DE3916047A1

DE3916047A1 - Spitzen aus mehrschaligen materialien, anwendung der spitzen als sonden in verschiedenen verfahren der beruehrungslosen abtastmikroskopie, und verfahren zur herstellung dieser spitzen

Info

Publication number: DE3916047A1
Application number: DE3916047A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Fischer
Original assignee: Hund Helmut GmbH
Current assignee: FISCHER, ULRICH, DR., 48159 MUENSTER, DE
Priority date: 1989-05-17
Filing date: 1989-05-17
Publication date: 1990-11-22
Anticipated expiration: 2009-05-18
Also published as: DE3916047C2

Description

Die Erfindung betrifft Spitzen aus verschiedenen Mate rialien und deren Verwendung als Sonden in der berührungs losen Abtastmikroskopie, z.B. als Sonde für die optische Nahfeld-Rastermikroskopie (im weiteren SNOM genannt = Scanning Near Field Optical Microscopy), wie sie in den Aufsätzen 2, 3, 9, 11 und 12 des beigefügten Literaturver zeichnisses beschrieben ist. Ferner auch als Sonde für andere derartige Verfahren, wie z.B. die Kapazitätsmikroskopie (siehe 4 des Verzeichnisses), und die Rastertunnelmikro skopie (= RTM, beschrieben in 1 und 13) und dar Thermopro filometrie (siehe hierzu 5 des Verzeichnisses) .

Es ist bekannt, für die verschiedenen Verfahren der berührungslosen Abtastmikroskopie Spitzen als Sonden zu verwenden. So werden rein metallische Spitzen für die Rastertunnelmikroskopie und die Kapazitätsmikroskopie verwendet, während metallische Spitzen mit isolierendem Glasmantel ebenfalls für die RTM und komplizierter struk turierte Spitzen für die Thermoprofilometrie und für SNOM verwendet werden.

Für SNOM verwandten Pohl et al (in 9) und auch Betzig et al (in 3) einen in eine Spitze zulaufenden Hohlleiter. Und zwar verwenden Betzig et al eine zu einer Spitze ausgezogene Kapillare, die mit Metall beschichtet ist, während Pohl et al eine mit Metall beschichtete Glas oder Quartz-Spitze mit einer Öffnung von ca. 20 - 100 nm benutzen.

Im Rahmen der Elektrodynamik können diese Gebilde als zu einer Spitze zulaufende Hohlleiter betrachtet werden.

Reddick et al und Courjon et al schlagen eine Sonde vor in Form einer einfachen Glasspitze, d.h. einer zu einer Spitze ausgezogenen bzw. zu einer Spitze geätzten Glas faser (siehe 11 und 12 des Verzeichnisses).

Diese bekannten Sonden haben jedoch den Nachteil, daß nach den Gesetzen der Elektrodynamik Energie nur sehr ineffi zient vom Hohlleiter bzw. von der Faser in die Spitze oder auch von der Spitze in den Hohlleiter bzw. die Faser trans portiert werden kann, wenn der Durchmesser des Wellen leiters kleiner ist als die Wellenlänge des in die Spitze zu sendenden Lichtes.

Es war daher bisher noch nicht möglich, mit einer Spitze als Sonde SNOM in einer Reflexionsanordnung zu demon strieren, wie es für eine andere Art der SNOM-Sonden möglich ist. Eine Spitzengeometrie ist der bisher für SNOM in Reflexion verwendeten und z.B. in (2) beschrie benen Sonde deshalb vorzuziehen, weil eine Sonde mit Spitzengeometrie leichter an beliebig geformte Objekt oberflächen herangeführt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu überwinden und eine zur besonders guten Heranführung an die Objektoberfläche geeignete Sonde anzugeben. Diese Aufgabe ist durch eine Sonde gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt.

Wesentlichstes Merkmal ist dabei, daß die erfundene Spitze als mehrschaliges koaxiales Kabel ausgebildet ist, dessen eigentliche Spitze - je nach Verwendungszweck als Sonde in den verschiedenen Verfahren der berührungslosen Abtast mikroskopie - besonders ausgeformt ist.

Der Lösungsweg folgt dem aus der Elektrodynamik bekannten theoretischen Konzept des "radialen" Wellenleiters, d.h. eines Wellenleiters für Kugelwellen (siehe 8).

In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungs beispielen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen radialen Wellenleiter mit einer in die Spitze hinein- und einer aus der Spitze herauslaufenden TEM Mode,

Fig. 2 schematisch eine erfundene Koaxialkabel-Spitze in allgemeiner Form,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Spitze mittels eines ringförmigen Spiegels beleuchtet wird,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Bestrahlungs licht durch die Spitze eingestrahlt wird,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel mit durch die Spitze ver laufender Lichteinstrahlung und -herausführung,

Fig. 6 eine Ausführungsform der erfundenen Koaxialkabel- Spitze, die sich besonders für die Tunnelmikro skopie eignet,

Fig. 7 eine Ausführungsform der erfundenen Koaxialkabel- Spitze, die sich besonders für die Thermoprofilo metrie eignet.

Es ist bekannt, daß elektromagnetische Wellen mit Hilfe von speziellen Wellenleitern über große Distanzen trans portiert werden können, auch wenn der Durchmesser des Wellenleiters wesentlich kleiner ist als die Wellenlänge. Dies gilt z.B. für Koaxialkabel, nicht aber für Hohl leiter. In einer dielektrischen Faser kann elektromag netische Energie ebenfalls fortgeleitet werden, wenn der Durchmesser der Faser wesentlich kleiner ist als die Wellenlänge. Das elektromagnetische Feldtritt jedoch umso weiter in den die Faser umgebenden Raum aus, je kleiner der Durchmesser der Faser ist, sofern dieser nur kleiner ist als die halbe Wellenlänge. In einem zu einer Spitze zulaufenden Koaxialkabel kann die elek tromagnetische Energie bis in die Spitze transportiert werden. Dies ergibt sich daraus, daß in dem radialen Wellenleiter der theoretischen Form, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, eine in die Spitze hineinlaufende und aus der Spitze herauslaufende TEM Mode existiert, deren Amplituden in der Spitze divergieren (siehe 8, S.282). Hiernach ergeben sich die Amplituden der in die Spitze einlaufenden bzw. aus der Spitze herauslaufenden radialen elektrischen und zirkularen magnetischen Wellenfelder zu

E _R ^-/+ = (ik/(2π f ε r sin R)) exp (+/- ikr)
H _Φ ^-/+ = -/+ i/(r sin R)) exp (+/- ikr)

In dieser Gleichung sind r, R und Φ die Polarkoordinaten, K = 2π λ ist die Wellenzahl, λ die Wellenlänge im Glas mit der Dielektrizitätskonstanten ε, f ist die Frequenz des Lichtes. E _R und HΦ sind das polare elektrische und azimutale magnetische Feld. Der Index + gilt für die einlaufende, - für die aus der Spitze auslaufende Welle.

Je nachdem, mit welcher Impedanz die Spitze abgeschlossen wird, wird mehr oder weniger Energie aus der Spitze herausgestrahlt oder in die Spitze zurückreflektiert. Diese Impedanz hängt sehr empfindlich ab von der Gestal tung der Spitze in dem in Fig. 2 mit d angegebenen Bereich und von der unmittelbaren Umgebung der Spitze. Dieses Phänomen ist die Grundlage für den Einsatz einer solchen koaxialen Spitze als Sonde für die SNOM. Auf Grund der höheren Effizienz der Lichtleitung aus dem radialen Wellenleiter in die Spitze hinein und aus der Spitze heraus in den Wellenleiter im Fall der koaxialen Spitze, ist eine koaxiale Spitze auch für eine Reflexionsanordnung einsetzbar.

Im allgemeinen werden im optischen Wellenlängenbereich keine metallischen Wellenleiter sondern rein dielektrische Wellenleiter verwendet, weil es meist darum geht, Licht über große Distanzen zu transportieren. Metalle sind im optischen Wellenlängenbereich keine guten Leiter, so daß bei der Lichtleitung sehr große Verluste auftreten, die bei dielektrischen Wellenleitern nicht auftreten. Im vorliegenden Falle geht es aber nur um die Leitung über sehr kurze Strecken im um-Bereich. Für Metalle wie Aluminium ist die Wellenleitung über einige um in einem Koaxialkabel im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes möglich.

Dieses für den optischen Bereich aufgestellte Konzept der Koaxialkabel-Spitzen kann aber ebenso gut auch für den niederfrequenten Bereich angewendet werden. Hieraus ergibt sich ein neuer Ansatz für die Kapazitätsmikroskopie, eine weitere Art der berührungslosen Abtastmikroskopie.

Verwendung der Koaxialkabel-Spitzen als Sonden

Die erfundene Koaxialkabel-Spitze hat die in Fig. 2 gezeigte allgemeine Form.

In dieser Figur ist mit K der im allgemeinen runde metal lische Kern bezeichnet, der koaxial von einem Dielektri kum D umgeben ist. Auf diesem Dielektrikum ist wiederum koaxial ein Überzug ü aufgebracht, der in der Regel ebenfalls aus Metall besteht.

Im Bereich d ist das Ende der Koaxialkabel-Spitze unter schiedlich ausgebildet, um als Sonde für die verschiedenen Arten der berührungslosen Abtastmikroskopie brauchbar zu sein.

a) In einem ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) wird die Spitze S mit Hilfe eines ringförmigen Spiegels RSp - ähnlich wie bei Dunkelfeldauflicht-Anordnungen - mit poly- oder monochromatischem Licht beleuchtet. Das über das Ende d in die Koaxialkabel-Spitze S eingekoppelte Licht wird mit Hilfe einer Fotodiode F oder mit einem Photomultiplier detektiert.
b) In einem zweiten Ausführungsbeipiel (Fig. 4) wird das Bestrahlungslicht durch die Spitze S eingestrahlt. Das aus deren Ende d austretende Licht wird über den Ringspiegel RSp von Fotodioden F detektiert, die in gleicher Weise angeordnet sind, wie im Ausführungs beispiel gemäß Fig. 3. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Probe einer geringeren Strahlenbelastung ausgesetzt ist.
c) In einem dritten Ausführungsbeispiel (Fig. 5) erfolgt sowohl die Einstrahlung des Lichtes als auch die Heraus führung des Detektionsstrahles durch die Koaxialkabel- Spitze S. Das Beleuchtungslicht wird über einen halb durchlässigen Spiegel HSp eingestrahlt. Das reflektierte, durch den halbdurchlässigen Spiegel HSp hindurchtretende Licht wird mit Hilfe der Fotodiode F registriert. Um das vom Objekt O in die Spitze S reflektierte Licht von demjenigen Licht zu separieren, das von anderen Teilen der Koaxialkabel-Spitze S reflektiert wird, kann der Abstand zwischen Spitze und Objekt hochfrequent moduliert werden. Die Fotodiode F ist dabei derart ausgelegt, daß sie nur das modulierte Signal registriert.
d) In einer besonderen, in Fig. 6 schematisch gezeigten Ausführungsform eignet sich die Koaxialkabel-Spitze speziell für die Tunnelmikroskopie, insbesondere in Elektrolyten.
In der Figur ist mit K wiederum der metallische Kern bezeichnet, der insbesondere aus Gold bestehen kann. Dieser Kern ist koaxial von einem Glasmantel G umgeben.
e) Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, in der sich die Koaxialkabel-Spitze speziell für die Thermoprofilo metrie eignet. Diese Ausführungsform hat die in der Figur gezeigte Struktur, in der mit K wiederum der runde metallische Kern bezeichnet ist, der vorzugsweise aus Kupfer besteht. Er wird koaxial von einem Glas- oder Quartzmantel G/Q umgeben, der seinerseits von dem koaxialen metallischen Überzug Ü abgedeckt ist, der vorzugsweise aus Nickel besteht. Dieser Überzug ist aufgebracht durch eine Kegelbedampfung der Spitze unter einem Winkel von 90°.

Die erfundene Koaxialkabel-Spitze mit ihrem Ende E ist aber nicht nur für die Mikroskopie von Interesse, sondern all gemein, um Licht lokal auf Dimensionen zu konzentrieren, die kleiner sind als ein beugungslimitierter Fleck, wie er auf optischem Wege erreichbar ist. Insbesondere gilt dies zur lokalen Modifikation von Materialoberflächen.

Dieses für den optischen Bereich aufgestellte Konzept der mehrschaligen koaxialen Spitze kann aber ebenso gut auch im niederfrequenten Bereich angewendet werden.

Dies führt dann zu einer neuen Möglichkeit in der Kapazi tätsmikroskopie, einer weiteren Form der berührungs losen Abtastmikroskopie.

Die Kapazitätsmikroskopie mit einer einfachen metalli schen Spitze als Sonde wurde schon früher beschrieben (4). Die abstandsabhängige Kapazität zwischen der Sonde und dem Objekt wird als Signal für die Bildgebung verwendet. Dabei besteht das Problem, daß nicht nur der vorderste Teil der Spitze sondern der gesamte Schaft zum Signal beiträgt. Dies führt zu einer schwachen Abstandsabhängigkeit des Signals, die eine geringe laterale Auflösung des Ver fahrens bewirkt.

Bei Verwendung der erfundenen Koaxialkabel-Spitze als Sonde wird der spannungsführende Metallkern fast bis zum Ende der Spitze durch eine geerdete Metallhülle abgeschirmt. Als Signal für die Mikroskopie dient die abstandsabhängige Kapazität zwischen Metallkern und Metallhülle. Die Kapazi tät der Koaxialkabel-Spitze hat eine ganz andere Abstands abhängigkeit als die Kapazität einer einfachen Metallspitze. Die Kapazität der Koaxialkabel-Spitze ist bei großen Ab ständen unabhängig vom Abstand zum Objekt. Erst wenn die Spitze auf Abstände in der Größenordnung des Krümmungs radius des Spitzen-Endes an das Objekt herangeführt wird, setzt eine merkliche Zunahme der Kapazität auf Grund der Polarisierung des Objektes durch das Streufeld von dem Metallkern ein. Man erhält eine steilere Abstandsabhängig keit des Signals. Aus diesem Grunde ergibt sich auch ein höheres laterales Auflösungsvermögen in der Kapazitäts mikroskopie bei Verwendung der Koaxialkabel-Spitze als Sonde gegenüber der Verwendung einer einfachen Spitze.

Herstellung der Koaxialkabel-Spitze

Koaxialkabel-Spitzen, deren Verwendung als Sonde vorstehend beschrieben ist, können auf folgende Weise hergestellt werden:

a) Zunächst wird ein Draht in einem Glasmantel nach dem in (6) beschriebenen Taylor′schen Verfahren ausge zogen. Nach diesem Verfahren können Drähte aus den verschiedensten Metallen in einem Glasmantel gezogen werden, wobei als Glassorte eine solche Sorte zu wählen ist, deren Fließbereich in der Umgebung des Schmelz punktes des Metalles liegt.
Ein Glasrohr wird zunächst an einem Ende zu einem gerin geren Durchmesser ausgezogen. In die Öffnung führt man ein Stück des Metalls ein, so daß es am Anfang der Verengung liegen bleibt. Nun erhitzt man das Glasrohr z.B. mit einem Gasbrenner soweit, daß das Metall zu schmelzen beginnt. Dann zieht man das Rohr in der Flamme auf die gewünschte Dicke von ca. 0,1 - 0,5 mm aus.
b) Das ausgezogene Rohr wird nun mit einer Einrichtung, wie sie auch zum Ziehen von Mikroelektroden verwendet wird (7), zu einem Rohr mit Spitze ausgezogen. Es ist möglich, auf diese Weise Spitzen zu erhalten, deren Enden einen Krümmungsradius von weniger als 50 nm besitzen.
c) Die Spitze wird durch Eintauchen in die Oberfläche von Flußsäure angeätzt, bis bei Anlegen einer Spannung von 100 mV zwischen dem Metallkern und der Flußsäure ein geringer Strom von ca. 0,1 nA fließt. Die genauen Bedingungen dieses Eintauchens bestimmen, wie weit der Metallkern offengelegt wird (Abstand d in Fig. 2). Dieser Abstand sollte kleiner als 1 µm sein.
d) Danach erfolgt eine Kegelbedampfung der Spitze unter einem Winkel von ca. 30° gegen die Achse der Spitze.

Insbesondere bei der Herstellung von Spitzen, die als Sonden bei der Kapazitätsmikroskopie Verwendung finden sollen, ist darauf zu achten, daß bei der Kegelbedamp fung keine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Metallkern und dem Überzug entsteht (durch schräge Beschattung).

Literatur:

1) Schneir J, Sonnenfeld R, Hansma P.K. (1986) Tunneling Microscopy Study of the Graphite Surface in Air and Water. Phys. Rev. B 34, 4979-4984;
2) Fischer U.Ch., Dürig U, Pohl DW. (1988), Near field optical scanning microscopy in reflection. Appl Phys. Lett. 52, 249- 251, Fischer U.Ch., Dürig U, Pohl D, (1987) Patentanmeldung Leitz-IBM EP 03 08 537 A1;
3) Betzig E., M. Isaacson, A. Lewis (1987) "Collection Mode Near field Scanning Optical microscopy". Appl. Phys. Lett 51, 2088-2090;
4) Kleinknecht H.P., Sandercock, J.R., Meier H. (1988) An Experimental Scanning Capacitane Microscope. Scanning Microscopy im Druck;
5) Williams, CC, Wickramasinghe HK. (1986) Scanning thermal profiler. Appl. Phys. Lett. 49, 1587;
6) Taylor G.F. (1924). A method for Drawing Metallic Filaments and a Discussion of their Properties and Uses. Phys. Rev. 23, 655-660 (US Patent 17 93 529 vom 24. 2. 1931);
7) Plowright, M., Barrs, H.D., Bleÿie, J.J. (1977) Microelectrode Puller with High Temperature Heating Element. Rev. Sci. Instrum., Vol. 48, No 4, 487-488;
8) Harrington, R.F. (1961) Time Harmonic Electromagnetic Fields. McGraw-Hill, N.Y., Toronto, London;
9) Pohl D.W., W. Denk, M. Lanz (1984). "Optical Stethoscopy: image recording with resolution /20" Appl. Phys. Lett. 44, 651- 653;
10) Carter, F. L. (1983) Molecular level fabrication techniques and molecular electronic devices. J. Vac. Sci. Technol. B 1 (4), 959-968;
11) Courjon, D. K. Sarayeddine, M. Spayer (1989) Scanning tunneling optical microscopy. To be publ. in Optics Comm.
12) Reddick, C. R., R. J. Warmack, T. L. Ferrell (1989) New form of scanning optical microscopy. Phys. Rev. B, 39, 767-770;
13) Binnig G, H. Rohrer, Ch. Gerber, E. Weibel (1982) "Surface studies by scanning tunneling microscopy" Phys. Rev. Lett. 49 (1), 57-60.

Claims

1. Spitzen aus koaxialen Materialien zur Verwendung als Sonden bei verschiedenen Verfahren der berührungslosen Abtastmikroskopie, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen (S) nach Art koaxialer Kabel aus einem metallischen Kern (K), einem diesen Kern koaxial umgebenden Dielektrikum (D) und einem das Dielektrikum abdeckenden metallischen Überzug (Ü) bestehen, und daß die dem Objekt (O) zugekehrten Enden der Koaxialkabel-Spitzen je nach Verwendungsart unterschiedlich ausgebildet sind.

2. Spitze nach Anspruch 1, zur Verwendung in Reflexi onsanordnungen der optischen Nahfeld-Rastermikroskopie, bei welcher:

a) der Beleuchtungsstrahl dem Objekt außerhalb der Koaxialkabel-Spitze zugeführt wird (Fig. 3), oder
b) der Beleuchtungsstrahl dem Objekt innerhalb des Dielektrikums der Koaxialkabel-Spitze zugeführt wird (Fig. 4),

dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (D) den metallischen Kern (K) bis zum Endpunkt der Spitze um kleidet, während der metallische Überzug (Ü) das Dielektri kum nur bis in die unmittelbare Nähe des Endpunktes bedeckt.

3. Spitze nach Anspruch 1, zur Verwendung in einer Reflexionsanordnung der optischen Nahfeld-Rastermikro skopie, bei welcher sowohl der Beleuchtungsstrahl als auch der Detektionsstrahl durch das Dielektrikum der Koaxialkabel-Spitze verlaufen (Fig. 5), sowie zur Ver wendung in der Kapazitätsmikroskopie, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (D) den metallischen Kern (K) bis zum Endpunkt der Spitze umkleidet, und der metallische Über zug (Ü) wiederum das Dielektrikum bis zum Endpunkt der Spitze bedeckt.

4. Anordnung zur Verwendung einer Spitze nach Anspruch 2, in einer Reflexionsanordnung der optischen Nahfeld-Rastermikroskopie, dadurch gekennzeichnet, daß um den Endpunkt der Koaxialkabel-Spitze herum ein Ringspiegel (RSp) angeordnet ist, der entweder den außerhalb der Koaxialkabel-Spitze zugeführten Beleuch tungsstrahl zum Objekt reflektiert, von wo aus er inner halb des Dielektrikums (D) zu einem Fotodetektor (F) verläuft, oder der den innerhalb des Dielektrikums der Koaxialkabel-Spitze zugeführten und aus dem Ende der Spitze asutretenden, am Objekt reflektierten Beleuchtungs strahl außerhalb der Koaxialkabel-Spitze zum Fotodetektor (F) reflektiert.

5. Anordnung zur Verwendung einer Spitze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl bei der Reflexionsanordnung der optischen Nahfeld-Rastermikro skopie als auch bei einer Anordnung der Kapazitäts mikroskopie der Abstand zwischen dem Ende der Spitze und dem Objekt im Bereich von 1 nm - 1 µm variierbar ist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Spitze nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) in an sich bekannter Weise wird ein Draht von ca. 0,1 - 0,5 mm Durchmesser in einem Dielektrikum-Mantel (vorzugsweise Glas oder Quartz) ausgezogen,
b) der Draht im Dielektrikum-Mantel wird an einem Ende zu einer Spitze mit einem Krümmungsradius im Nanometer bereich ausgezogen,
c) am Spitzen-Ende wird durch Eintauchen in Flußsäure das Dielektrikum soweit angeätzt, daß bei Anlegen einer Spannung von 100 mV zwischen dem metallischen Kern und der Flußsäure ein Strom von ca. 0,1 nA fließt, und
d) durch Bedampfen des Dielektrikums mit Metall wird eine Koaxialkabel-Spitze hergestellt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Bedampfung des Dielektrikums eine Kegelbedampfung unter einem Winkel von ca. 30° gegen die Achse der Spitze ist.