DE19947287A1 - Vorrichtung zur optischen Nahfeldmikroskopie - Google Patents

Abstract

Bislang werden bei der optischen Nahfeldmikroskopie zur Führung der eingesetzten Strahlung Optiken verwendet, die zumindest zum Teil aus Glasfasern oder Linsen zusammengesetzt sind. Die Wellenlängenabhängigkeit der Absorption insbesondere bei Glasfasern sowie die Linsenfehler wirken sich insbesondere dann problematisch aus, wenn wechselnde Wellenlängen eingesetzt werden sollen. Die neue Vorrichtung soll auch bei wechselnden Wellenlängen möglichst unproblematisch sein. DOLLAR A Die neue Vorrichtung weist eine allein aus Spiegeln (10, 11) bestehende fokussierende Optik (9) auf, deren Fokuspunkt auf die Apertur einer Nahfeldsondenspitze (18) ausrichtbar oder ständig ausgerichtet ist. Spiegeloptiken weisen weder eine nennenswerte Absorption noch chromatische Fehler aus, so dass eine Verschiebung des Fokuspunktes aufgrund einer Wellenlängenänderung nicht erfolgt. Die fokussierende Optik (9) kann als abbildende Optik ausgelegt sein, so dass als Objektiv eines optischen Mikroskops verwendbar ist. Durch eine kompakte Bauweise mit Integration der Nahfeldsonde (15) und der fokussierenden Optik (9) in einem Gehäuse kann ein in einem Objektivrevolver eines optischen Mikroskops einsetzbares Wechselobjektiv bereitgestellt werden. DOLLAR A Optische Nahfeldmikroskopie.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Nahfeldmikroskopie, umfassend eine Nah­ feldsonde mit einer Messspitze, mindestens eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung, optische Mittel zur Führung der von der Strahlungsquelle stammenden elektromagnetischen Strahlung zur Messspitze hin und/oder zum Sammeln und Weiterleiten von nach Wechselwirkung mit einer in Untersuchungsposition befindlichen Probe die Messspitze passierender elektromagnetischer Strahlung zu mindestens einem Detektor.

Bei der optischen Nahfeldmikroskopie (SNOM = Scanning Near Field Optical Microscopy) wird die Wechselwirkung der Materie einer Probe mit elektromagnetischer Strahlung zur Mikroskopie ausgewertet. Die Wechselwirkung kann bei Reflexion oder Streuung der Strahlung an der Probe oder bei ihrer Transmission durch die Probe hindurch erfolgen. Dabei kann eine Auflösung erreicht werden, die unterhalb der Wellenlänge der eingesetzten Strahlung liegt. Hierfür wird ein Nahfeldsensor mit einer extrem feinen Messspitze in einem möglichst geringen Abstand in rastender Weise über die Probenoberfläche geführt. Die Messspitze kann mit einer nahezu punktförmigen Apertur versehen sein. So ist es bekannt, eine Glasfaser in einer feinen Spitze enden zu lassen und in dem sich im Querschnitt verjüngenden Teil mit einer für die einzusetzende Strahlung undurchlässigen Beschichtung zu versehen, wobei die vorderste Spitze frei gelassen wird. Durch die Apertur kann eine am anderen Ende in die Glasfaser eingekoppelte Strahlung austreten. Wegen der geringen Abmessungen der Apertur und wegen des geringen Abstandes wird eine für die gewünschte Auflösung hinreichend kleine Fläche der Probenoberfläche mit der Strahlung beaufschlagt. Um die Glasfasersonde herum ist ein Parabolspiegel angeordnet, der die von der Probenoberfläche reflektierte oder gestreute Strah­ lung in Richtung auf Detektionsmittel, z. B. Fotodioden, leitet. Der Parabolspiegel kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das in den Objektivrevolver eines konventionellen optischen Mikroskops eingeschraubt werden kann.

Weiterhin ist es bekannt (US 4 947 034) eine aperturlose Nahfeldsonde einzusetzen. Hierfür wird die Strahlung gezielt auf eine metallische oder dielektrische Messspitze gerichtet. Von der Messspitze wird die Strahlung zumindest zum Teil in Richtung auf die Probenoberfläche gestreut. Diese Streustrahlung wird nun nach Wechselwirkung mit der Probenoberfläche einer Auswertung zugeführt. Um eine wirkungsvolle Trennung der von der Messspitze ausgehenden Streustrahlung von der direkten Strahlung zu ermöglichen, wird während der Messung die Messspitze und/oder die Probe in Schwingungen versetzt.

Sowohl bei Messspitzen mit als auch bei solchen ohne Apertur ist es möglich, anstelle der von der Probenoberfläche reflektierten oder gestreuten Strahlung die durch die Probe transmittierte Strahlung zu detektieren.

Des weiteren ist es bekannt, die Probenoberfläche unmittelbar, d. h. nicht über die Messspitze, zu beleuchten und die Strahlung nach ihrer Wechselwirkung mit der Probenoberfläche über die Messspitze aufzufangen und dem Detektor zuzuführen. Durch die geringen Abmessungen der Apertur der Messspitze wird auch bei dieser Verfahrensweise gewährleistet, dass die detektierte Strahlung von einer für die gewünschte Auflösung hinreichend kleinen Fläche der Probenoberfläche stammt. Mit einer Messspitze kann auch Strahlung wieder aufgefangen werden, die zuvor aus derselben Messspitze ausgetreten und einer Wechselwirkung mit der Probe ausgesetzt worden ist.

Es können unterschiedlichste Nahfeldsondengeometrien vorgesehen sein. Die Messspitzen können z. B. einstückig mit einem Auslegerarm gefertigt oder an einem Auslegerarm nachträglich befestigt sein. Es ist bekannt, tetraederförmige Sonden zu verwenden, die an einen Schwingungsarm (tuning-fork) geklebt werden. Der Schwingungsarm wird in Schwingungen versetzt. Schwingungsänderungen aufgrund einer Wechselwirkung der Messspitze mit der Probe werden festgestellt und zur Regelung des Abstandes zwischen Messspitze und Probenoberfläche verwendet. Die Wahl für das Material der Messspitzen richtet sich nach der Wellenlänge der eingesetzten Strahlung. Bei einem bestimmten Bereich der Infrarotstrahlung kann das hierfür transparente Silizium eingesetzt werden. Für ultraviolette Strahlung kann sich Diamant oder Saphir eignen.

Beim dargestellten Stand der Technik erfolgt zumindest ein Teil der Strahlungsführung über op­ tische Linsen oder Glasfaserkabel. Dies hat den Nachteil, dass stets eine nicht unerhebliche Ab­ sorption gegeben ist. Zudem sind Abhängigkeiten von der eingesetzten Wellenlänge gegeben. So leiten Glasfasern in der Regel nur in vorgegebenen Wellenlängenbereichen. Linsen zeigen chro­ matische Aberrationen, wodurch Ungenauigkeiten in der Strahlführung auftreten können.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereit­ zustellen, mit der die vorgenannten Nachteile zumindest weitgehend vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die optischen Mittel eine allein aus Spiegeln bestehende fokussierende Optik mit einem auf die Messspitze ausrichtbaren oder ständig ausgerichteten Fokuspunkt umfassen.

Mit der fokussierenden Optik kann die in die Optik eingegebene Strahlung auf die Messspitze hin gebündelt werden. Besteht die eingekoppelte Strahlung aus einem Bündel paralleler Strahlen, treffen diese sich in einem definierten Fokuspunkt. Durchläuft die Strahlung nach Wechselwirkung mit der Probe die Messspitze, kann sie mittels der fokussierenden Optik effektiv eingesammelt und weitergeleitet werden. Die Weiterleitung der Strahlung zu dem mindestens einen Detektor kann über einen Strahlteiler erfolgen. Es ist möglich, die Strahlung über die fokussierende Optik und über die Messspitze auf eine Probe zu geben und gleichzeitig die Strahlung nach ihrer Wechselwirkung mit der Probe über die Messspitze wieder einzufangen und über die fokussierende Optik dem mindestens einen Detektor zuzuführen.

Die Verwendung von Spiegeln gewährleistet eine weitgehende Vermeidung von chromatischen Aberrationen sowie Absorptionsverlusten. Des weiteren kann für den Fall einer Wellenlängen­ änderung erreicht werden, dass sich der Fokuspunkt der fokussierenden Optik nicht maßgeblich verschiebt und damit die Effektivität der Einstrahlung einer elektromagnetischen Strahlung auf die Messspitze und/oder des Einsammelns der die Messspitze passierenden Strahlung erhalten bleibt. Es ist möglich, die Strahlungswellenlänge unter Einsatz frequenzmodulierbarer Strahlungsquellen oder durch Verwendung mehrerer Strahlungsquellen in einem Bereich von mehr als 10 µm und weniger als 50 nm, also vom Infrarot bis zum Ultraviolett, zu variieren. Auf diese Weise können im Nahfeldbereich der Probe spektroskopische Messverfahren angewendet oder ganze Probenareale spektroskopisch analysiert werden. Dabei können alle Kontrastarten der optischen Nahfeldmikroskopie angewendet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so ausgebildet sein, dass die Messspitze eine Apertur aufweist. Die Apertur kann auf bekannte Weise durch Beschichtung der sich verjüngenden Seiten der Messspitze mit einem für die eingesetzte Strahlung undurchlässigen Material erzeugt werden, wobei das vorderste Ende der Messspitze von der Beschichtung freigelassen wird.

Durch die Apertur kann sowohl Strahlung in Richtung auf eine Probe gegeben als auch von der Probe reflektierte, gestreute oder durch die Probe transmittierte Strahlung aufgefangen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass die fokussierende Optik einen einen Durchgang für die elektromagnetische Strahlung aufweisenden Hohlspiegel und einen Konvexspiegel umfasst, wobei die Spiegelfläche des Hohlspiegels und die des Konvexspiegels einander zugewandt sind. Die beiden Spiegel sind in der Form ihrer spiegelnden Flächen so aufeinander abzustimmen, dass sie gemeinsam eine fokussierende Optik bilden, das heißt bei Eintritt paralleler Strahlen durch den Durchgang diese in einem Fokuspunkt gesammelt werden. Die Krümmungen der Spiegelflächen können dabei auch unstet sein. Beispielsweise kann der Konvexspiegel eine konische Form aufweisen, d. h. in einer Spitze enden.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass in Richtung der optischen Achse der fokussierenden Optik gesehen der Durchgang einen größeren Querschnitt als der Konvexspiegel aufweist. Damit ist es möglich, Strahlung nach ihrer Wechselwirkung mit der Probe unmittelbar, d. h. ohne die Messspitze zu passieren und vom Hohlspiegel oder Konvexspiegel reflektiert zu werden, durch den Durchgang im Hohlspiegel hindurchtreten und dem mindestens einen Detektor zugeleitet werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass zur Veränderung der Position des Fokuspunktes der fokussierenden Optik Konvexspiegel und Hohlspiegel relativ zueinander verfahrbar oder verkippbar sind. Hiermit ist es möglich, mit dem Fokuspunkt wechselnden Positionen der Messspitze zu folgen. Dabei können der Hohlspiegel bzw. der Konvexspiegel jeweils allein oder gleichzeitig bewegt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass zumindest eine der Strahlungsquellen für die Emission von Strahlung mit einer Wellenlänge größer als 2 µm, insbesondere 5 µm bis 20 µm, geeignet ist. Der Einsatz dieses Wellenlängenbereiches, bei dem insbesondere Raman-Spektroskopie durchgeführt werden kann, wird durch die Verwendung von Spiegeln für die fokussierende Optik ermöglicht.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die Nahfeldsonde und die fokussierende Optik in einem gemeinsamen Gehäuse angebracht sind. Die fokussierende Optik und die Nahfeldsonde stehen somit in einer festen geometrischen Beziehung zueinander.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass ein Strahlungskanal zum Sammeln und Abführen von von einer in Untersuchungsposition befindlichen Probe gestreuter, reflektierter, oder durch die Probe transmittierter elektromagnetischer Strahlung und/oder zum Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung auf die Probe vorgesehen ist. Hierdurch ist neben dem Durchgang im Hohlspiegel der fokussierenden Optik ein weiterer Zugang oder Abgang für Strahlung zu einer Probe hin oder von ihr weg gegeben.

Weiterhin ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, dass der Strahlungskanal im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, zumindest in seinem einer in Untersuchungsposition befindlichen Probe nächstgelegenen Teil mindestens eine zur Reflexion von der Probenoberfläche gestreuter oder reflektierter elektromagnetischer Strahlung in den Strahlungskanal hinein geeignete Spiegelfläche aufweist und dass seine äußere Wand zumindest einen Teil der äußeren Wand des Gehäuses bildet.

Es kann auch vorteilhaft sein, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, dass zur Ein­ strahlung von elektromagnetischer Strahlung ein gesonderter Strahlungseintritt vorgesehen ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass der gesonderte Strahlungseintritt durch eine Bohrung durch die Gehäusewand geführt ist. Hierdurch ist ein weiterer Weg für die Zuführung von elektromagneti­ scher Strahlung gegeben.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, dass Mit­ tel zur Bewegung der Messspitze und/oder mindestens eines Teils der fokussierenden Optik relativ zum Gehäuse in zumindest einer Raumrichtung vorgesehen sind. Hierdurch ist es möglich, bei relativ zu einer Probe feststehendem Gehäuse eine Rasterung der Messspitze über die Probenoberfläche durchzuführen. Die Bewegung kann in einer zur makroskopischen Probenoberfläche parallelen Ebene als auch senkrecht dazu (Höhenregelung) erfolgen. Die Bewegung der Messspitze kann mittels einer Piezomechanik erfolgen, an dem ein die Messspitze tragender Auslegerarm befestigt ist. Es wäre auch möglich, über die Piezomechanik lediglich die Bewegung innerhalb der Ebene auszuführen und eine Höheneinregelung durch Bewegung des Gehäuses zu erreichen. Die Bewegung von Teilen der fokussierenden Optik dient zur Nachführung des Fokuspunktes bei sich ändernder Position der Messspitze. Es können gleichfalls Mittel zur Grobjustage der Messspitze und der fokussierenden Optik vorgesehen sein, z. B. manuell bedienbare Gewindeelemente. Es ist sowohl für die rasternde Bewegung der Messspitze als auch für die Grobjustage möglich, die Bewegung von Teilen der fokussierenden Optik und/oder der Messspitze miteinander zu koppeln. Damit könnten beispielsweise die Messspitze und der Konvexspiegel gleichzeitig durch Betätigen eines einzigen Elements derart bewegt werden, dass der Fokuspunkt stets der Bewegung der Messspitze folgt. Alternativ könnten auch Hohlspiegel und Messspitze sowie Hohlspiegel und Konvexspiegel oder sämtliche vorgenannten Teile miteinander für die Bewegung gekoppelt sein.

Es kann auch vorteilhaft sein, die erfindungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, dass die Nah­ feldsonde austauschbar ist. Dies erleichtert durch Auswahl verschiedener Sondenmaterialien die Anpassung an wechselnde Wellenlängen der eingesetzten Strahlung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass sie Teil eines optischen Mikroskops ist. Dafür kann das Gehäuse lösbar an einem Objektivrevolver angebracht sein. Dies setzt eine sehr kompakte Bauweise innerhalb des Gehäuses voraus. Hieraus ergibt sich als Vorteil eine grundsätzliche Einsetzbarkeit eines solchen die Nahfeldsonde und die fokussierende Optik aufweisenden Gehäuses in unterschiedlichen Mikroskopen. Es ist möglich, vor und nach dem Betrieb der Vorrichtung als optisches Nahfeldmikroskop die Probe mittels optischer Mikroskopie zu betrachten. Bei einem lösbar an einem Objektivrevolver angebrachten Gehäuse kann zudem eine Mechanik zum Verfahren des kompletten Gehäuses senkrecht zur Probenoberfläche zwischen dem Gehäuse und dem Objektivrevolver angebracht werden. Das Gehäuse, die Mechanik und der Objektivrevolver können über Gewinde miteinander verbindbar sein.

Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die fokussierende Optik gleichzeitig als abbildende Optik ausgebildet sein. Die fokussierende Optik gemäß Anspruch 1 muss nicht zwangsläufig auch zur Abbildung geeignet sein. Hat die fokussierende Optik jedoch auch abbildende Eigenschaften, kann sie in einem optischen Mikroskop als Teil des optisches Objektivs oder als Objektiv selbst eingesetzt werden. Damit ist es möglich, zunächst mit dem optischen Mikroskop die zu untersuchende Stelle auszusuchen und anschließend ohne Wechsel des Objektivs die optische Nahfelduntersuchung durchzuführen. Um abbildende Eigenschaften zu erhalten, müssen die Spiegelflächen der fokussierenden Optik in geeigneter Weise ausgebildet werden. Zur Ermittlung der geeigneten Spiegelformen können zum Beispiel Simulationsprogramme eingesetzt werden.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass der Strahlungskanal (24) Teil eines Dunkelfeldkanals des optischen Mikroskops ist. Somit kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als optisches Mikroskop im Dunkelfeldmodus betrieben werden. Es können grundsätzlich sämtliche Kontrastarten der optischen Mikroskopie angewendet werden.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass das Gehäuse von einem Kryostaten umgeben ist. Hierdurch werden spektroskopische SNOM-Untersuchungen in der Nähe des absoluten Nullpunktes ermöglicht.

Im folgenden wird anhand dreier Figuren eine vorteilhafte Ausbildungsform der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung dargestellt.

Es zeigt in schematischer Darstellung

Fig. 1 im Querschnitt ein Wechselobjektiv für ein optisches Mikroskop mit einer Nahfeldsonde,

Fig. 2 das Wechselobjektiv gemäß Fig. 1 in Aufsicht,

Fig. 3 eine mit Strahlung beaufschlagte Nahfeldsonde oberhalb einer zu untersuchenden Probenoberfläche und

Fig. 4 im Querschnitt ein weiteres Wechselobjektiv für ein optisches Mikroskop mit einer Nahfeldsonde.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein Wechselobjektiv im Querschnitt bzw. in Aufsicht, das in einem opti­ schen Mikroskop einsetzbar ist. Mit einem Gewinde 2 in der äußeren Wand 3 des Gehäuses 4 kann das Wechselobjektiv 1 z. B. in einen hier nicht dargestellten Objektivrevolver eines Mikro­ skops oder in eine hier ebenfalls nicht dargestellte Mechanik zum Verfahren des Gehäuses eingesetzt werden. Unterhalb des Wechselobjektivs 1 sind in Fig. 1 ein Probentisch 5 und eine zu untersuchende Probe 6 dargestellt. Die Größenverhältnisse, insbesondere zwischen Probe 6 und Wechselobjektiv 1, sind in den Figuren für eine verständliche Darstellung nicht maßstabsgetreu wiedergegeben.

Innerhalb des Wechselobjektivs 1 befindet sich eine innere Wand 7, die über drei Stege 8 (Fig. 2) an der äußeren Wand 3 befestigt ist. Die innere Wand 7 schließt einen zylinderförmigen In­ nenraum ein, in dem eine von der inneren Wand 7 gehaltene fokussierende Optik 9 angeordnet ist. Die fokussierende Optik 9 besteht aus einem Hohlspiegel 10 und einem Konvexspiegel 11. Der Konvexspiegel 11 ist über Stege 12 an der inneren Wand 7 befestigt. Diese Befestigung ist über hier nicht dargestellte Mittel derart beweglich ausgestaltet, dass der Fokuspunkt der fokussierenden Optik 9 in der Höhe sowie lateral verschiebbar ist. Die fokussierende Optik 9 ist gleichzeitig als abbildende Optik ausgelegt. Hierfür wurden die Formen von Hohlspiegel 10 und Konvexspiegel 11 einander angepasst.

Durch einen Strahlungsdurchgang 13 im Hohlspiegel 10 kann Strahlung eingegeben werden, die nach Reflexion am Konvexspiegel 11 mittels des Hohlspiegels 10 fokussiert wird. Über ein an der inneren Wand 7 fixiertes Halteelement 14 ist im Wechselobjektiv 1 eine Nahfeldsonde 15 angeordnet. Die Nahfeldsonde 15 umfasst eine Piezomechanik 16, einen Auslegerarm 17 und eine Messspitze 18. Der Auslegerarm 17 sowie die Messspitze 18 sind vergrößert in Fig. 3 oberhalb der Probe 6 dargestellt. Mit der Piezomechanik 16 kann die Messspitze 18 innerhalb des Wechselobjektivs 1 justiert werden. Der verstellbare Fokuspunkt kann einer Positionsveränderung der Messspitze 18 folgen.

Mit der dargestellten Vorrichtung sind nun folgende Verfahrensweisen für die optische Nah­ feldmikroskopie möglich:
Über den Strahlungsdurchgang 13 wird Infrarotstrahlung in die fokussierende Optik 9 eingestrahlt und durch den Hohlspiegel 10 in Richtung auf die Messspitze 18 fokussiert. Die Strahlung, deren Gang in Fig. 1 durch die Linien 20 und in Fig. 3 durch die gestrichelten Linien 21 dargestellt ist, trifft auf die Rückseite 19 der Messspitze 18. Die Messspitze 18, im Falle von Infrarotstrahlung z. B. aus Silizium bestehend, weist an ihrer vordersten Spitze eine Apertur auf, die beispielsweise durch Beschichtung ihrer übrigen Oberfläche im sich verjüngenden Teil der Messspitze 18 mit einem für die eingesetzte Strahlung undurchlässigen Material erzeugt wird. Durch diese Apertur verlässt die über die unbeschichtete Rückseite 19 eingestrahlte Strahlung die Messspitze 18, trifft auf die Oberfläche 22 und wechselwirkt dort mit der Materie der Probe 6. Die von der Probenoberfläche 22 rückwärts gestreute Strahlung wird von an der äußeren Wand 3 des Wechselobjekts 1 angeordnete Spiegel 23 aufgesammelt und durch einen ringförmigen, von der äußeren Wand 3 und der inneren Wand 7 begrenzten Strahlungskanal 24 aus dem Wechselobjektiv 1 hinausgeführt. Die Spiegel sind hier einstückig mit der Gehäusewand dargestellt, können jedoch auch gesondert angebracht werden. Außerhalb des Wechselobjektivs 1 wird die aufgesammelte Streustrahlung mit hier nicht dargestellten Mitteln einem ebenfalls nicht dargestellten Detektor zugeführt. Nach jeder Messung wird der Probentisch 5 verfahren, so dass eine weitere Messung an einem anderen Ort der Probenoberfläche 22 stattfinden kann. Der Abstand zwischen der Messspitze 18 und der Probenoberfläche 22 wird über spezielle hier nicht dargestellte Sensoren eingeregelt, die Van­ der-Waals-Kräfte, magnetische, elektrische oder sonstige Wechselwirkungen zwischen der Messspitze 18 und der Probenoberfläche 22 ausnutzen. Die Möglichkeiten der Ausnutzung derartiger Wechselwirkungen ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 199 20 249 offenbart.

Es ist auch möglich, im Transmissionsmodus zu arbeiten und unterhalb der Probe 6 einen De­ tektor anzubringen, über den durch die Probe 6 transmittierte Strahlung untersucht werden kann. Es ist auch möglich, die von der Probenoberfläche 22 durch die Apertur der Messspitze 18 zu­ rückreflektierte oder -gestreute Strahlung zu sammeln und über den Strahlungsdurchgang 13 einem Detektor zuzuführen. Die reflektierte oder gestreute Strahlung kann aus dem Strahlengang mittels eines hier nicht dargestellten Strahlteilers ausgekoppelt werden.

Die Apertur der Messspitze 18 kann also sowohl als Strahlungsaustritt für die Beleuchtung der Probenoberfläche 22 als auch als Strahlungseintritt für die von der Probenoberfläche 22 reflek­ tierte oder gestreute oder die durch die Probe 6 transmittierte Strahlung dienen.

So kann eine Strahlungsquelle auch unterhalb der Probe 6 angeordnet sein. Die transmittierte Strahlung wird dann über die Apertur der Messspitze 18 aufgefangen und über die fokussierende Optik 9 und den Strahlungsdurchgang 13 dem Detektor zugeführt.

Der Nahfeldsensor 15 ist austauschbar. So kann in dem beschriebenen Wechselobjektiv 1 auch ein hier nicht gesondert dargestellter Nahfeldsensor ohne Apertur eingesetzt werden. In diesem Falle wird die z. B. über den Strahlungskanal 24 oder von unterhalb der Probe 6 eingestrahlte Strahlung an der Messspitze gestreut und hierdurch erst lokal der Probenoberfläche 22 zugeführt und anschließend nach Transmission, Streuung oder Reflexion, in den beiden fetzten Fällen z. B. über den Strahlungskanal 24, aufgesammelt. Die optische Nahfeldmikroskopie mit einem aperturlosen Nahfeldsensor ist in US 4 947 034 offenbart.

Über die fokussierende Optik 9 kann das Wechselobjektiv 1 auch als optisches Objektiv zur opti­ schen Mikroskopie, z. B. zur optischen Betrachtung der Probenoberfläche 22, dienen. Hierfür kann das Wechselobjektiv 1 im Hellfeldmodus oder im Dunkelfeldmodus verwendet werden. Für den Dunkelfeldmodus wird über den Strahlungskanal 24 Licht eingestrahlt und die Pro­ benoberfläche 22 über die fokussierende Optik 9 betrachtet. Im Hellfeldmodus wird die Pro­ benoberfläche z. B. in Durchsicht betrachtet. Der Fokuspunkt der fokussierenden Optik 9 kann über Bewegung des Konvexspiegels 11 bewegt werden.

Fig. 4 zeigt eine weiteres Wechselobjektiv 25 mit einem Gehäuse 26 und einem Gewinde 27 für den Einsatz in einem Objektivrevolver eines optischen Mikroskops. Die fokussierende Optik 28, die gleichzeitig als abbildende Optik ausgelegt ist, besteht aus einem in etwa konisch geformten Konvexspiegel 29 und einem Hohlspiegel 30. Der Hohlspiegel 30 weist einen Durchgang 31 auf, dessen Durchmesser in Richtung der optischen Achse der fokussierenden Optik 28 betrachtet ein Vielfaches des Durchmessers des Konvexspiegels 29 beträgt. Auf den Konvexspiegel 29 gerichtete Strahlung 36 wird vom Konvexspiegel 29 und vom Hohlspiegel 30 derart reflektiert, dass sie in einem Fokuspunkt gebündelt wird, der innerhalb einer Messspitze 32 einer Nahfeldsonde 33 liegt. Die Strahlung 36 kann durch die Messspitze 32 hindurchtreten und triffl auf die Probe 34, die auf einem Probentisch 35 liegt. Nach Wechselwirkung mit der Probe 34 kann die Strahlung 36 nun unmittelbar, d. h. ohne zuvor die Messspitze 32 zu durchlaufen und ohne Reflexion an einem der Spiegel 29 oder 30 durch den Durchgang 31 treten und einem hier nicht dargestellten Detektor zugeführt werden.

Bezugszeichenliste

1

Wechselobjektiv

2

Gewinde

3

äußere Wand

4

Gehäuse

5

Probentisch

6

Probe

7

innere Wand

8

Steg

9

fokussierende Optik

10

Hohlspiegel

11

Konvexspiegel

12

Steg

13

Strahlungsdurchgang

14

Halteelement

15

Nahfeldsonde

16

Piezomechanik

17

Auslegerarm

18

Messspitze

19

Rückseite

20

Strahlungslinien

21

Strahlungslinien

22

Probenoberfläche

23

Spiegel

24

Strahlungskanal

25

Wechselobjektiv

26

Gehäuse

27

Gewinde

28

fokussierende Optik

29

Konvexspiegel

30

Hohlspiegel

31

Durchgang

32

Messspitze

33

Nahfeldsonde

34

Probe

35

Probentisch

36

Strahlung

Claims (18)

1. Vorrichtung zur optischen Nahfeldmikroskopie, umfassend eine Nahfeldsonde (15) mit einer Messspitze (18),
mindestens eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung und optische Mittel zur Führung der von der Strahlungsquelle stammenden elektromagnetischen Strahlung zur Messspitze (18) hin und/oder zum Sammeln und Weiterleiten von nach Wechselwirkung mit einer in Untersuchungsposition befindlichen Probe (6) die Messspitze (18) passierender elektromagnetischer Strahlung zu mindestens einem Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass
die optischen Mittel eine allein aus Spiegeln bestehende fokussierende Optik (9) mit einem auf die Messspitze (18) ausrichtbaren oder ständig ausgerichteten Fokuspunkt umfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messspitze (18) eine Apertur aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Optik einen einen Durchgang (13) für die elektromagnetische Strahlung aufweisenden Hohlspiegel (10) und einen Konvexspiegel (11) umfasst, wobei die Spiegelfläche des Hohlspiegels (10) und die des Konvexspiegels (11) einander zugewandt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der optischen Achse der fokussierenden Optik (9) gesehen der Durchgang (13) einen größeren Querschnitt als der Konvexspiegel (11) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Position des Fokuspunktes der fokussierenden Optik (9) Konvexspiegel (11) und Hohlspiegel (10) relativ zueinander verfahrbar oder verkippbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Strahlungsquellen für die Emission von Strahlung mit einer Wellenlänge größer als 2 µm, insbesondere 5 µm bis 20 µm, geeignet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahfeldsonde (15) und die fokussierende Optik (9) in einem gemeinsamen Gehäuse (4) angebracht sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlungskanal (24) zum Sammeln und Abführen von von einer in Untersuchungsposi­ tion befindlichen Probe (6) gestreuter, reflektierter, oder durch die Probe transmittierter elektro­ magnetischer Strahlung und/oder zum Einstrahlen von elektromagnetischer Strahlung auf die Probe (6) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskanal (24) im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, zumindest in seinem einer in Untersuchungsposition befindlichen Probe (5) nächstgelegenen Teil mindestens eine zur Reflexion von der Probenoberfläche (22) gestreuter oder reflektierter elektromagnetischer Strahlung in den Strahlungskanal (24) hinein geeignete Spiegelfläche (23) aufweist und dass seine äußere Wand zumindest einen Teil der äußeren Wand (3) des Gehäuses (4) bildet.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstrahlung von elektromagnetischer Strahlung ein gesonderter Strahlungseintritt vor­ gesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 mit Rückbezug auf Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der gesonderte Strahlungseintritt durch eine Bohrung durch die Gehäusewand (3) geführt ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bewegung der Messspitze (18) und/oder mindestens eines Teils der fokussierenden Optik (9) relativ zum Gehäuse (4) in zumindest einer Raumrichtung vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahfeldsonde (15) austauschbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil eines optischen Mikroskops ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder einem der Ansprüche 8 bis 14 mit Rückbezug auf Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) lösbar an einem Objektivrevolver angebracht ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Optik (9) gleichzeitig als abbildende Optik ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16 mit Rückbezug auf Anspruch 8 und Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungskanal (24) Teil eines Dunkelfeldkanals des optischen Mikroskops ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder einem der Ansprüche 8 bis 17 mit Rückbezug auf Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse von einem Kryostaten umgeben ist.