DE19960476A1

DE19960476A1 - Verfahren zur Herstellung einer Sonde für die optische Rasternahfeldmikroskopie und mit diesem Verfahren hergestellte Sonde

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Publication number: DE19960476A1
Application number: DE19960476A
Authority: DE
Original assignee: Universitaet Ulm
Current assignee: Universitaet Ulm
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-07-12
Also published as: WO2001044853A3; WO2001044853A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Sonde für die optische Rasternahfeldmikroskopie und eine mit diesem Verfahren hergestellte Sonde. Hierzu wird die als Sonde zu verwendende Glasfaser nach dem Ätzprozeß naß abgeschliffen, um eine sehr scharfe Spitze mit einem kleinen Spitzenradius im Nanometer-Bereich und gleichzeitig eine glatte Oberfläche zu erhalten. Der Konuswinkel der Sonde läßt sich durch Variation des Schleifwinkels im Bereich zwischen 20 DEG und 90 DEG einstellen. Die derart hergestellten Sonden ermöglichen Untersuchungen mit einem hohen Transmissionsverhältnis in der Größenördnung von mindestens 10·-3· und einer Auflösung deutlich unter 100 nm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Sonde für die optische Rasternahfeldmikroskopie (SNOM: "Scanning Near-Field Optical Microscopy") und eine mit diesem Verfahren hergestellte Sonde.

Die optische Rasternahfeldmikroskopie, ein Verfahren aus der modernen Familie der Rastersondenmikroskopie, erlaubt, das klassische, beugungsbegrenzte Auflösungslimit herkömmlicher Mikroskopietechniken zu umgehen und dadurch Strukturen, die deutlich kleiner als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts sind, sichtbar und damit für Untersuchungszwecke zugänglich zu machen (D. W. Pohl, W. Denk und M. Lanz, Appl. Phys. Lett., 44, 651-653, 1984).

Zum Betrieb eines Rasternahfeldmikroskops muß eine kleine Apertursonde mit einem Durchmesser im Bereich von 100 nm oder darunter im Abstand von wenigen Nanometern über die Probe geführt werden. Licht, das aus dieser Apertur emittiert wird, tritt in Wechselwirkung mit der Probe und wird anschließend mittels geeigneter Optik und Detektor ausgewertet. Ein Bild der Oberfläche der Probe wird dadurch erzeugt, daß die Sonde Punkt für Punkt und Zeile für Zeile über die Oberfläche der zu untersuchenden Probe bewegt wird und die dabei gewonnenen Daten anschließend elektronisch bzw. mit Hilfe der Datenverarbeitung zusammengesetzt werden.

Eine Hauptschwierigkeit bei der Durchführung der optischen Rasternahfeldmikroskopie ist die Herstellung geeigneter Apertursonden. Hierzu finden in der Regel handelsübliche Glasfasern Verwendung, die nach einer Reihe von Verfahren präpariert werden.

In den weitaus meisten Fällen werden die in der Nahfeldoptik verwendeten Sonden durch verjüngte gezogene Glasfasern gebildet, wie sie in E. Betzig, J. K. Trautmann, T. D. Harris, J. S. Weiner und R. L. Kostelak, Science, 257, 1468-1470, 1991, beschrieben sind. Diese gezogenen Glasfasern werden derart mit Metall bedampft, daß nur der vordere Bereich der Faser lichtdurchlässig bleibt, d. h. die Apertur bildet. Ein entscheidender Nachteil der gezogenen Glasfaserspitzen beruht darauf, daß beim Zugprozeß während der Herstellung gleichzeitig der Kern der Faser ausgedünnt wird. Dadurch wird die Wellenführung des Lichts stark gestört bis hin zur internen Totalreflektion im Bereich der Spitze. Daher tritt nur noch ein sehr kleiner Teil des eingekoppelten Lichtes in der Größenordnung von 10^-6 (Transmissionsverhältnis) durch die Apertur aus. Diese geringe Intensität bewirkt generell ein schlechtes Signal- Rausch-Verhältnis und schränkt darüber hinaus die Zahl der möglichen Anwendungen beträchtlich ein. Außerdem werden beim Ziehprozeß Materialspannungen erzeugt, die die mechanische Stabilität der Spitzen stark vermindern.

Alternative Vorschläge, z. B. von D. R. Turner, U.S. Patent No. 4,469,554 (1984) geätzte Glasfasersonden einzusetzen, haben den Nachteil, daß sich aufgrund der aus dem Ätzprozeß resultierenden rauhen Oberfläche beim anschließenden Bedampfungsprozeß keine homogene Metallschicht mit wohldefinierter Apertur erzeugen läßt und somit nur eine unbefriedigende optische Auflösung erzielt wird. Zwar bleibt bei diesen Sonden der Durchmesser des Kerns der Sondenspitze über einen weiten Bereich erhalten, aber das Verfahren erlaubt keine Herstellung von Sonden reproduzierbarer Qualität. Auch ein modifiziertes Verfahren z. B. von P. Lambelet, A. Sayah, M. Pfeffer, C. Philipona und F. Marquis- Weible, Appl. Opt., 37 (1), 7289-7292 konnte die Oberflächenrauhigkeit nicht völlig beseitigen; zudem bleibt der maximale Öffnungswinkel der Spitzen auf etwa 40° beschränkt. Daher gibt es bislang keine Veröffentlichungen über Messungen mit einem optischen Rasternahfeldmikroskop mit geätzten Spitzen, die eine überzeugende optische Auflösung aufweisen würden.

Neuerdings werden z. B. von E. Oesterschulze, Optical Memory & Neural Networks, 7, No. 4, 251-265, 1998 und von D. Drews, W. Ehrfeld, M. Lacher, K. Mayr, W. Noell und S. Schmitt, Nanotechnology, 10, No. 1, 61-64, 1999 mikrofabrizierte Cantilever-Sonden als Sonden für die optische Rasternahfeldmikroskopie vorgeschlagen, die auf dem Konzept eines Rasterkraftmikroskops (AFM) basieren. Die mikrofabrizierten Cantilever-Sonden lassen sich daher nicht in ein herkömmliches Rasternahfeldmikroskop integrieren, sondern erfordern einen auf einem Rasterkraftmikroskop basierenden Aufbau. Neben vergleichsweise hohen Kosten für die Herstellung einer entsprechenden Sonde aufgrund des Einsatzes von Methoden der Mikrostrukturtechnik resultiert die Verwendung derartiger Sonden in zusätzlichen Investitionskosten in beträchtlicher Höhe für ein modifiziertes optische Rasternahfeldmikroskop.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, Sonden für die optische Rasternahfeldmikroskopie in reproduzierbarer Qualität herzustellen, die die Nachteile der genannten Sonden vermeiden und zusätzlich variable Öffnungswinkel bis zu 90° für ein wesentlich verbessertes Transmissionsverhältnis sowie eine hohe mechanische Stabilität aufweisen.

Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, daß die als Sonde für die optische Rasternahfeldmikroskopie zu verwendende Glasfaser nach einem einleitenden Ätzprozeß naß abgeschliffen wird, um eine sehr scharfe Spitze mit einem kleinen Spitzenradius im Nanometer-Bereich und gleichzeitig eine glatte Oberfläche zu erhalten. Die glatte Oberfläche ist wiederum erforderlich, um eine gute Qualität der Metallschicht zu erhalten, die im Anschluß daran aufgedampft wird. Variationen der Spitzenform aufgrund der Einzelheiten des chemischen Ätzprozesses lassen sich durch Veränderung der Parameter beim wesentlich besser kontrollierbaren Abschleifprozeß korrigieren, wodurch sich eine hohe Reproduzierbarkeit der Spitzenqualität erzielen läßt. Durch den einstellbaren Schleifwinkel lassen sich schließlich unterschiedliche Spitzengeometrien realisieren.

Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Sonden ermöglichen Untersuchungen mit einem optischen Rasternahfeldmikroskopie mit einer Auflösung deutlich unter 100 nm. Die Basisform der geätzten Spitzen mit dem resultierenden hohen Transmissionsverhältnis in der Größenordnung von 10^-3 bleibt zunächst erhalten. Durch den darauffolgenden Abschleifprozeß wird die Oberflächenrauhigkeit stark vermindert; gleichzeitig läßt sich der Konuswinkel im Spitzenbereich variieren. Besonders vorteilhaft sind Öffnungswinkel zwischen 40° und 90°. Durch die Vergrößerung des Öffnungswinkels kann das Transmissionsverhältnis sogar noch erhöht werden. Auch der Spitzenradius wird entscheidend verkleinert. Dadurch lassen sich kleine Aperturen erzielen. Mit dem Verfahren lassen sich auch gezogene Glasfaserspitzen bearbeiten.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Vorteile aufweist:

- hohe Reproduzierbarkeit bei der Herstellung von SNOM- Sonden durch selbstjustierende Abschleifmethode
- Glatte Materialoberfläche zur Erzeugung einer homogenen Metallisierung für Sonden mit kleinen Aperturdurchmessern;
- um mindestens drei Größenordnungen höheres Transmissionsverhältnis gegenüber gezogenen Faserspitzen;
- hohe mechanische Stabilität der Sonden aufgrund des großen Konuswinkels und der Vermeidung von Materialspannungen, wie sie bei den gezogenen Spitzen auftreten;
- geringe Materialkosten durch die Verwendung von handelsüblichen Glasfasern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Zur Herstellung einer Sonde für die optische Rasternahfeldmikroskopie wird eine monomodige Glasfaser zunächst bei Raumtemperatur mit 40%-iger Flußsäure (HF) geätzt und daran anschließend auf einem modifizierten Mikropipetten-Schleifgerät mit einer Al₂O₃-Schleifplatte (Korngröße der Schleifpartikel 50 nm) zugeschliffen, wobei die Fasern gleichzeitig um ihre eigene Achse rotieren. Dadurch erhält man die für den anschließenden Bedampfungsprozeß erforderliche sehr glatte Oberfläche und gleichzeitig eine extrem scharfe symmetrische Spitze mit einem Spitzenradius im Nanometer-Bereich. Der Konuswinkel der Sonde läßt sich durch Variation des Schleifwinkels im Bereich zwischen 40° und 90° einstellen. Die Apertur wird schließlich nach einem üblichen Verfahren erzeugt, indem die Sonden in einer Vakuumkammer unter einem bestimmten Winkel derart mit Metall bedampft werden, daß durch Abschattung im Spitzenbereich eine kleine Öffnung (Apertur) übrig bleibt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Sonde für die optische Rasternahfeldmikroskopie, mit den Schritten,

- Ätzen einer Spitze an eine Glasfaser;
- Abschleifen der Glasfaser unter einem variablen Schleifwinkel;
- Aufdampfen einer Metallschicht.

2. Verfahren zur Herstellung einer Sonde für die optische Rasternahfeldmikroskopie, mit den Schritten,

- Ziehen einer Spitze aus einer Glasfaser;
- Abschleifen der Glasfaser unter einem variablen Schleifwinkel;
- Aufdampfen einer Metallschicht.

3. Sonde für die optische Rasternahfeldmikroskopie hergestellt nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel der Sonde zwischen 20° und 90° beträgt.

4. Sonde für die optische Rasternahfeldmikroskopie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissionsverhältnis oberhalb von 10^-4 insbesondere oberhalb von 10^-3 liegt.

5. Sonde für die optische Rasternahfeldmikroskopie nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß deren Auflösungsvermögen unterhalb von 100 nm, insbesondere unterhalb von 80 nm liegt.