen Titan/Saphire-Laser, einen gepulsten Halbleiterlaser oder ähnliche Lichtquellen mit ultraschnellen Lichtpulsen erzeugt werden.

Eine Methode wie beschrieben, wobei das als Rastersonden- Mikroskop bezeichnete ein Rastertunnelmikroskop, ein Rasterkraftmikroskop, ein optisches Rasternahfeldmikroskop oder ganz allgemein ein Rasternahfeldmikroskop oder Kombinationen dieser Mikroskope beinhaltet.

Eine Methode wie beschrieben, wobei die pulsförmigen Signale auf der Probe: a) durch einen elektrisch vorgespannten photoleitenden Schalter auf der Probe erzeugt werden. Dabei kann die gleiche oder zwei synchronisierte optische Strahlquellen zur Anregung der photoleitenden Schalter auf Probe und Cantilever benutzt werden. b) durch eine externe elektrische oder optisch angeregte Pulsquelle.

Eine weitere Methode basierend auf einem Rastersondenmikroskop (RSM) mit gleichzeitig sub-Pikosekunden zeitlicher und sub- Mikrometer räumlicher Auflösung, die folgendes beinhaltet: a) die gezielte Positionierung einer speziellen Cantileversonde in Bezug auf den Abstand und die Lage zur Probenoberfläche durch Messung einer Wechselwirkung zwischen Probe und Cantileversonde mit dem Ziel im Kontakt oder berührungslos die Topographie der Probe abzutasten und/oder einen wohldefinierten Abstand zwischen Cantileversonde und Probe einzustellen. b) den Einsatz der gleichen Cantileversonde, in die eine Wellenleiterstruktur integriert ist, zur Erzeugung elektrischer Pulse oder stufenförmiger elektrischer Signale, die am offenen Ende der Cantileverleitung reflektiert werden und mit dem gleichen oder einem weiteren PL-Schalter auf dem Cantilever abgetastet werden. Das reflektierte Signal weist aufgrund der Kopplung zwischen Spitze und Probe Informationen über die elektrischen und/oder dielektrischen Eigenschaften der Probe auf.

Eine Methode wie beschrieben, wobei verschiedene Konfigurationen der Wellenleiter auf dem Cantilever realisiert werden können. Der PL-Schalter für die Abtastung des reflektierten Signals der in Abb. 11 durch Faser 2 angesprochen wird, kann ebenfalls zwischen den gleichen Elektroden angeordnet sein, wie der PL-Schalter 1, oder sogar mit ihm identisch sein. Anstelle der koplanaren Dreibandleitung wie in Abb. 11a) oder einer koplanaren Zweibandleitung wie in Abb. 11b) können verschiedenste Abwandlungen auf Basis zweidimensionaler Wellenleiter oder auch dreidimensionaler Wellenleiter (wie z. B einer Koaxial-, Hohl- oder Streifenleitung) verwendet werden. Anstelle der Faserankopplung kann die Anregung der Schalter auch mit Hilfe von Freistrahloptiken oder einer Kombination aus Freistrahloptik und Faser erfolgen.

Eine weitere Methode basierend auf einem Rastersondenmikroskop mit gleichzeitig sub-Pikosekunden zeitlicher und sub-Mikrometer räumlicher Auflösung zur Erzeugung elektrischer Signale, die folgendes beinhaltet: a) eine Cantileversonde mit einer integrierten Wellenleitung und einem photoleitenden Schalter. Im Gegensatz zu dem Cantilever, der unter Anspruch 1 beschrieben wird, werden die Leitungen des photoleitenden Schalters in diesem Fall elektrisch vorgespannt. b) Die Erzeugung elektrischer Pulse durch Bestrahlung des photoleitenden Schalters mit einem Einzelpuls oder einer Folge von optischen Pulsen. Diese Pulse propagieren entlang der Wellenleitung des Cantilevers. Sie werden lokal kapazitiv auf die Probe übertragen. Dabei werden die Signale durch Spaltkapazität und Wellenwiderstand der Leitung, oder auch mittels in die Sonde integrierter Bauelemente (z. B. RC- Kombination) differenziert. Die Spaltkapazität kann auch durch ein, auf die Kontaktfläche aufgebrachtes Dielektrikum erzeugt und über die Schichtdicke oder das Material variiert werden.

Eine Methode wie beschrieben, wobei die Wellenleitung auf dem Cantilever zweidimensional, z. B. als Koplanarleitung, oder auch dreidimensional, z. B. als Koaxial-, Hohl-, oder Streifenleitung ausgeführt wird. Zur Abtastung des Maßsignals kann eine in den Cantilever integrierte Spitze oder auch das zulaufende Ende des Cantilever benutzt werden.

Eine Methode wie beschrieben, wobei die optischen ultrakurzen Pulse z. B. durch einen: Pulse-Mode-Locked-Laser, einen Colliding-Pulse-Modelocking-Dye-Laser, einen Festkörper-Mode- Locked-Laser, einen Titan/Saphire-Laser, einen gepulsten Halbleiterlaser oder ähnliche Lichtquellen mit ultraschnellen Lichtpulsen erzeugt werden.

Weitere Ziele, Vorteile, Anwendungsmöglichkeiten und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele.

Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung des Abtastverfahrens von periodischen Signalen
u₁: zu messendes Signal mit Periodizität T
u₂: Meßsignal in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit.

Fig. 2 Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Cantilevers mit integrierter koplanarer Wellenleiterstruktur.

Fig. 3 Schematischer Aufbau eines Ultraschnellen Raster- Sonden Mikroskops (engl. ultrafast scanning probe microscope (USPM)). Der experimentelle Aufbau ist in a) dargestellt. Die einzelnen Schaltungselemente b) für das elektrisches Ersatzschaltbild c) können aus dem experimentellen Aufbau einzeln entnommen werden. Ein auf der Probe erzeugter elektrischer Puls breitet sich über den Cantilever entlang der Koplanarwellenleitung (englisch.: coplanar waveguide) des Cantilevers bis hin zum PL-Schalter aus.

Fig. 4 Berechnete Signale im Kontakt- (U_c) und kontaktlosen- (U_nc) Modus. Beide Kurven sind normiert auf den Maximalwert des Signals im Kontaktmodus und beziehen sich auf die rechte Skala. Zum Vergleich ist ebenfalls das Eingangssignal U_in dargestellt, das sich entsprechend auf die linke Skala bezieht.

Fig. 5 Vergleich von berechneten und gemessenen Signalen im Kontaktmodus (I_c) und kontaktlosem (I_nc) Modus. Die anhand der äquivalenten Ersatzschaltung mit konzentrierten Bauelementen gewonnenen Ergebnisse stimmen gut mit den gemessenen Signalen überein.

Fig. 6 Übertragungsfunktion eines PL-Schalters S(t) mit einer Ladungsträgerlebensdauer, die lang ist im Vergleich zur Pulsdauer der zu untersuchenden Signale. Zum Vergleich ist die Übertragungsfunktion eines PL-Schalters mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer, wie er konventionell eingesetzt wird, dargestellt.

Fig. 7 Berechnung der Signale im Kontaktmodus (I_c) und kontaktlosem Modus (I_nc) bei Verwendung eines Halbleitermaterials mit einer Ladungsträgerlebensdauer, die lang im Vergleich zur Pulsdauer ist. Beide Kurven beziehen sich auf die rechte Skala. Das Signal der kontaktlosen Messung gibt den ursprüngliche elektrischen Puls mit hoher zeitlicher Auflösung wieder.

Fig. 8 V_in ist eine Überlagerung aus zwei, um 300 fs verschobenen Pulsen. Simulierte Signale für die konventionelle Technik unter Verwendung von Halbleitermaterial mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer (gestrichelte Linie) sowie für das neue Verfahren mit längerer Ladungsträgerlebensdauer im kontaktlosen Modus (gepunktelte Linie).

Fig. 9 Raum-Zeit-aufgelöste Messung im kontaktlosen Modus eines Spannungspulses, erzeugt durch optische Anregung zwischen den zwei Elektroden der Koplanar- Streifenleitung. In der linearen Grau-Skala werden Bereiche mit maximalen positiven Werten durch weiß, und maximal negative Werte durch graue Bereiche dargestellt. Die Lage der Streifenleitungs-Elektroden ist durch schwarzen Linien angedeutet. Der Scan- Bereich ist 50 µm und die Verzögerungszeit wurde über einen Bereich von 10 ps variiert. Der Abstand zwischen Cantilever und Probe war konstant 0.1 µm.

Fig. 10 Auf dem Cantilever erzeugter Puls (durchgezogenen Linie) sowie das in die Leitung der Probe eingekoppelte Signal (gestrichelte Linie).

Fig. 11 Beispiele für den schematischen Aufbau bei Verwendung des Cantilevers als Mikrowellensonde unter Verwendung einer koplanaren Dreibandleitung a) oder einer koplanaren Zweibandleitung b). Dabei können die Elektroden der Leitung durchgehend sein, oder um störende Pulsanregung des Abtast-PL-Schalters zu vermeiden, kann die Leitung, wie in dieser Darstellung mittels Interchip-Verbindung unterbrochen sein.

A. Neuartige Cantileversonde mit integrierter Koplanarleitung und photoleitendem Schalter

Basierend auf den bekannten Analysemethoden wurde eine neuartige Abtasttechnik inklusive Cantileversonde entwickelt. Dazu wurde eine Koplanarleitung mit integriertem PL-Schalter auf einen halbleitenden Cantilever aufgebracht. Eine mögliche Realisierung eines solchen Cantilevers ist in der Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme in Abb. 2 dargestellt. Die Dicke des Cantilevers kann beim Herstellungsprozess eingestellt werden. Der im Experiment eingesetzte Cantilever hatte z. B. eine Länge von 600 µm und eine Breite von 190 µm. Der koplanare Wellenleiter hatte z. B. einen Elektrodenabstand von 8 µm und eine Elektrodenbreite von ca. 10 µm, woraus ein Wellenwiderstand von ca. 50 Ω resultiert. Die so gewählte Wellenleiterstruktur auf dem Cantilever reduziert die Dispersion sowie Abstrahlverluste sich ausbreitender Signale. Die Geometrie der Wellenleiterstruktur wurde so angepaßt, daß auf den Bereichen Cantilever, Substrat sowie dem Übergang vom Cantilever zum Substrat die Impedanz konstant ist. Dies vermeidet ungewollte Reflexe auf dem Sensor. Ferner wird die Einstreuung von Störungen stark verringert. Eine Beschreibung des Herstellungsprozesses solcher Cantilever ist in [7] gegeben. Die Geometrie von Cantilever und Wellenleiterstruktur kann beliebig ausgeführt werden. Z. B. kann der Wellenleiter auf dem Cantilever zweidimensional, z. B. als Koplanarleitung, oder auch dreidimensional, z. B. als Koaxial-, Hohl-, oder Streifenleitung ausgeführt sein. Zur Abtastung des Meßsignals kann eine in den Cantilever integrierte Spitze oder auch das zulaufende Ende des Cantilever benutzt werden.

B. Einsatz des neuartigen Cantilevers für die konventionelle Abtasttechnik

Das elektrische Verhalten des neuartigen Cantilevers wurde in einem konventionellen Mikroskop, wie eingangs beschrieben wurde, untersucht. Es kann durch eine elektrische Ersatzschaltung mit konzentrierten Bauelementen erklärt werden. Die einzelnen Schaltungselemente können dabei dem experimentellen Aufbau in Abb. 3a) entnommen werden. Diese werden in Abb. 3b) benannt und führen zu der in Abb. 3c) dargestellten Ersatzschaltung basierend auf konzentrierten Bauelementen. Als Probe wurde hier beispielhaft ein Wellenleiter verwendet, dessen Übertragungsverhalten durch die charakteristische Impedanz Z_WG (ca. 100 Ω) beschrieben wird. Mit Hilfe eines PL-Schalters, der in die Wellenleitung der Probe integriert ist, werden elektrische Pulse auf der oben genannten Wellenleiterstruktur injiziert. Dieses Probensignal U_in(t) kann durch einen exponentiellen Anstieg entsprechend der Anstiegszeit des Lichtpulses gefolgt von einem exponentiellen Abfall entsprechend der Ladungsträgerrekombination im Halbleiter modelliert werden.; dabei wird angenommen, daß die Generationszeitkonstante von Ladungsträgern im wesentlichen der optischen Pulsdauer des Lasers von etwa 100 fs entspricht. Die daraus resultierenden Pulse laufen auf dem Wellenleiter Z_WG entlang. Wenn der Cantilever sich im Kontakt mit der Übertragungsleitung befindet, mißt man einen Kontaktwiderstand R_j von etwa 100 Ω. Im kontaktlosen Modus variiert der Widerstand abhängig vom Abstand zwischen 1 MΩ und einem entsprechend hohem mit üblichen Multimetern nicht meßbaren Wert. Zusätzlich bildet die Spitze des Cantilevers mit der Probe eine Kapazität C_j. Das Signal im kontaktlosen Modus wird entscheidend von dieser Kapazität C_j bestimmt. Die Größe dieser Kapazität kann abgeschätzt werden, indem man die geometrische Kapazität des Cantilevers über einer leitenden Oberfläche berücksichtigt [8]. Abhängig vom Abstand zwischen Cantileverspitze und Probe ergibt sich ein Wert für C_j in der Größenordnung zwischen 1 fF bis 10 fF. Diese Kapazität kann jedoch minimiert werden, indem man den Cantilever mit einer leitfähigen Spitze versieht. Im elektrischen Ersatzschaltbild wird die Verbindung zwischen Cantileverspitze und Probenelektrode durch eine Parallelschaltung aus Spaltwiderstand R_j und Spaltkapazität C_j beschrieben. Da der Abstand zwischen Cantilever-Spitze und Probe i. A. kleiner als die Wellenlänge der zu untersuchenden elektromagnetischen Welle ist, können für die Ersatzschaltung vereinfachend konzentrierte Bauelemente herangezogen werden. Ebenso können Spalt und Schalter als zwei voneinander unabhängige konzentrierte Systeme behandelt werden. Die Koplanarleitung auf dem Cantilever wird in der Simulation als eine verlustbehaftete Übertragungsstrecke mit Impedanz Z_c angenähert. Im Kontaktmodus ist C_j gleich Null und die Widerstände R_j und Z_c, bilden einen Spannungsteiler. Im kontaktlosen Modus dominiert der kapazitive Einfluß des Spaltes. Dies führt zu einem Differentiator, der durch C_j and Z_c gebildet wird. Der PL-Schalter auf dem Cantilever kann als eine Parallelschaltung aus der festen Kapazität C_s und einem sich zeitlich ändernden Widerstand R_s modelliert werden, so daß die Spannung über dem PL-Schalter ein Maß für das Probensignal ist.

Die Kapazität C_s des PL-Schalters läßt sich ebenfalls aus der geometrischen Kapazität des Schalterbereichs abschätzen. Approximiert man im Schalterbereich die zwei Elektroden der Koplanarleitung als zwei parallele zylindrische Elektroden, so ergibt sich eine Kapazität von etwa C_s = 2 fF. Der mittlere Widerstand des PL-Schalters betrug im Experiment etwa 20 MΩ. Die im Kontakt-Modus über R_s abfallende Spannung (U_c) wurde mit R_j = 100 Ω und C_j = 0 berechnet und ist inklusive des Probensignals U_in(t) in Abb. 4 dargestellt. U_in(t) bezieht sich dabei auf die linke Skala. Zum besseren Verständnis wurde in dieser Darstellung die Laufzeit entlang der Übertragungsleitung und dem Cantilever vernachlässigt. Im kontaktlosen Modus ergibt sich für einen Cantilever-Probenabstand von 0.1 µm eine Spaltkapazität von etwa 3 fF. Der Spaltwiderstand R_j kann in diesem Fall vernachlässigt werden. Die Spannung U_nc über R_s im kontaktlosen Modus ist ebenfalls in Abb. 4 dargestellt. Beide Graphen U_c und U_nc beziehen sich auf die rechte Skala und sind auf das Maximum des Kontaktsignals U_c normiert, so daß in der Darstellung das Amplitudenverhältnis beibehalten wurde. Solange der Lichtpuls das photoleitende Material bestrahlt, werden Ladungsträger zwischen den beiden Leiterbahnen generiert und bilden eine leitende Verbindung in diesem Bereich. Wenn der Laserpulse stoppt, klingt die Anzahl der freien Ladungsträger entsprechend der Ladungsträgerlebensdauer des Halbleitermaterials exponentiell ab. Da die Pulsdauer des Lichtstrahles (typisch: 10-100 fs) klein gegenüber der Ladungsträgerlebensdauer (typ. 200-800 fs) ist, wird die Schalterantwort im wesentlichen durch die Materialeigenschaften des Halbleiters bestimmt. Die Anstiegszeit des Schalters wird zusätzlich durch die Zeitkonstante der Parallelschaltung aus R_s, wenn der Schalter leitfähig ist, und C_s begrenzt. In unserem Fall liegt der Schalterwiderstand im Bereich von etwa 100 Ω. Daraus ergibt sich eine Zeitkonstante von etwa 200 fs. Das abgetastete Signal ergibt sich im Zeitbereich aus einer Faltung der Übertragungsfunktion des Schalters mit der berechneten Spannung U_c bzw. U_nc für den Kontaktmodus bzw. kontaktlosen Modus. Die zeitliche Auflösung, die mit diesem Verfahren erreicht werden kann, ist somit begrenzt durch die Breite der Übertragungsfunktion des PL-Schalters und damit durch die Ladungsträgerlebensdauer des zugrunde liegenden Halbleitermaterials. Die aus der Schaltungssimulation gewonnenen Signale U_c und U_nc wurden mit der Übertragungsfunktion eines PL-Schalters aus Halbleitermaterial mit einer Ladungsträgerlebensdauer von ca. 500 fs, wie sie sich z. B. bei Verwendung von LT-GaAs ergibt, gefaltet und sind zusammen mit gemessenen Signalen in Abb. 5 dargestellt. Auch hier wurden berechnete und gemessene Signale jeweils auf das Maximum des Signals im Kontaktmodus normiert, so daß das Amplitudenverhältnis zwischen Kontaktmodus und kontaktlosem Modus beibehalten wurde. Das Signal im kontaktlosen Modus entspricht der Ableitung des Signals im Kontaktmodus. Wie man in Abb. 5 erkennt, stimmen Form und Amplitude der gerechneten und gemessenen Signale gut überein. Durch Variation von R_j und C_j lassen sich mit diesem Modell Echtzeitsignale im Kontaktmodus sowie für verschiedene Cantilever/Probenabstände analysieren.

C. Neues Verfahren zur Signaldetektion

Die maximal erreichbare zeitliche Auflösung des eben beschriebenen Verfahrens ist im wesentlichen durch die Ladungsträgerlebensdauer des zugrundeliegenden Halbleitermaterials beschränkt. Um eine möglichst hohe zeitliche Auflösung zu erreichen, wäre es wünschenswert, eine Abtastung des Signals mit δ-Impulsen zu erreichen. Tastet man ein Signal U(t) mit einer solchen δ-Funktion ab, so erhält man wieder das ursprüngliche Signal gemäß

Dies entspricht einer Faltung des Signals U(t) mit der δ- Funktion. Wie bereits oben erwähnt, wird die Schalterantwort bei einem konventionellen PL-Schalter im wesentlichen durch den Abklingvorgang, d. h. die Rekombinationsprozesse des Halbleitermaterials bestimmt und ist wesentlich länger als die Anstiegszeit. Die maximal erreichbare zeitliche Auflösung des zuvor beschriebenen Verfahren ist daher durch die Ladungsträgerlebensdauer des zugrunde liegenden Halbleitermaterials beschränkt. Gewöhnlich werden Materialen mit möglichst kleiner Ladungsträgerlebensdauer für diese Zwecke eingesetzt, wie z. B. LT GaAs oder es werden Ionenimplantationstechniken zur Induzierung von Defekten in Materialien eingesetzt, um die Ladungsträgerlebensdauer zu verringern [9]. Allerdings führt eine hohe Defektdichte, die durch solche Techniken erreicht wird, zu niedrigen Beweglichkeiten und geringer Stabilität.

Das hier beschriebene neue Verfahren löst diese Probleme und verbessert die zeitliche Auflösung deutlich. Statt das Signal mit einer δ-förmigen Funktion abzutasten, wird das Signal mit einer Sprungfunktion abgetastet. Mit Hilfe der Sprungfunktion

läßt sich das Signal U(t) ausgehend von der Beziehung

als

darstellen. Hier ergibt sich das ursprüngliche Signal aus der Faltung des differenzierten Signals dU(t)/dt mit der Sprungfunktion Θ(t). Verwendet man für die Herstellung des PL- Schalters ein Halbleitermaterial, dessen Ladungsträgerlebensdauer lang im Vergleich zur Pulsdauer des elektrischen Signals ist (z. B. semi-isolierendes GaAs (SI- GaAs)), ähnelt die Übertragungsfunktion des PL-Schalters in der Zeitskala einiger Pikosekunden einer Sprungfunktion. Die Schalterantwort S(t) ist für gewöhnliches SI-GaAs in Abb. 6 (durchgezogenen Linie) dargestellt. Zum Vergleich ist in diesem Bild ebenfalls die Übertragungsfunktion eines konventionell verwendeten PL-Schalters aus Material mit kurzer Ladungsträgerlebensdauer (gestrichelte Linie), abgebildet. Wie bereits im vorherigen Abschnitt ausgeführt, kann die Cantilever Sonde im kontaktlosen Modus als Differentiator wirken, der durch die Spaltkapazität C_s und den Wellenwiderstand der Koplanarleitung auf dem Cantilever Z_c generiert wird, so daß nicht das Signal U(t), sondern die zeitliche Ableitung dU(t)/dt am Schalter vorbeiläuft. Somit ergibt sich nach Abtasten mit der sprungähnlichen Übertragungsfunktion S(t) (≈ Θ(t)) wieder das ursprüngliche Signal gemäß

Da sich das Signal auf eine Periodendauer T beschränkt, lassen sich die Integrationsgrenzen ebenfalls auf eine Periode beziehen. Der Ausdruck U(t₀) geht dabei über in U(0) und kann als Null angenommen werden.

Wendet man die durch Gleichung (5) beschriebene Faltung auf das Signal im kontaktlosen Modus (siehe Abb. 4) an, erhält man das in Abb. 7 dargestellte Meßsignal I_nc. In dieser Abbildung ist ebenfalls das Signal, daß man im Kontakt-Modus erhält, I_c, dargestellt. Beide Kurven beziehen sich auf die linke Skala. Zum Vergleich ist zusätzlich nochmals das Eingangssignal U_in, das sich auf die rechte Skala bezieht, dargestellt. Die Integration entsprechend der Faltung mit der Sprungfunktion wird annähernd durch das Differentiationsverhalten des Cantilevers kompensiert. Das so gemessene Signal gleicht dem ursprünglichen elektrischen Puls mit sehr hoher zeitlicher Auflösung.

Im Kontaktmodus gelangt das ursprüngliche Signal U(t) zum Schalter, so daß hier gemäß:

eine Integration des Signals U(t) erfolgt. Im Kontakt-Modus ergibt sich somit die ursprüngliche Pulsform durch Differentiation des resultierenden Signals. Diese Ableitung ist in Abb. 7 nicht dargestellt, da das Signal sich vom Originalsignal nicht unterscheiden läßt.

Um die hohe Effizienz des neuen Verfahrens theoretisch zu demonstrieren, wird eine Überlagerung von zwei um 300 fs verschobenen Pulsen abgetastet. Solche Probensignale entstehen, wenn Pulse dicht am Ende einer nicht abgeschlossenen Leitung angeregt werden, so daß ein Teil des Pulses dort reflektiert und dem sich auf der Leitung ausbreitenden Puls überlagert wird. Dieser Doppelpuls ist in Abb. 8 als U_in bezeichnet, dargestellt. Das für die konventionelle Technik erhaltene Signal im Kontaktmodus sowie für die neue Technik im kontaktlosen Modus erhaltene Signal sind ebenfalls in Abb. 8 dargestellt. Wie aus dieser Abbildung ersichtlich wird, ist das neue Verfahren durch seine hohe zeitliche Auflösung in der Lage, die Überlagerung beider Pulse aufzulösen. Die Auflösung der konventionellen Methode, selbst wenn man die PL- Schalterzeitkonstante auf 500 fs verbessern könnte, reicht nicht aus den Doppelpuls aufzulösen.

Die neue Technik kann ebenfalls dazu eingesetzt werden Raum- Zeit-aufgelöste Messungen durchzuführen. Z. B. ist in Abb. 9 ein sich auf einer Leitung ausbreitender Puls, der durch optische Anregung zwischen den zwei Elektroden einer Koplanar- Streifenleitung erzeugt wurde, räumlich aufgelöst dargestellt. Durch Aneinanderreihen mehrerer, zeitlich aufeinander folgender Bilder lassen sich ebenfalls Sequenzen von z. B. Wellenausbreitungsvorgängen erstellen.

D. Neues Verfahren zur Pulserzeugung

Die beschriebene neue Methode kann auch sehr effizient zur Erzeugung sehr kurzer elektrischer Pulse eingesetzt werden. Ähnlich wie bei der Signaldetektion wird die Spitze des Cantilevers bei der Pulserzeugung in unmittelbare Nähe eines Wellenleiters einer Probe positioniert ohne einen leitfähigen Kontakt auf der Probe herzustellen. Auf dem Cantilever wird zwischen den zwei Kontakten, zwischen denen der PL-Schalter auf dem Cantilever angeordnet ist, ein Potential angelegt. Die Generation von Ladungsträgern durch den Lichtpuls erzeugt einen Puls, der sich auf dem Wellenleiter des Cantilevers ausbreitet. Der Differentiator, der durch die Spaltkapazität C_j, Cantilever-Wellenleiterimpedanz Z_c und die Wellenleiterimpedanz der Cantilever-Proben Anordnung gebildet wird, sorgt dafür, daß das differenzierte Signal in den Wellenleiter der Probe eingekoppelt wird. In Abb. 10 sind der auf dem Cantilever erzeugte Puls (durchgezogenen Linie) sowie das in die Leitung eingekoppelte Signal (gestrichelte Linie) dargestellt. Die Pulsbreite des erzeugten Pulses hängt dabei im wesentlichen von der Zeitkonstanten des Differentiators sowie der Einschalt- Zeitkonstanten des PL-Schalters ab, die sich insgesamt in einer Zeitkonstanten von etwa 50 fs äußert. Eine zusätzliche Verbreiterung des Pulses entsteht durch die Dispersion auf dem Wellenleiter des Cantilevers. Diese kann minimiert werden, indem die Pulserzeugung möglichst dicht an der Spitze des Cantilevers erfolgt.

E. Raster Mikrowellen-Nahfeldmikroskop

Eine besondere Art der Mikrowellenmikroskopie (Scanning Electromagnetic Microscope) mit sub-Wellenlängen räumlicher Auflösung ist 1989 von Steven Chu vorgeschlagen worden [10]. Dabei wurde das offene Ende einer Koaxialleitung als Sonde in ein Raster-Sondenmikroskop eingesetzt. Die Koaxialleitung wurde von einem Mikrowellenoszillator mit 12 cm Wellenlänge gespeist. Das am offenen Ende der Leitung reflektierte Signal wurde analysiert, während die Sonde über eine Probe gerastert wurde. Die Messungen mit einem Koaxialkabel mit 2 mm Außendurchmesser demonstrierten eine Auflösung die unterhalb 30 µm (λ/4000) lag. Die Messung erfolgte dabei ausschließlich im Frequenzbereich.

Hier wird eine Methode vorgeschlagen, mit der diese Technik auf die vorgestellte Cantileversonde übertragen werden kann, wobei hier die Untersuchungen mit pulsförmigen Signalen, d. h. im Zeitbereich, durchgeführt werden. Der schematische Aufbau für die Verwendung des Cantilevers als Mikrowellensonde ist in Abb. 11a) und b) dargestellt. Durch die optische Pulsfolge, die in die Faser 1 eingekoppelt wird, wird zwischen zwei mit einem elektrischen Potential versehenen Leiterbahnen eine Folge von elektrischen Pulsen erzeugt. Diese breiten sich in beide Richtungen entlang der Leitung aus. Zur Untersuchung von Proben wird der Teil des Pulses verwendet, der auf das offene Ende der Leitung an der Spitze des Cantilevers zuläuft. Wenn der Querschnitt der Leitungsstruktur viel kleiner als die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle ist, wird nur ein sehr geringer Teil der Energie abgestrahlt, und das Signal wird nahezu vollständig am Ende der offenen Leitung reflektiert. Ein Objekt in unmittelbarer Nähe der Cantilever Spitze wird einen Teil des Streufeldes stören und so die Abstrahlverluste verändern. Außerdem wird zusätzlich die Kapazität und die komplexe Impedanz des Abschlusses und somit die Phase des reflektierten Signals verändert. Wie schon zuvor bei der Messung eines Probensignals ausgeführt, kann das reflektierte Signal über den PL-Schalter, der durch Faser 2 realisiert wird, abgetastet werden. Durch Variation der Verzögerungszeit zwischen Pump- und Abtastsignal läßt sich das reflektierte Signal zeitlich auflösen und die Probeninformation auswerten. Der PL-Schalter für die Abtastung des reflektierten Signals der in Abb. 11 durch Faser 2 angesprochen wird, kann ebenfalls zwischen den gleichen Elektroden angeordnet sein, wie der PL- Schalter 1, oder sogar mit ihm identisch sein. Anstelle der koplanaren Dreibandleitung wie in Abb. 11a) oder einer koplanaren Zweibandleitung wie in Abb. 11b) können verschiedenste Abwandlungen auf Basis zweidimensionaler Wellenleiter oder auch dreidimensionaler Wellenleiter (wie z. B einer Koaxial-, Hohl- oder Streifenleitung) verwendet werden.

Stand der Technik

[1] S. Weiss, D. F. Ogeltree, D. Botkin, M. Salmeron, and D. S. Chemala, 'Ultrafast scanning probe microscopy', Appl. Phys. Lett., 63, 2567, 1993
[2] D. Botkin and J. Glass and D. S. Chemla and D. F. Ogletree and M. Salmeron and S. Weiss, 'Advances in ultrafast scanning tunneling microscopy', Appl. Phys. Lett., 69, pp. 1321-1323, 1996.
[3] U. D. Keil and J. R. Jensen and J. M. Hvam, 'Transient measurements with an ultrafast scanning tunneling microscope an semiconductor surfaces', Appl. Phys. Lett., 72, pp. 1644-1646, 1998.
[4] M. B. Ketchen, D. Grischkowsky, T. C. Chen, C-C. Chi, I. N. Duling, III, N. J. Halas, J-M. Halbout, J. A. Kash, and G. P. Li, 'Generation of subpicosecond electrical pulses an coplanar transmissio lines', Appl. Phys. Lett., 1986, 48, pp. 751-753.
[5] J. Nees, S.-I. Wakana, S. Hama, 'Ultrafast-ultrafine probing of high-speed electrical waveforms using a scanning force microscope with photoconductive gating', Optical and Quantum Electronics, 28, pp. 843-865, 1996. [6] R. K. Lai, J. Hwang, T. B. Norris, J. F. Whitaker, 'A photoconductive, miniature teraherz source', Appl. Phy. Lett., 72, pp. 3100-3102, 1998.
[7] S. Heisig, W. M. Steffens and E. Oesterschulze, 'Optical active gallium arsenide probes for scanning probe microscopy', Proceedings of SPIE Conference, pp. 305-312, Vol. 3467, 1998.
[8] D. A. Botkin, 'Ultrafast Tunneling Microscopy', PhD thesis, UC Berkeley, 1995.
[9] D. R. Dynaar, U. D. Keil, 'Ultrafast electrical signal generation, propagation and detection', Optical and Quantum Electronics, 28, pp. 731-764, 1996.
[10] M. Fee, S. Chu, 'Scanning electromagnetic transmission line microscope with sub-wavelength resolution', Optics Communications, 69, pp. 219-224, 1989.

Claims (14)

1. Verfahren zur räumlichen und zeitlichen Abtastung ultraschneller elektrischer Signale einer Probe mittels einer Cantileversonde aus Halbleitermaterial, die eine Leiterbahnstruktur mit einem photoleitenden Schalter (PL- Schalter) aufweist, der durch Einwirkung von Licht betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der photoleitende PL- Schalter eine im wesentlichen stufenartige Übertragungsfunktion aufweist, das von einer Auswerteelektronik erfaßte Faltungssignal des PL-Schalters eine Faltung zwischen dem elektrischen Signal und der stufenartigen Übertragungsfunktion ist und das Faltungssignal oder das elektrische Signal einer Differentiation unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht als Schaltsignal in Form einer Folge ultraschneller Pulse eingestrahlt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe mit einem Probensignal einer Folge ultraschneller Pulse angeregt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfolgen von Schaltsignal und Probensignal synchronisiert sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen entsprechenden Pulsen bei der Pulsfolge eine variable Zeitverzögerung einstellbar ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentiation mittels eines auf der Cantileversonde integrierten Differenzierers beziehungsweise mittels der Spaltkapazität zwischen Cantileversonde und Probe beziehungsweise numerisch nach der Datenaufnahme erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stufenartige Übertragungsfunktion durch ultrakurze Lichtpulse und eine lange Ladungsträgerlebensdauer des Halbleitermaterials oder durch stufenartige Pulsanregung und eine kurze Ladungsträgerlebensdauer des Halbleitermaterials oder eine geeignete Kombination dieser beiden Extremsituationen realisiert ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ultrakurzen beziehungsweise stufenförmigen optischen Pulse durch einen Pulsemode-Locked- Laser, einen Colliding-Pulse-Modelocking-Dye-Laser, einen Festkörper-Mode-Locked-Laser, einen Titan/Saphire Laser, einen gepulsten Halbleiterlaser oder ähnliche Lichtquellen mit ultraschnellen Lichtpulsen erzeugt werden.

9. Verfahren zum Erzeugen ultraschneller elektrischer Pulse beispielsweise in einer Probe mittels einer Cantileversonde aus Halbleitermaterial, die eine Leiterbahnstruktur mit einem photoleitenden Schalter (PL-Schalter) aufweist, der durch Einwirkung von Licht betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der photoleitende PL-Schalter eine im wesentlichen stufenartige Übertragungsfunktion aufweist, wobei man zwischen wenigstens zwei Leiterbahnen der Leiterbahnstruktur ein Potential anlegt und das vom photoleitenden PL-Schalter erzeugte Signal einer Differentiation unterzogen und in die Probe eingekoppelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Probenpulse zur Anregung einer Probe verwendet werden und die resultierenden elektrischen Signale der Probe mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 abgetastet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem offenen Ende der Leiterbahnstruktur der Cantileversonde reflektierten Signale abgetastet werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Cantileversonde eine Leiterbahnstruktur mit einmodonären photoleitenden Schaltern aufweist und die Schalter durch eine oder mehrere synchronisierte optische Strahlquellen angeregt werden.

13. Cantileversonde zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnstruktur durch eine Wellenleitung mit einem integrierten photoleitenden Schalter gebildet ist.

14. Cantileversonde nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwei, drei oder mehrere, gegebenenfalls nicht planare Leitungselektroden auf der Cantileversonde angeordnet sind, wobei bevorzugt zwischen benachbarten Leitungselektroden ein photoleitender Schalter integriert ist.