DE69118117T2

DE69118117T2 - Optisches Nahfeldabtastmikroskop und dessen Anwendungen

Info

Publication number: DE69118117T2
Application number: DE69118117T
Authority: DE
Inventors: Robert Eric Chatham New Jersey 07928 Betzig; Ernst Michael Madison New Jersey 07940 Gyorgy; Frances San Diego California 92130 Hellman; Jay Kenneth Bedminster New Jersey 07921 Trautman; Raymond New Providence New Jersey 07974 Wolfe
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1991-11-12
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: DE69118117D1; EP0487233B1; EP0487233A2; EP0487233A3; HK145796A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft optische Mikroskope in denen eine kleine Öffnung, typischerweise kleiner als eine optische Wellenlänge, innerhalb des optischen Nahfeldes der Probe, d. h. innerhalb eines Abstandes von weniger als etwa einer optischen Wellenlänge von der Probe angeordnet ist, und die Öffnung rasterförmig zum Erzeugen eines zeitlich veränderlichen optischen Signals die Oberfläche der Probe abtastet, die erfaßt und rekonstruiert wird, um ein Bild mit äußerst hoher Auflösung zu erzeugen. Die Erfindung betrifft ferner Verfahren zur Verwendung derartiger Mikroskope zum Untersuchen von Werkstücken im Laufe des Herstellungsprozesses.

Hintergrund der Erfindung

Eine Anzahl von Forscher hat die Verwendung des optischen Abtastens zum Umgehen der inhärenten Beschränkungen von herkömmlichen optischen Abbildungssystemen untersucht. D. h. in der sogenannten optischen Nahfeld-Abtastmikroskopie (near field scanning optical microscopy, NSOM) wird eine Öffnung mit einem Durchmesser, der kleiner als eine optische Wellenlänge ist, in unmittelbarer Nähe zu der Oberfläche der Probe positioniert und wird zum Abtasten über die Oberfläche geführt. Bei einer Methode wird die Probe reflektierend oder übertragend durch eine äußere Quelle beleuchtet. Ein Teil des reflektierten oder übertragenen Lichtes wird durch die Öffnung gesammelt und beispielsweise durch eine optische Faser zu einem Photodetektor übertragen. Bei einer alternativen Methode wird Licht durch eine optische Faser zu der Öffnung übertragen, die selbst als Lichtquelle zur reflektierenden oder übertragenden Beleuchtung der Probe wirkt. In diesem Fall wird eine herkömmliche Einrichtung zum Sammeln und Erfassen des ausgewählten oder übertragenen Lichtes verwendet. In beiden Fällen wird das erfaßte optische Signal rekonstruiert, um Bildinformationen bereitzustellen. So beschreibt beispielsweise das W.D. Pohl am 5. August 1986 erteilte amerikanische Patent Nr. 4,604,520 ein NSOM-System, welches eine aus einem pyramidenförmigen, optisch transparenten Kristall hergestellte Sonde verwendet. Eine nicht transparente Metallschicht wird an den Kristall angebracht. Am Scheitelpunkt des Kristalls wird sowohl die Spitze des Kristalls als auch die Metallschicht, welche über der Spitze liegt, entfernt, um eine Öffnung zu erzeugen, die im wesentlichen quadratisch ist, und eine Seitenlänge von weniger als 100 nm besitzt.
Im amerikanischen Patent Nr. 4,604,520 wird auch eine alternative, aus einer optischen Einmodenfaser hergestellte Öffnung beschrieben. Ein ebenes Ende der Faser wird metallisiert und ein koaxiales Loch ist in der Schicht so ausgebildet, daß der Kern der Faser gerade freigelegt ist. In einem etwas unterschiedlichen Lösungsversuch beschreibt das am 17. April 1990 Å.L. Lewis et al. erteilte amerikanische Patent Nr. 4,917,462 eine aus einer Pipette, d. h. einer Glasröhre gebildeten Sonde, die zu einer feinen Spitze ausgezogen und mit einer nicht transparenten Metallschicht beschichtet ist. Nach dem Ziehen verbleibt die Pipette als eine hohle Seele, die aus dem Glas und der darüberliegenden Metallschicht an der Spitze hervorgeht. Der resultierende Metallring definiert die Öffnung. Als eine Folge eines radial nach innen gerichteten Aufwachsens der Metallschicht kann die Öffnung kleiner als die in dem Glas definierte Seele sein.
Eine ähnliche Sonde wird in E. Betzig et al. in "Collection Mode Near-Field Scanning Optical Microscopy", Appl. Phys. Lett. 51 (1987), Seiten 2088-2090, beschrieben.
Eine Nachteil der oben beschriebenen Verfahren ist, daß das Licht durch die Sonde mit einem verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad übertragen wird. Als eine Folge sind die Signalpegel relativ niedrig. In einigen Fällen müssen die Öffnungen größer gemacht werden, um niedrige Signalpegel zu kompensieren. Dieses Messen ist unerwünscht, da es eine niedrigere Auflösung zur Folge hat.
Falls Licht aus einer Quelle zu der Öffnung durch eine nichtbeschichtete Pipette übertragen wird, weist das optische Feld beispielsweise an den äußeren Wänden der Pipette eine beträchtlich Amplitude auf. Um die Strahlung zu begrenzen, ist es notwendig, die Wände mit Metall zu beschichten. Als eine Folge der Absorption in der Metallschicht tritt jedoch eine Dämpfung auf. Außerdem neigen Metallschichten zu derartigen Defekten wie kleinen Löchern, welche optische Verluste gestatten. Wenn diese Neigung durch Erhöhen der Metallschicht ausgeglichen wird, erhöht sich auch die Länge (d. h. die Dicke der Pipette in axialer Richtung der Pipette) und der die Öffnung definierende Durchmesser des Metallrings. Als eine Folge erhöhen sich die optischen Verluste durch Absorption und Evaneszenz in dem Metallring und die Größe der Spitze wird erhöht. Das Vergrößern der Spitze macht es schwieriger, schmale konkave topographische Merkmale der Probe abzutasten während dem Beibehalten der unmittelbaren Nähe zu der Probenoberfläche. (Das Problem einer übermäßigen Größe der Spitze aufgrund von Metallabscheidung trifft auch auf optische Fasersonden mit konstantem Durchmesser des Typs zu, welcher eine Öffnung aufweist, die durch ein Loch in einer Metallschicht definiert ist, die das Ende einer Faser überzieht.)
Probleme, die auftreten, falls die Sonde eine Einmodenfaser ist, die eine angespitze kegelförmige Spitze (beispielsweise durch Ätzen) und keine Metallschicht aufweist, wird beispielsweise von C. Girard und M. Spajer in "Model for reflection near field optical microscopy", Applied Optics, 29 (1990), Seiten 3726-3733, beschrieben. Ein Problem ist, daß ein Teil des durch die Faser zur Spitze laufende Licht durch die Seiten der kegelförmigen Verjüngung reflektiert werden kann und dann durch diese hindurch übertragen wird. Ein zweites Problem ist, daß die Seiten der Verjüngung unerwünschte optische Signale einfangen können, die sich durch die Faser ausbreiten können, was zu einem erhöhten Rauschpegel am Detektor führt.
R.C. Reddick et al. beschreiben in "New Form of Scanning Optical Microscopy", Phys. Rev. B39 (1989), Seiten 767-770, eine durch chemisches Ätzen gespitze optische Fasersonde. Diese Sonde wurde in Verbindung mit einem Prisma verwendet, welches ein evaneszentes optisches Feld erzeugt. Veranschaulichende Bilder wurden mit einer Prototypvorrichtung unter Verwendung einer derartigen Verbindung von Sonde und Prisma bei Nutzung von 633 nm Licht und einer 1 µm Sondenspitze, die eine Auflösung von 200 nm zeigt, erzeugt.
Im Hinblick auf die vorstehende Diskussion ist es offensichtlich, daß Forscher bisher nicht erfolgreich waren bei der Bereitstellung einer NSOM-Sonde, die eine wirkungsvolle Übertragung des Lichtes (d. h. eine Übertragung, die verhältnismäßig frei von Dämpfung aufgrund optischer Wechselwirkungen mit den Wänden der Sonde ist) mit einer verhältnismäßig kleinen Abmessung der Spitze, einer hohen Auflösung, und einer hohen Zuverlässigkeit verbindet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wird ein in Anspruch 1 definiertes System oder ein in den Ansprüchen 13 oder 17 definiertes Verfahren bereitgestellt.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein optisches System, umfassend: eine Sonde von welcher wenigstens ein Abschnitt wenigstens bei einer gegebenen Wellenlänge optisch durchlässig ist, wobei die Sonde ein entfernt gelegenes Ende aufweist; eine optische an dem entfernt gelegenen Ende definierte Öffnung, wobei die Öffnung einen Durchmesser aufweist, der kleiner als die gegebene Wellenlänge ist; eine Einrichtung zum optischen Koppeln einer Lichtquelle an die Sonde, so daß wenigstens etwas von der Quelle emittiertes Licht, wenigstens bei der gegebenen Wellenlänge, durch die Öffnung in die Sonde eintritt oder aus der Sonde heraustritt; eine Einrichtung zum Anordnen oder Versetzen der Sonde relativ zu einem Objekt, welches gekennzeichnet ist durch: a) die Sonde umfaßt einen Abschnitt einer optischen Einmodenfaser mit einem Kern und einer Ummantelung, wobei die Ummantelung eine äußere Oberfläche aufweist, es ist dort ein geführter dielektrischer Mode zugeordnet; b) die Faser weist einen sich verjüngenden Bereich auf, welcher sich adiabatisch verjüngt, wobei wenigstens ein Abschnitt des sich verjüngenden Bereichs Licht wenigstens der gegebenen Wellenlänge führen kann; c) der sich verjüngende Bereich endet in einer im wesentlichen flachen Endfläche, die in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zu der Faser ausgerichtet ist, wobei die Öffnung in der Endfläche definiert ist; d) die äußere Oberfläche der Ummantelung in den sich verjüngenden Bereichen im wesentlichen glatt ist; e) wenigstens ein Abschnitt der äußeren Oberfläche der Ummantelung in dem sich verjüngenden Bereich ist mit einem Metall beschichtet, der einen metallischen Wellenleiterabschnitt definiert, der einen metallischen Mode führen kann, ferner ein Grenzdurchmesser für den metallischen Mode definiert ist; und f) der Endflächendurchmesser ist kleiner als oder gleich dem Grenzdurchmesser.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines für die optische Nahfeld-Abtastmikroskopie nützlichen beispielhaften optischen Systems.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines alternativen für die optische Nahfeld-Abtastmikroskopie nützlichen beispielhaften optischen Systems.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer optischen Fasersonde nach dem Stand der Technik.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer optischen Fasersonde nach dem Stand der Technik.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer optischen Fasersonde nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 6 stellt ein beispielhaftes Verfahren zum Metallisieren einer optischen Fasersonde dar.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer optischen Öffnung nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer alternativen optischen Öffnung.
Fig. 9 ist ein Flußdiagramm welches einen Herstellungsprozeß nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform erläutert.

Ausführliche Beschreibung

In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein optisches System. Mit dem Zuwenden auf Fig. 1 umfaßt ein derartiges optisches System eine Lichtquelle 10, eine Sonde 20, eine Anordnungs- oder Versetzungseinrichtung 30 zum Anordnung oder Versetzen der Sonde relativ zu einem Objekt 40, das benachbart zur Sondenspitze 60 beispielsweise auf einem Tisch 50 angeordnet ist. Das optische System umfaßt ferner eine Einrichtung zum optischen Koppeln der Lichtquelle 10 zur Sonde 20. In dem in Fig. 1 erläuterten Beispiel ist das optische Koppeln durch eine sich zwischen der Lichtquelle 10 und der Sonde 20 erstreckende optische Einmodenfaser 70 bereitgestellt. (Die Faser 70 kann tatsächlich mit der Sonde 20 integriert sein.) Die Lichtquelle 10 ist beispielsweise ein Laser. Das Licht aus der Quelle 10 wird leicht in die optische Faser eingeführt, beispielsweise durch einen Einmodenkoppler 80, welcher ein Mikroskopobjektiv 90 und einen Faserpositionierer 100 umfaßt. Ein Modestripper 110 ist auch wahlfrei umfaßt, um sicherzustellen, daß sich nur ein einzelner Mode in dem Kern zur Sonde ausbreitet und keine anderen Moden in der Ummantelung. Die Einrichtung 30 zum Anordnen oder Versetzen kann beispielsweise eine piezoelektrische Röhre sein, die zum Bewegen der Sonde sowohl vertikal als auch in zwei lateralen senkrecht zueinander liegenden Richtungen angepaßt ist. Alternativ kann die Einrichtung zum Anordnung oder Versetzen eine mechanische oder piezoelektrische Einrichtung zum Bewegen des Tisches statt der Sonde sein, oder eine Kombination von Einrichtungen zum Verschieben des Tisches und zum Verschieben der Sonde.
Eine Verwendungsmöglichkeit für das beschriebene optische System ist das direkte Schreiben. D.h., die zur Sondenspitze naheliegende Probenoberfläche kann mit einer photoempfindlichen Schicht beschichtet werden, die durch Licht belichtet werden kann, welches von der Lichtquelle emittiert wird. Während Licht von der Lichtquelle kontinuierlich oder periodisch von der Sondenspitze emittiert wird, wird in der photoempfindlichen Schicht durch Verschieben der Sonde relativ zur Probe ein Belichtungsmuster erzeugt.
Eine zweite Verwendungsmöglichkeit für das beschriebene optische System, ist das Abbilden der Probe in einer sogenannten "Beleuchtungs"-Betriebsart. Gemäß dieser Anwendung wird Licht von der Sondenspitze durch die Probe übertragen und durch ein Mikroskopobjektiv 120 unter dem Tisch gesammelt (wie in Fig. 1 gezeigt). (Veranschaulicht ist eine Beleuchtungs-Durchlaß-Betriebsart; eine Beleuchtungs-Reflexions-Betriebsart ist auch leicht umsetzbar.) Das gesammelte Licht wird auf den Detektor 130 gerichtet, welcher beispielhaft eine Photomultiplierröhre ist. Zum visuellen Positionieren der Sonde ist es auch wünschenswert, einen Strahlteiler 140 einzuschließen, der einen Teil des gesammelten Lichts in ein Okular 150 richtet. In bedeutsamer Weise können die Signale aus dem Detektor 130 rekonstruiert werden, um ein Bild des abgetasteten Probenabschnittes zu erzeugen, wenn die Probe durch eine rasterförmige Verschiebung der Sonde abgetastet wird. Derartige Abtastverfahren werden in der optischen Nahfeld- Abtastmikroskopie (NSOM) verwendet, bei welcher die Probenspitze innerhalb eines sehr kleinen Abstandes von der Probenoberfläche gebracht wird, typischerweise kleiner als eine Wellenlänge des von der Lichtquelle emittierten Lichtes. NSOM stellt eine sehr hohe optische Auflösung durch die weitere Verwendung einer Öffnung in der Sondenspitze, die sehr klein ist, typischerweise auch kleiner als eine Wellenlänge, bereit. NSOM-Vorrichtungen sind auf dem Gebiet wohlbekannt und beispielsweise in dem W.D. Pohl am 5. August 1986 erteilten amerikanischen Patent Nr. 4,604,520 und in dem am 17. April 1990 A. Lewis et al. erteilten amerikanischen Patent Nr. 4,971,462 beschrieben.
Sogar eine dritte Verwendungsmöglichkeit für das beschriebene optische System, ist in Fig. 2 gezeigt. In der Anordnung der Fig. 2 dient die Sondenspitze als ein Kollektor für Licht, statt als ein Emitter von Licht. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise zum NSOM-Abbilden in der sogenannten "Sammel"-Betriebsart. (Veranschaulicht ist eine Sammel-Reflexions-Betriebsart. Eine Sammel-Durchlaß- Betriebsart ist auch leicht umzusetzen.) Licht aus der Lichtquelle 10 wird über den gekippten Spiegel 160 und dem gekippten ringförmigen Spiegel 170 zur Ringobjektivlinse 180 gerichtet. Die Linse 180 fokussiert das Licht auf die Probenoberfläche. Von der Oberfläche reflektiertes oder emittiertes Licht wird durch die Sondenspitze gesammelt und über die Faser 70 und das Objektiv 120 zum Detektor 130 gerichtet. Die Reflexions-Betriebsart des NSOM wird beispielsweise in dem oben zitierten amerikanischen Patent Nr. 4,917,462 beschrieben.
Der Detektor 130 (oder allgemeiner, der Meßgrößenumformer) wandelt das erfaßte Licht in elektrische Signale um. Diese Signale werden leicht verwendet, um ein zweidimensionales Bild auf einer derartigen Videoanzeigeneinrichtung wie einer Kathodenstrahlröhre, zu erzeugen. Zu diesen Zweck wird ein Abtastgenerator verwendet, um die Verschiebung der Sonde relativ zu dem Objekt zu steuern und ein Bezugssignal zum Bilden des angezeigten Bildes bereitzustellen. Die durch den Meßgrößenumformer 130 erzeugten elektrischen Signale sind typischerweise analoge Signale. Diese werden wahlfrei zu digitalen Signalen umgewandelt bevor sie angezeigt werden. In einem derartigen Fall ist wahlfrei ein digitaler Speicher zum Speichern der digitalisierten Signale vorgesehen und ein digitaler Prozessor ist wahlfrei vorgesehen zum Verarbeiten der digitalisierten Signale (beispielsweise zur Bildverbesserung), bevor diese angezeigt werden.
Eine mögliche Form der Sonde 20 ist eine optische Einmodenfaser. Optische Fasersonden wurden tatsächlich nach dem Stand der Technik offenbart. Die Fig. 3 und 4 zeigen Beispiele derartiger Fasersonden. Fig. 3 zeigt eine optische, sich nicht verjüngende Einmodenfaser 190 mit einer ringförmigen Kappe eines derartigen nichttransparenten Materials, wie Metall, das so abgeschieden ist, daß es die Spitze abdeckt. Das Loch 210 in der Mitte des Rings definiert die optische Öffnung der Probe. Fig. 4 zeigt die nackte optische Faser 220, die beispielsweise durch chemisches Ätzen verjüngt ist.
Es wurde herausgefunden, daß eine verbesserte Sonde 230 leicht hergestellt werden kann durch Erhitzen einer optischen Einmodenfaser, um sie weich zu machen, und Ziehen der weichgemachten Faser, um eine sich verjüngende Faser zu bilden. Nach dem Ziehen muß wenigstens ein Abschnitt der sich verjüngenden Faser mit einem nichttransparenten Material 280, beispielsweise Metall, beschichtet werden. Mit Bezugnahme auf Fig. 5 wird die Spitze 240 einer derartig gezogenen Faser mit einem Winkel β verjüngt und endet in einer flachen Endfläche 250.
Die optische Faser umfaßt eine Ummantelung 260 und einen Kern 270. Obwohl bestimmte Ummantelungs- und Kernzusammensetzungen nicht wesentlich für die Erfindung sind, ist eine beispielhafte Ummantelungszusammensetzung Quarz oder geschmolzenes Silika und eine beispielhafte Kernzusammensetzung ist dotiertes Quarz oder dotiertes geschmolzenes Silika mit einem höheren Brechungsindex als die Ummantelung. Obwohl bestimmte Ummantelungs- und Kernabmessungen auch nicht wesentlich für die Erfindung sind, ist ein beispielhafter Kerndurchmesser etwa 3 µm, und ein beispielhafter äußerer Durchmesser der Ummantelung ist etwa 125 µm. Ein geführter Mode, der fundamentale oder der HE&sub1;&sub1;-Mode wird einer entsprechenden Einmodenfaser zugeordnet, die nicht verjüngt wurde. Ein derartiger Mode ist charakteristisch für einen zylindrischen dielektrischen Wellenleiter, und wird deshalb hiernach als ein dielektrischer Mode bezeichnet.
Wenn eine optische Faser durch Erhitzen und Ziehen verjüngt wird, werden sowohl der Kerndurchmesser als auch der äußere Durchmesser der Ummantelung vermindert. Die partielle Änderung des Kerndurchmessers ist ungefähr gleich der partiellen Änderung des äußeren Durchmessers der Ummantelung. (In anderen Worten, der Querschnitt der Faser ändert sich nur im Maßstab.) Von Bedeutung ist, daß der Winkel mit dem der Kern sich verjüngt, wesentlich kleiner als β ist. Beispielsweise weist eine linear verjüngte Faser mit den beispielhaften Abmessungen den Tangens des Verjüngungswinkels des Kerns von nur 3/125, oder 2,4% mal dem Tangens des Verjüngungswinkels β auf. Aus diesem Grund weist der Kern, wie untenstehend diskutiert werden wird, sogar für relativ große Werte von β, beispielsweise Werte von 30º oder noch mehr, eine adiabatische Verjüngung auf.
In der nichtverjüngten Faser ist das elektrische Feld des dielektrischen Modes im wesentlichen auf den Kern beschränkt, und es fällt auf eine sehr kleine Amplitude, typischerweise kleiner als 10&supmin;¹&sup0; mal die Spitzenamplitude nahe der äußeren Oberfläche der Ummantelung ab. Dies ist nicht notwendigerweise der Fall bei einer verjüngten Faser. Wenn eine geführte Lichtwelle sich in den verjüngten Bereich ausbreitet, trifft es auf einen fortschreitend sich verengenden Kern. Schließlich wird der Kern zu schmal, um den geführten Mode wesentlich zu beschränken. Statt dessen wird die Lichtwelle durch die Grenzfläche zwischen der Ummantelung und dem umgebenden Material, welches Luft sein kann, oder ein derartiges Metall, wie Aluminium, geführt. Wie vorstehend diskutiert wurde, wird der Kern im allgemeinen mit einem Winkel verjüngt sein, der für den Mode klein genug ist, um adiabatisch zu sein. Mit adiabatisch ist hier bezeichnet, daß im wesentlichen all die Energie des anfänglichen HE&sub1;&sub1;-Modes in einem einzelnen Mode konzentriert verbleibt und nicht in anderen Moden gekoppelt wird, insbesondere Strahlungsmoden, welche optische Verluste durch Abstrahlung verursachen können.
Anfänglich behält der geführte Mode, welcher aus dem Kern entweicht, im wesentlicher die Eigenschaften eines HE&sub1;&sub1;- Modes. Insbesondere ist die Amplitude des geführten elektromagnetischen Felds an der äußeren Oberfläche der Ummantelung verhältnismäßig klein. Sowie jedoch der Abfall des Faserdurchmessers fortschreitet, erhöht sich die Feldamplitude an der äußeren Oberfläche der Ummantelung bis zur Höchstamplitude innerhalb der Faser. Schließlich erreicht das Feld eine verhältnismäßig große Amplitude an der äußeren Oberfläche der Ummantelung. Ein derartiger Mode kann beispielsweise durch die Grenzfläche zwischen der Ummantelung und der umgebenden Luft geführt werden. Eine derartige Anordnung ist jedoch nicht wünschenswert.
Da sich das elektrische Feld bedeutend außerhalb der Ummantelung ausdehnt, kann ein bedeutender Betrag der optischen Verluste erwartet werden. Dies ist unerwünscht, da es den Wirkungsgrad vermindert, mit dem Licht sowohl zu als auch von der Sondenspitze gelenkt wird. Außerdem kann Streulicht von den Ummantelungswänden letztlich auf von der Sondenspitze relativ weit entfernt gelegene Abschnitte der Probe fallen, was zu einer unerwünschten Beleuchtung der Probe oder zu erhöhten Hintergrundpegeln am Detektor führt. Ferner kann Streulicht, falls die äußeren Wände der Ummantelung nur von Luft umgeben sind, in die Faser eintreten, und wieder zu einem erhöhten Hintergrundpegel am Detektor führen (falls beispielsweise die Sonde genutzt wird, um Licht von der Probe zu sammeln).
Aus diesem Grund ist es wünschenswert, wenigstens den Endabschnitt der Verjüngung, für den optische Verluste ein bedeutender Faktor ist, mit einem nichttransparenten Material, beispielsweise einem derartigen Metall wie Aluminium, zu beschichten. Von Bedeutung ist, daß der geführte Mode in einem derartig metallisierten Abschnitt typische Eigenschaften eines geführten Modes in einem metallischen statt in einem dielektrischen Wellenleiter aufweist. Somit kann beispielsweise ein anfänglich HE&sub1;&sub1; dielektrischer Mode zu einem TE&sub1;&sub1; metallischen Mode umgewandelt werden, wenn er sich dem metallisierten Bereich nähert und in diesen eintritt. Von Bedeutung ist, daß in einem Wellenleiter mit einem sich adiabatisch verjüngenden Kern der HE&sub1;&sub1;-Mode mit relativ hohem Wirkungsgrad (typischerweise größer als 10% Wirkungsgrad) in den TE&sub1;&sub1;-Mode gekoppelt werden kann. Der Abschnitt der Faser, in dem, falls die Faser nackt ist, der geführte Mode eine bedeutende Amplitude an der Außenfläche der Faser aufweist, aber noch im wesentlichen HE&sub1;&sub1;-Charakter beibehält, wird hier als der "Übergangsbereich" bezeichnet. In Anbetracht der vorstehenden Diskussion ist es klar wünschenswert (obwohl nicht absolut erforderlich) überall in dem Übergangsbereich und von dem Übergangsbereich bis zu dem entfernt gelegenen Ende der Faser Metall-zu-beschichten. In dieser Hinsicht ist zu bemerken, daß dort wo ein bedeutender Betrag von optischer Energie in den Strahlungsmoden vorhanden ist, verhältnismäßig dicke Metallschichten erforderlich sind, um wesentlich die Möglichkeit von Verlusten an Löchern und, im Hinblick auf die endliche Leitfähigkeit jeder wirklichen Beschichtung, die Möglichkeit des Eindringens des elektromagnetischen Felds in das Metall zu beseitigen. Dies ist sowohl nicht wünschenswert, da die Schichtdicke eine extrem dichte Annäherung der Sondenspitze an die Probe verhindert als auch, da sehr dicke Metall schichten, die aus körniger Beschaffenheit entwickelt werden können, dazu neigen, das Auftreten von Verlusten an Löchern eher zu fördern als zu verhindern. Im Gegensatz dazu wird allgemein erwartet, daß hier verhältnismäßig geringe Energie in Strahlungsmoden gekoppelt wird und deshalb relativ dünne Metallschichten, typischerweise 750 bis 1500 Å (1 Å = 0,1 nm) und vorzugsweise kleiner als etwa 1250 Å allgemein ausreichend sind.
Im allgemeinen wird der geführte metallische Mode anfangs ein sich ausbreitender Mode sein. Sowie der Abfall des Faserdurchmessers fortschreitet, kann der geführte Mode schließlich in einen evaneszenten Mode transformiert werden, der eine relativ starke Dämpfung in Ausbreitungsrichtung zeigt. Ein derartiger Übergang kann einer charakteristischen Größe, die hier als "Grenzdurchmesser" bezeichnet wird, zugeordnet werden. Der Grenzdurchmesser ist ein Außendurchmesser der Ummantelung eines gegebenen sich verjüngenden Wellenleiters, bei dem der Übergang von einem sich ausbreitenden zu einem evaneszenten Mode auftreten würde, falls der Wellenleiter mit einem unendlich leitfähigem Metall beschichtet wäre. Allgemein ist für den TE&sub1;&sub1;-Mode der Grenzdurchmesser ungefähr gleich einer halben der geführten Wellenlänge. Der Abschnitt der sich von dem Grenzdurchmesser zur Probenspitze erstreckenden Faser wird hier als der "evaneszente Bereich" bezeichnet.
Der Grenzdurchmesser eines TE&sub1;&sub1;-Modes, beispielsweise in einem kreisförmigen zylindrischen Wellenleiter, ist leicht aus der Theorie der metallischen Wellenleiter vorhersagbar, wie sie beispielsweise in J.D. Jackson, Classical Electrodynamics, 2. Ausgabe, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1975, Seite 356, diskutiert wird. Sie ist gleich zu der Größe /k&sub0;n, wobei k&sub0; die Wellenzahl des geführten Lichts im freien Raum ist, n ist der Brechungsindex des Wellenleiters (mit Bezugnahme auf den geführten Mode und die Wellenlänge) und ist eine auf den bestimmten geführten Mode, bezogene Größe. Für einen TE&sub1;&sub1;-Mode ist gleich 1,841. Andere geführten Moden entsprechende Werte von sind für Fachleute leicht offensichtlich.
Es ist zu bemerken, daß in dieser Hinsicht die Umwandlung des fundamentalen dielektrischen Modes zum TE&sub1;&sub1; metallischen Mode unvollständig sein kann. Ein endlicher Teil der Energie des dielektrischen Modes kann in andere metallische Moden als in den TE&sub1;&sub1; metallischen Mode gekoppelt werden. Der TE&sub1;&sub1;- Mode erfährt jedoch im allgemeinen eine geringere Dämpfung in dem evaneszenten Bereich als jeder der anderen metallischen Moden. Aus diesem Grund weist eine Lichtwelle, die den evaneszenten Bereich durchquert hat, im wesentlichen nur den TE&sub1;&sub1; metallischen Mode auf. (Es ist ferner festzustellen, daß aufgrund der endlichen Leitfähigkeit der tatsächlichen Metallschichten, ein gestörter TE&sub1;&sub1;-Mode erwartet wird; d. h. ein Mode bei dem das elektrische Feld eine kleine longitudinale Komponente aufweist.)
Da eine bedeutende Dämpfung in dem evaneszenten Bereich auftritt, ist es wünschenswert, diesen Bereich so kurz wie möglich machen. Andere, unten zu diskutierende Faktoren treten jedoch für unterschiedliche Evaneszenzlängen in unterschiedlichen Anwendungen ein.
Es ist wünschenswert, daß in dem verjüngten Abschnitt der Faser die äußere Oberfläche der Ummantelung im wesentlichen glatt ist, um Streuung von Licht aus dem HE&sub1;&sub1;-Mode nahe der äußeren Oberfläche der Ummantelung zu vermindern, und um eine Metallschicht zu erreichen, die verhältnismäßig dünn (vorzugsweise weniger als etwa 1500 Å dick) und auch im wesentlichen frei von Defekten ist, welche optische Strahlung entweichen lassen können. Die Ummantelungsoberfläche wird hier als im wesentlichen glatt angesehen, falls keine Oberflächenstruktur im Maßstab von mehr als etwa 50 Å vorhanden ist, wie sie in einem Elektron- Abtast-Mikrograph (scanning electron micrograph, SEM) beobachtet wird. Oberflächen mit einer derartigen Soll- Glätte sind leicht durch Erhitzen und Ziehen der Faser zu erzeugen.
Es ist wünschenswert, daß die flache Endfläche im wesentlichen eben ist, und daß sie im wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung der Faser orientiert ist. Die flache Endfläche wird hier als im wesentlichen eben angesehen, falls über die Oberfläche der flachen Endfläche eine Untersuchung durch SEM keine Abweichung größer als etwa 100
von der Planheit durch jedes Strukturmerkmal mit jeder lateralen Ausdehnung offenbart.
Es ist wünschenswert, daß die Kanten der flachen Endfläche relativ scharf definiert sind. Die Kanten werden hier als scharf definiert angesehen, falls eine Untersuchung durch SEM einen mittleren Krümmungsradius der Kante von weniger als 100 Å offenbart. Flache Endflächen mit einer derartigen Soll-Planheit, die Kanten mit einer derartigen Soll-Schärfe aufweisen, sind auch einfach durch Erhitzen und Ziehen der Faser zu erzeugen.
Ein Verfahren zum Metallbeschichten des Endabschnittes der Faser (wie oben bemerkt, vorzugsweise wenigstens dem Übergangsbereich einschließend) umfaßt die Verwendung einer Verdampfungsquelle mit beispielsweise Aluminium. Wie in Fig. 6 gezeigt, ist die Faser 230 bezüglich ihres Endes während der Verdampfung und der Abscheidung des Aluminiums nicht zur Quelle 290 ausgerichtet. Statt dessen zeigt die Sondenspitze der Faser derart von der Quelle weg, daß die Endfläche relativ zur Einfallsrichtung des auftreffenden Metalls in einem Schatten liegt. Typischerweise ist die Faserachse relativ zu einer von der Quelle zur Faserspitze gezogenen Linie um einen Winkel Θ von etwa 75º geneigt. Um alle Seiten der Faser gleichförmig zu beschichten, wird während der Abscheidung die Faser um ihre eigene Achse gedreht. Falls ein derartiges Verfahren verwendet wird, wird leicht eine glatte Beschichtung erzeugt, die die äußere Oberfläche der Ummantelung glatt abdeckt, aber die Endfläche im wesentlichen frei von jedem Metall beläßt. Mit Bezugnahme auf Fig. 7 ist das vorstehend beschriebene Verfahren zum Herstellen einer Sonde, in welcher die optische Öffnung 300 der ganzen Oberfläche der flachen Endfläche entspricht, nützlich. Da die räumliche Auflösung der Sonde hauptsächlich durch den Öffnungsdurchmesser bestimmt wird, ist es für Anwendungen mit hoher Auflösung wünschenswert, den Durchmesser der flachen Endfläche recht klein anzufertigen.
Somit sollte der Durchmesser der flachen Endfläche in einer derartigen Sonde im allgemeinen kleiner als der Grenzdurchmesser sein. Beispielsweise ist der Grenzdurchmesser für 5145 Å Licht aus einem Argonionenlaser in einer Faser mit den vorstehend beschriebenen beispielhaften Abmessungen typischerweise etwa 2000 Å. Ein typischer, entsprechender Durchmesser der flachen Endfläche ist ungefähr 500 bis 1000 Å, und die flachen Endflächen sind so klein wie etwa 200 Å oder noch kleiner und werden leicht durch Erhitzen und Ziehen der Faser hergestellt. Im allgemeinen ist die durchschnittliche Dicke der Aluminiumschicht vorzugsweise nicht weniger als etwa 750 Å, da wesentlich dünnere Schichten übermäßigen optischen Verlusten ausgesetzt sein können. (Falls die Sonde sowohl für das Beleuchten des Objektes als auch für das Sammeln des Lichtes von dem Objekt verwendet wird, kann eine noch geringere Dicke annehmbar sein.) Die Dicke ist vorzugsweise nicht größer als etwa 1500 Å, da es wünschenswert ist, den Gesamtdurchmesser der Sondenspitze zu minimieren, und die Beschichtung so glatt wie möglich herzustellen. Der Gesamtdurchmesser ist die Summe des Durchmessers der flachen Endfläche und der die Endfläche begrenzenden Metalldicken auf gegenüberliegenden Positionen des Durchmessers. Es ist wünschenswert, diesen Gesamtdurchmesser zu minimieren, um eine Sondenspitze bereit zustellen, die in verhältnismäßig enge Kavitäten oder Spalten in der Probenoberfläche eingeführt werden kann, und die, allgemeiner ausgedrückt, so tief wie möglich in das Nahfeld der Probe eindringen kann.
Es ist bedeutend, daß eine Sonde des vorstehend beschriebenen Typs einen evaneszenten Bereich aufweist, der sich von dem Grenzdurchmesser bis zur flachen Endfläche erstreckt. Ein derartiger evaneszenter Bereich ist im Vergleich zu einer unten stehend beschriebenen alternativen Bauart verhältnismäßig lang. Beispielsweise ist mit einem Grenzdurchmesser von 2000 Å, einem Durchmesser der flachen Endfläche von 500 Å und einen Verjüngungswinkel von 150, die Evaneszenzlänge 5600 Å. Bei einem derartigen Abstand kann ein bedeutender Umfang der Dämpfung auftreten. Betrachtungen über die Dämpfung ergeben, daß der Verjüngungswinkel so groß wie möglich hergestellt werden sollte, um die Evaneszenzlänge zu verkürzen. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß es engere Verjüngungswinkel einfacher machen, um in Spalten einzudringen, und sich stufenförmigen Oberflächenmerkmalen genauer anzunähern.
Gemäß eines bevorzugten Verfahrens zum Verjüngen der Faser wird die Faser zuerst in einer herkömmlichen Pipetten- Ziehvorrichtung befestigt. Die Faser wird vor und während des Ziehens erwärmt. Eine beispielhafte Wärmequelle ist ein Kohlendioxidlaser. Die Faser wird gezogen bis sie bricht. Steuerbare Parameter umfassen die Intensität der einfallenden Beleuchtung (welche die Aufheizrate bestimmt), die an die Faserenden angelegte Zugkraft und die Anzahl der angewendeten einzelnen Zugschritte. Im allgemeinen wird die Faser am Schluß durch einen "harten Zug" gebrochen, d. h. durch einen Ziehschritt, der mit einer heftigen Krafterhöhung ausgeführt wird. Die Geschwindigkeit der Faserenden im Moment der Anwendung des "harten Zugs" ist auch steuerbar, genauso wie die Zeitverzögerung zwischen dem Beenden des Heizens und der Anwendung des "harten Zuges".
Wir haben festgestellt, daß mit einem gegebenen Satz von Prozeßparametern Sonden mit hochreproduzierbaren Eigenschaften hergestellt werden. Der Verjüngungswinkel kann leicht durch eine Wahl der oder in Verbindung mit einem Vermindern der Heizrate, einem Vermindern der Zugkraft, dem Ziehen in mehreren Schritten, oder dem Vermindern der Ausdehnung des erhitzten Bereichs erhöht werden. Der Durchmesser der flachen Endfläche wird leicht durch Erhöhen der Heizrate, oder durch Erhöhen der Ziehkraft, oder durch beides erhöht. Zusätzlich stellt die Verwendung einer Faser mit einer Zusammensetzung mit höherer Glastemperatur einen größeren Verjüngungswinkel und eine kleinere Spitze bereit. Soll-Kombinationen von Prozeßparametern sind nach minimalem Experimentieren für aus führende Fachleute leicht ersichtlich.
Eine alternative Sondenbauart ist in Fig. 8 veranschaulicht. Bei dieser Bauart der Sonde ist die Metallbeschichtung sowohl über der flachen Endfläche als auch auf der äußeren Ummantelungsfläche abgeschieden. Wie vorstehend diskutiert wurde, ist die Metalldicke auf der äußeren Ummantelungsoberfläche wünschenswerterweise etwa 750 bis 1500 Å. Die Metallschicht, welche über der flachen Endfläche liegt, ist wünschenswerterweise etwa 250 bis 500 Å dick, da sie dick genug sein muß, um wesentlich Streulicht auszulöschen, aber auch so dünn wie durchführbar, um die Evaneszenzlänge zu minimieren. In diesem Fall entspricht die optische Öffnung 300 nicht der gesamten flachen Endfläche, sondern nur einem Abschnitt der flachen Endfläche. Die Metallschicht, welche über der flachen Endfläche liegt, ist zu einem Ring mit einer Öffnung, die die optische Öffnung bestimmt, geformt. Es ist bedeutend, daß die Öffnung zentrisch auf der flachen Endfläche angeordnet sein kann, oder alternativ kann sie von der Mitte der flachen Fläche verschoben sein. Eine nicht zentrale Öffnung kann wünschenswert sein, wenn mehrere Moden als in dem Bereich der Spitze vorhanden, erwartet werden. Da nicht alle Moden wirkungsvoll in eine zentral angeordnete Öffnung koppeln, kann in einem derartigen Fall eine nicht zentrale Öffnung ein wirkungsvolleres Ausgangskoppeln bereitstellen. Insbesondere wird erwartet, daß eine nichtzentrale Öffnung das optimale Ausgangskoppeln für den TE&sub1;&sub1;-Mode ergibt.
Die zentrale Öffnung wird beispielsweise gebildet durch anfängliches Bereitstellen einer Faser, welche einen eingeschlossenen Glasstab enthält, der schneller geätzt wird als das Wirtsglas der Faser. (Ein Beispiel ist in geschmolzenen Silika oder Quarz eingeschlossenes Borsilikatglas.) Nach dem Ziehen, aber bevor die Faser metallisiert wird, wird das Ende der Faser einem chemischen Ätzmittel ausgesetzt. Das Ätzmittel erzeugt eine Kavität in der flachen Endfläche. Die Kavität wird während des Metallisierens der flachen Endfläche abgeschattet, was zu einer Öffnung in der Metallschicht führt.
Eine mit diesem Verfahren hergestellte typische Öffnung ist etwa 200 bis 2000 Å im Durchmesser und das gleiche Verfahren kann leicht verwendet werden, um noch größere oder kleinere Öffnungen zu bilden.
Die Metallschicht kann, beispielsweise wie vorstehend diskutiert, in Verbindung mit der nackten und gespitzten Sonde aus einer Verdampfungsquelle abgeschieden werden. Es werden jedoch zwei getrennte Abscheidungsschritte ausgeführt: wie oben beschrieben, einer zum Beschichten der äußeren Ummantelungsoberfläche und ein zweiter Schritt bei einer unterschiedlichen Faserausrichtung zum Beschichten der flachen Endfläche.
Da bei dieser Sondenbauart die Öffnung nicht durch den Durchmesser der flachen Endfläche bestimmt wird, ist es im allgemeinen sogar für Anwendungen mit hoher Auflösung nicht notwendig, daß der Durchmesser der flachen Endfläche kleiner als der Grenzdurchmesser ist. Dementsprechend ist es wünschenswert, um die Dämpfung zu minimieren, daß der Durchmesser der flachen Endflächen ungefähr wenigstens den Grenzdurchmesser aufweist. Wie obenstehend diskutiert, ist es jedoch wünschenswert, den Gesamtdurchmesser der Sondenspitze zu minimieren, um in Spalte eindringen zu können. Aus diesem Grund ist der Durchmesser der flachen Endfläche vorzugsweise auch nicht wesentlich größer als der Grenzdurchmesser.
In dieser Hinsicht ist zu bemerken, daß der Öffnungsdurchmesser im allgemeinen kleiner als der Grenzdurchmesser ist, und deshalb definiert die zentrale Öffnung in der Metallschicht, welche über der flachen Endfläche liegt, einen metallischen Wellenleiter, in dem das optische Feld evaneszent ist. Da die Beschichtung typischerweise nur etwa 500 Å dick ist, oder weniger, ist die Evaneszenzlänge sehr viel kleiner als im Fall der vorher diskutierten nackten und gespitzen Sonde. Um die Dämpfung zu minimieren ist es offensichtlich wünschenswert, die Metallbeschichtung auf der flachen Endfläche so dünn wie durchführbar zu machen. Ein annehmbarer Bereich für die Metalldicke auf der flachen Endfläche liegt bei etwa 250 bis 500 Å und, wie bemerkt, ist 500 Å typisch.
Es wurde die ideale in dem evaneszenten Teil der nackten und gespitzen Sonde erwartende Leistungsdämpfung berechnet. Der entsprechende Leistungsübertragungskoeffizient wird günstigerweise in bezug auf , welches, wie oben bemerkt, eine charakteristische Größe des geführten Modes ist, dem Verjüngungswinkel β und einem dimensionslosen Parameter α, welcher durch
α = /nk&sub0;a
definiert ist, ausgedrückt, wobei a der Öffnungsdurchmesser ist, k&sub0; ist, wie oben bemerkt, die Wellenzahl des geführten Lichts im freien Raum, und n ist der relevante Wert des Brechungsindexes des Wellenleiters. Es ist hilfreich zu bemerken, daß α gleich dem Verhältnis des Grenzdurchmessers zu dem Öffnungsdurchmesser ist. Der Leistungsübertragungskoeffizient entsprechend zur idealen evaneszenten Dämpfung ist, falls in dB ausgedrückt, gegeben durch:
Es wurden erfolgreich Sonden mit verschiedenen Werten von α im Bereich zwischen 1 und 10, und verschiedenen Werten von β im Bereich zwischen 5º und 20º hergestellt, in welchen der gemessene Gesamtleistungsübertragungskoeffizient mit nicht mehr als 10 dB unterhalb Tev abfällt.
Wenigstens für Werte von α im Bereich zwischen 2 und 8 kann Tev grob durch -2 α/tanβ dB angenähert werden. Dementsprechend wurden mit Erfolg Sonden hergestellt, bei denen der gemessene als T bezeichnete Gesamtleistungsübertragungskoeffizient der Ungleichung
T(db) > §w(2 α/tanβ)-10
genügt.
Das erfindungsgemäße optische System ist u. a. als ein Herstellungswerkzeug nützlich. Beispielsweise kann die Sonde leicht zum Führen aktinischer Strahlung aus einer Lichtquelle zu einem kleinen Bereich einer Werkstückoberfläche verwendet werden, die benachbart zur optischen Öffnung der Sonde angeordnet ist. Somit kann beispielsweise eine Werkstückoberfläche mit einer derartigen photoempfindlichen Schicht, wie einem Photoresist, beschichtet sein und ein Muster in die Schicht durch Bewegen der Sonde relativ zu der Schicht gebildet werden, während Licht durch die Sonde transmittiert, derartig, daß Licht aus der Öffnung tritt und auf die Schicht fällt, wodurch die Schicht belichtet wird. Zusätzliche Schritte werden dann leicht ausgeführt, was beispielsweise zu der Vervollständigung eines Herstellungsgegenstandes führt. Beispielsweise ist der Herstellungsgegenstand eine integrierte Halbleiterschaltung und die zusätzlichen Schritte umfassen das Entwickeln des Photoresists und das Einwirkenlassen eines Ätzmittels auf die dem Ätzmittel widerstehnd beschichtete Oberfläche, derartig, daß eine unter dem Photoresist liegende Schicht bemustert wird. Es ist bedeutend, daß nicht nur Halbleiterwafer, sondern auch zur Verwendung als photolithographische Masken gedachte Glasplatten leicht bemustert werden.
Bei einem alternativen Prozeß wird aktinische Strahlung aus der Sonde leicht zu einer Werkstückoberfläche gerichtet, um die Abscheidung eines Materials auf der Oberfläche zu verursachen. Beispielsweise kann die Oberfläche einem organometallischen Dampf oder Lösung ausgesetzt werden. Auf der Oberfläche auftreffende aktinische Strahlung kann die lokale Zersetzung eines oder mehrerer Konstituenten des Dampfes oder der Lösung anregen, wobei beispielsweise ein metallischer Rest erzeugt wird, der an der Oberfläche anhaftet.
Das erfindungsgemäße optische System ist auch als eine Untersuchungseinrichtung in einer Produktionslinie nützlich. Beispielsweise wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 bei der Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung häufig ein Halbleiterwafer bereitgestellt (Schritt A), welcher eine Oberfläche aufweist, die in einem oder mehreren Schritten des Herstellungsprozesses bemustert wird. Die gebildeten Muster weisen charakteristische, manchmal als "Linienbreiten" bezeichnete Abmessungen auf, die allgemein innerhalb enger Toleranzen gehalten werden müssen. Das erfindungsgemäße optische System kann leicht zum Messen (Schritt D) derartiger Linienbreiten, wie die Breite der metallischen Leiter auf einem Wafer oder die Länge von Gates, welche in Metalloxidhalbleiterstrukturen (metaloxide-semiconductor, MOS) auf einem Wafer gebildet sind. Derartige Linienbreiten können dann mit Sollwerten verglichen werden (Schritt E). Prozeßparameter, beispielsweise lithographische Entwicklungszeiten oder Ätzzeiten, welche am Anfang gesetzt wurden (Schritt B) können leicht eingestellt werden (Schritt H), um die gemessenen Abmessungen innerhalb der Solltoleranzen zu bringen. Zusätzliche Schritte (Schritt G) können dann zur Vervollständigung eines Herstellungsgegenstandes ausgeführt werden. Der Meßschritt umfaßt das Anordnung der Sonde benachbart zur bemusterten Oberfläche (Schritt I) und das Auftreffenlassen (Schritt J) von Licht darauf, und das Lichterfassen (Schritt K) von der Oberfläche, derartig, daß die Lichtquelle und der Detektor optisch über die erfindungsgemäße Sonde, welche im wesentlichen, wie oben beschrieben ist, gekoppelt wird.
Das erfindungsgemäße optische System ist auch zur Untersuchung von Bitmustern in einem derartigen magnetischen digitalen Speichermedium, wie magnetische Platten, nützlich. Da magnetische Speichermedien im allgemeinen eine Faraday- Rotation von polarisiertem Licht zeigen, sind die Bitmuster, welche durch modulierte Magnetisierungsrichtungen charakterisiert sind, leicht durch Untersuchung unter Verwenden beispielsweise von gekreuzten Polarisatoren zu veranschaulichen. Somit kann beispielsweise das erfindungsgemäße optische System für das Abbilden des Mediums in der Reflexions-Betriebsart verwendet werden, wobei eine polarisierte Lichtquelle verwendet und ein Polarisationsfilter vor dem Detektor eingeschlossen wird. In einem Herstellungsprozeß, der das Anbringen von Bitmustern mit vorbestimmten Eigenschaften an ein derartiges Medium umfaßt, können relevante Prozeßparameter eingestellt werden, um die erfaßten Bitmuster in Übereinstimmung mit den Sollmustern zu bringen.
In wenigstens einigen Fällen ist die Laserquelle selbst eine Quelle von polarisiertem Licht. In anderen Fällen kann es wünschenswert sein, daß das Licht aus der Quelle einen linear polarisierenden Film durchquert. Bevor derartiges Licht in die optische Faser 70 (siehe Fig. 1) gekoppelt wird, ist es häufig nützlich, daß das Licht eine λ/2 Platte und dann eine λ/4 Platte durchquert. Die Ausrichtungen dieser Platten sind leicht einzustellen, um die Doppelbrechung in der optischen Faser zu kompensieren. (Eine polarisationserhaltende Faser kann nützlich sein, ist jedoch nicht notwendig.) Die linear polarisierte Komponente des aus der Faser austretenden Lichtes wird beispielsweise mittels visuellem Erfassen durch einen zweiten linear polarisierenden Film während dem Einstellen der λ/2 und λ/4 Platten optimiert.
Andere Anwendungen des erfindungsgemäßen optischen Systems zum Herstellen und zur Untersuchung sind für anwendende Fachleute leicht offensichtlich.
Beispielsweise ist das erfindungsgemäße optische System auch nützlich zum Aufbringen digitaler Daten zum Speichern auf einem optischen oder magnetischen Speichermedium und zum Lesen derartig gespeicherter Daten von dem Speichermedium. Beispielsweise ist wohlbekannt, daß Daten auf magnetisierbaren metallischen Filmen in der Form von Mustern von Punkten mit lokaler Magnetisierung aufgezeichnet werden können, die sich in der Richtung der Magnetisierung der umgebenen Filmabschnitte unterscheiden. Diese Datenspeichertechnologie ist beispielsweise in R.J. Gambino, "Optical Storage Disk Technology", MRS Bulletin 15 (April 1990), Seiten 20-24 und in F.J.A.M. Greidanus und W.B. Zeper in "Magneto-Optical Storage Materials", MRS Bulletin 15 (April 1990), Seiten 31-39, beschrieben.
Ein typisches magnetisches Speichermedium ist eine Schicht, die eine amorphe Legierung eines oder mehrerer der Seltenen Erden- und eines oder mehrerer der Übergangsmetalle umfaßt. (Alternative magnetische Speichermaterialien umfassen Kobalt-Platin- oder Kobalt-Palladium-Mehrschichtfilme, und derartige magnetische Oxid-Materialien, wie Ferrite und Granate.) Ein beispielsweise 1 Bit von digitalen Daten darstellender Punkt wird durch Aussetzen des Mediums einem magnetischen Feld und optischem Heizen der Punktfläche über die Curie-Temperatur oder über den Kompensationspunkt des Mediums geschrieben. (In einigen Fällen ist das interne demagnetisierende Feld des Mediums ausreichend, um lokal die Umkehr der Magnetisierung zu verursachen, und ein externes Feld muß nicht angelegt werden.) Derartig herkömmlich hergestellte Punkte sind etwa 1 µm im Durchmesser. Das erfindungsgemäße optische System ist leicht verwendbar zur Herstellung kleinerer Punkte, beispielsweise Punkte mit einem Durchmesser von etwa 0,2 bis 0,5 µm und sogar so klein wie 0,06 µm oder geringer. Derartig kleine Punkte können auch mit dem erfindungsgemäßen optischen System gelesen werden.
In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ist das magnetische Speichermedium ein dünner amorpher Film einer Legierung, die wenigstens ein Seltenen Erden und wenigstens ein Übergangsmetall umfaßt. Ein Beispiel einer derartigen Legierung ist Terbium-Eisen. Die Öffnung der Nahfeldsonde wird von der Oberfläche des Mediums geringer als etwa eine Wellenlänge der Beleuchtung entfernt angeordnet. (Falls größere Punkte gewünscht sind, wird die Sonde leicht mehr als eine Wellenlänge von dem Medium entfernt positioniert.) Die Beleuchtungswellenlänge ist ausgewählt, um eine angemessene Wärme an das Medium abzugeben. Beispielsweise wird ein Terbium-Eisen-Film leicht durch einen Farbstofflaser erhitzt, der durch einen YAG-Laser gepumpt wird, und der ungefähr Nanosekundenpulse bei einer Wellenlänge von ungefähr 600 nm emittiert. Licht aus dem Laser wird über eine optische Faser in die erfindungsgemäße Sonde gerichtet und trifft von der Sondenspitze auf das Aufzeichnungsmedium auf. Eine typische zum Schreiben eines Punktes erforderliche lokale Temperaturänderung liegt bei etwa 150ºC. Obwohl das Schreiben durch Verwenden entweder eines kontinuierlichen oder eines gepulsten Lasers zum Beleuchten erreicht werden kann, ist ein gepulster Laser vorzuziehen, um die mittleren Leistungsanforderungen des Lasers während dem Erhitzen eines verhältnismäßig kleinen Punktes zu mindern.
Es ist von Bedeutung, daß die Erfindung dazu gedacht ist, nicht nur in Verbindung mit magnetischen Film- Aufzeichnungsmedien zu verwenden, sondern auch Medien die mit einer Beleuchtungsquelle beschrieben werden können. Derartige Medien umfassen beispielsweise polykristalline Filme (von beispielsweise Tellur dotiertem Indiumantimonid), die lokal durch einen Laserpuls auf beispielsweise eine Temperatur erhitzt werden, die den Schmelzpunkt des Films überschreitet, und schnell in einen amorphen Zustand übergeführt werden. Die Abkühlrate kann beispielsweise durch geeignetes Formen der Zeitabhängigkeit des Laserpulses beeinflußt werden.
Aufgezeichnete Daten darstellende Punkte werden typischerweise in einer Spur in das Aufzeichnungsmedium geschrieben. Eine derartige Spur erstreckt sich beispielsweise auf dem Umfang einer rotierenden Platte. Die Durchmesser der gemäß der Erfindung geschriebenen Punkte sind typischerweise sehr viel kleiner als die Breite einer derartigen Spur. Dementsprechend können vorteilhafterweise mehrere derartige Punkte, die sich in Bändern im wesentlichen quer über die Spur erstrecken, geschrieben werden. Ein Vorteil dieser Erfindung ist, daß die Punkte in derartigen Bändern gleichzeitig durch ein lineares Feld von erfindungsgemäßen Nahfeldsonden gelesen werden können.
In einem momentan bevorzugten Verfahren zum Lesen eines auf einem magnetischen Film-Aufzeichnungsmedium aufgebrachten Musters wird linear polarisiertes von der erfindungsgemäßen Sonde emittiertes Licht durch das Medium übertragen und eine herkömmliche Einrichtung wird verwendet, um ein Teil des derartig übertragenen Lichtes zu sammeln und es in bezug auf die Polarisation zu analysieren. Zum Lesen sind bevorzugte Wellenlängen solche, bei denen ein maximales optisches Ansprechen auftritt (d. h. maximale Rotation der Polarisationsrichtung des Lichtes, wenn es das magnetische Medium durchquert). Für Übergangsmetall-Seltenen-Erden- Medien liegen derartige Wellenlängen typischerweise im nahen infraroten oder sichtbaren Spektrum.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Sonde sowohl zum Auftreffenlassen von polarisiertem Licht auf die Oberfläche des Mediums und zum Sammeln eines Teils des derartigen Lichtes, das von der Oberfläche reflektiert wird, verwendet. Als eine Folge, entweder der Transmission hindurch oder der Reflexion von, einem magnetisierten Punkt in dem Medium wird eine Polarisationsrotation von typischerweise etwa 0,5º erzeugt. Die Auswirkung einer derartigen Drehung ist, daß die Intensität des durch den Analysator transmittierten und nachfolgend erfaßten Lichtes moduliert ist. Eine derartige Modulation wird leicht entschlüsselt, um die in dem Medium aufgezeichnete Information wiederzugeben. Wie wohlbekannt ist, kann eine derartige Information, beispielsweise Schall, Bilder, Text oder digitale Daten, auf zeichnen.
In alternativen Ausführungsformen, derartige wie solche, die Phasenänderungen umfassen, ist die Modulation typischerweise statt durch Polarisationsdrehung durch Änderungen des Reflexionsvermögens bereitgestellt. Derartige Änderungen sind auch leicht durch Verwenden der erfindungsgemäßen Sonde zum Sammeln des reflektierten Lichtes erfaßbar.
Das erfindungsgemäße Mikroskop kann auch für Abbildungsanwendungen in der biologischen Forschung und der klinischen Medizin angewendet werden. Insbesondere überwindet das erfindungsgemäße Mikroskop wenigstens in einigen Fällen das Problem eines niedrigen Signalpegels, der häufig die Nützlichkeit NSOM-System nach dem Stand der Technik für das Abbilden auf medizinischem und biologischem Gebiet beeinträchtigt. Somit kann beispielsweise das erfindungsgemäße Mikroskop leicht verwendet werden, um Schnittproben von biologischem Gewebe abzubilden, um körperliche Pathologien in dem Gewebe zu finden und zu bestimmen. In ähnlicher Weise kann das erfindungsgemäße Mikroskop leicht verwendet werden, um in geschnittenen Gewebeproben die Verteilung von Materialien zu untersuchen, die erfaßbar durch ihr inhärentes Erscheinen oder Fluoreszenz sind, genauso wie Materialien, die beispielsweise durch fluoreszente Farbstoffe markiert sind.
Das erfindungsgemäße Mikroskop ist auch in genetischen klinischen und Forschungsanwendungen nützlich zum Abbilden von Chromosomen während dieses sich beispielsweise in dem Metaphasenzustand befinden. Insbesondere sind Chromosome oder Abschnitte von Chromosomen, die mit fluoreszentem Material markiert sind, unter Verwendung des erfindungsgemäßen Mikroskops leicht zu bestimmen. Verfahren des fluoreszenten Markierens, die im allgemeinen das Reagieren von Zellkernmaterial mit Fluorogene einschließendem Material umfaßt, sind auf dem Gebiet wohlbekannt und müssen hier nicht ausführlich beschrieben werden.
Fluoreszentes Abbilden wird durch Verwenden des Mikroskops entweder in einer Beleuchtungs-Betriebsart (Fig. 1) oder in einer Sammel-Betriebsart (Fig. 2) erreicht. Bei der ersten trifft elektromagnetische Strahlung, die die Probe zum Emittieren von fluoreszentem Licht veranlassen kann, von der Sonde auf die Probe und die sich ergebende Fluoreszenz wird beispielsweise durch ein herkömmliches Mikroskopobjektiv gesammelt. In der letzteren trifft die anregende Strahlung in herkömmlicher Weise auf die Probe und das fluoreszente Licht wird durch die Sonde gesammelt.
Wie bemerkt, wird eine bevorzugte Sonde 20 (siehe Fig. 1) durch Verjüngen einer optischen Einmodenfaser hergestellt. Es ist zu bemerken, daß wenigstens in einigen Fällen eine nützliche Sonde auch durch Verjüngen und Beschichten einer Mehrmodenfaser hergestellt werden kann. Abhängig von den Abmessungen der Mehrmodefaser (relativ zur geführten Wellenlänge) wird eine größere oder kleinere Anzahl von Moden geführt werden. Im allgemeinen wird erwartet, daß je kleiner die Anzahl der geführten Moden ist (d. h. je mehr die Faser einer Einmodenfaser gleicht), desto größer wird für eine gegebene Öffnung das erreichte Signal-zu- Rauschverhältnis sein.
Wie auch festgestellt wurde, ist ein derartiges Metall, wie Aluminium, ein beispielhaftes nichttransparentes Beschichtungsmaterial für die Probe. Allgemeiner ausgedrückt, ist eine geeignete Beschichtung eine solche, die ein Material umfaßt, in welchem die Strahlung mit einer geringen Eindring-(Haut)-Tiefe geführt wird. Aluminium ist ein bevorzugtes Material, wenn die Strahlung beispielsweise im sichtbaren Spektrabereich liegt, aber derartige Halbleiter, wie Silicium, können bevorzugt sein, wo beispielsweise ultraviolette Strahlung geführt werden soll.

Beispiel

Eine 3 µm Einmodenfaser (FS-VS-2211) mit einem 450 nm Grenzdurchmesser wurde in einer durch Sutter Instruments hergestellte Mikropipetten-Ziehvorrichtung, Modell P-87, gezogen, während die Faser mit einem 25 W, 3 mm Punkt aus einem 25 W Kohlendioxidlaser erhitzt wurde. Die Mikropipetten-Ziehvorrichtung wurde programmiert, um einen "harten Zug" bei einer Einstellung von 75 (Bereich 0 bis 255), einer "Geschwindigkeit beim Zug" bei einer Einstellung von 4 (Bereich 0 bis 255) und einer Zeitverzögerung von 1 (Bereich 0 bis 255) bereitzustellen. Die erreichten Eigenschaften der Spitze war: ein Verjüngungswinkel von 12º, ein Durchmesser der flachen Endfläche von 670 Å und ein Wert für α von etwa 3. Ein Faserende wurde in einem Rotator platziert und mit etwa 1260 Å Aluminium dampfbeschichtet bei einem Basisdruck von etwa 10&supmin;&sup6; Torr. Das verjüngte Ende wurde dann in einer piezoelektrischen Röhre in der optischen Anordnung der Fig. 1 befestigt. 1 mW von 514.5 nm Licht aus einem Argonionenlaser wurde in die Faser gekoppelt. Die optische Ausgangsleistung an der Faserspitze wurde zu etwa 1,1 nW gemessen, entsprechend einem Gesamtleistungsübertragunskoeffizienten von etwa -60 dB. Die Sonde stellte eine räumlich Auflösung von etwa 25 nm bereit als sie verwendet wurde, ein Bild einer Probenoberfläche zu erzeugen.

Claims

1. Optisches System umfassend:

eine Sonde (20), von welcher wenigstens ein Abschnitt bei wenigstens einer gegebenen Wellenlänge optisch transparent ist, wobei die Sonde ein entfernt gelegenes Ende hat, in welchem dort eine optische Öffnung (60) definiert ist, deren Durchmesser kleiner als die gegebene Wellenlänge ist, und

eine Einrichtung (30) zum Anordnen oder Versetzen der Sonde relativ zu einem Objekt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Sonde einen Abschnitt einer optischen Faser mit einem Kern (270) und einer Ummantelung (260) aufweist, wobei die Faser einen sich verjüngenden Abschnitt (240) hat, mit einem Verjüngungswinkel, wobei die Ummantelung eine im wesentlichen glatte äußere Oberfläche hat, wobei der sich verjüngende Bereich in einer im wesentlichen flachen Endfläche (250) endet und die Öffnung in der Endfläche definiert ist,

b) wobei wenigstens ein Abschnitt des sich verjüngenden Bereichs mit einem nichttransparenten Material (280) derart versehen ist, daß elektromagnetische Strahlung der gegebenen Wellenlänge die elektrischen Feldverteilungseigenschaften von wenigstens einem ersten geführten Mode von Metallwellenleitern annimmt, wobei ein derartiger Mode als metallischer Mode bezeichnet wird, wobei dem ersten metallischen Mode ein Ummantelungsgrenzdurchmesser zugeordnet ist, bei welchem der erste metallische Mode sich theoretisch von einem ausbreitenden zu einem evaneszenten Mode ändert, falls das nichttransparente Material unendlich leitfähiges Metall wäre,

c) wobei der äußere Ummantelungsdurchmesser im Verlauf des sich verjüngenden Bereichs so abnimmt, daß geführte elektromagnetische Strahlung der gegebenen Wellenlänge, die anfänglich in einem dielektrischen Mode war, der für einen zylindrischen dielektrischen Wellenleiter charakteristisch ist, mit wenigstens 10 % Wirkungsgrad in den ersten metallischen Mode gekoppelt wird, und

d) die Endfläche einen Durchmesser hat, der niedriger als oder gleich dem Grenzdurchmesser ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Einrichtung zum optischen Koppeln einer Lichtquelle (10) an die Sonde derart, daß wenigstens etwas von der Quelle emittiertes Licht bei wenigstens der gegebenen Wellenlänge aus der Sonde durch die Öffnung austritt oder in die Sonde durch die Öffnung eintritt.

3. Optisches System nach Anspruch 2, ferner umfassend:

eine Quelle (10) von elektromagnetischer Strahlung, die als "Lichtquelle" bezeichnet wird,

einen Abtastungserzeuger zum Antreiben der Einrichtung zum Anordnen oder Versetzen derart, daß die Sonde benachbart zu einem Abschnitt einer Oberfläche der Probe in einem Rastermuster bewegt oder versetzt wird,

eine Meßgrößen-umformende Einrichtung (130) zum Erfassen wenigstens eines Anteils des Lichts von der Lichtquelle, welches in die Probe eintritt oder aus der Probe austritt, und zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Ansprechen auf das erfaßte Licht,

eine Fernfeldmikroskopeinrichtung (150) zum Betrachten wenigstens eines Anteils der Sonde und wenigstens eines Anteils des Objektes, und

eine Videoanzeigeeinrichtung in signalempfangendem Verhältnis zur Meßgrößen-umformenden Einrichtung, um ein zweidimensionales Bild anzuzeigen, welches sich auf die Menge des erfaßten Lichts bei wenigstens einigen Orten oder Versätzen der Sonde relativ zur Probe bezieht,

wobei die Orte oder Versätze Teil des Rastermusters sind.

4. Optisches System nach Anspruch 3, bei welchem die Meßgrößen-umformende Einrichtung analoge elektrische Signale erzeugen kann, und das System ferner eine Einrichtung zum Wandeln des analogen elektrischen Signals in digitale Signale und zum Übertragen des digitalen Signals zur Videoanzeigeeinrichtung umfaßt.

5. Optisches System nach Anspruch 4, ferner umfassend eine Speichereinrichtung zum digitalen Aufzeichnen wenigstens eines Anteils des digitalen Signals.

6. Optisches System nach Anspruch 5, ferner umfassend eine Einrichtung zum digitalen Bearbeiten des digitalen Signals, wobei die digitale Bearbeitungseinrichtung in empfangendem Verhältnis zu der analog-digital-wandelnden Einrichtung und in übertragendem Verhältnis zu der Videoanzeigeeinrichtung steht.

7. Optisches System nach Anspruch 1, ferner umfassend:

eine Quelle elektromagnetischer Strahlung, die wenigstens einen Anteil des Objektes zum Emittieren fluoreszenten Lichtes stimulieren kann, wobei die Quelle optisch an die Sonde derart gekoppelt ist, daß die Strahlung von der Quelle durch die Sonde zum Objekt übertragen wird, und

eine Einrichtung zum Erfassen wenigstens eines Anteils von durch das Objekt emittiertem fluoreszenten Licht.

8. Optisches System nach Anspruch 1, ferner umfassend:

eine Quelle elektromagnetischer Strahlung, die ein Objekt zum Emittieren fluoreszenten Lichts bei wenigstens der gegebenen Wellenlänge stimulieren kann, und

eine Einrichtung zum Halten des Objekts relativ zu der Strahlungsquelle und der Sonde derart, daß wenigstens ein Anteil der durch die Quelle emittierten Strahlung auf das Objekt auftrifft und wenigstens ein Anteil des durch das Objekt emittierten, fluoreszenten Lichts durch die optische Öffnung in die Sonde tritt.

9. Optisches System nach Anspruch 1, bei welchem die Endfläche im wesentlichen frei von über dieser liegendem nichttransparentem Material ist,

wobei die Faser an jeder Stelle in Längsrichtung einen äußeren Ummantelungsdurchmesser hat, wobei der Abschnitt des sich verjüngenden Bereichs, der mit nichttransparentem Material überzogen ist, einen Teil umfaßt, der als der "evaneszenter" Bereich bezeichnet wird, in welchem der äußere Ummantelungsdurchmesser geringer als der Grenzdurchmesser ist, und

wobei die Öffnung im wesentlichen mit der Endfläche übereinstimmt.

10. Optisches System nach Anspruch 1, bei welchem der Endflächendurchmesser ungefähr gleich dem Grenzdurchmesser ist und die Sonde ferner eine ringförmige, über der Endfläche liegende Schicht derart umfaßt, daß die ringförmige Schicht die Öffnung umgibt und diese hierdurch definiert.

11. Optisches System nach Anspruch 1, bei welchem das Verhältnis des Grenzdurchmessers zum Öffnungsdurchmesser als α bezeichnet wird, der metallische Mode der TE&sub1;&sub1;-Mode ist, der Verjüngungswinkel mit β bezeichnet wird, α wenigstens 2 und höchstens 8 beträgt und die Sonde einen mit T bezeichneten Transmissionskoeffizienten hat, welcher bei Darstellung in Dezibel die Gleichung erfüllt:

T > -(3,68 α/tanβ)-10

12. Optisches System nach Anspruch 10, bei welchem die Öffnung eine Mitte hat, die Endfläche eine Mitte hat und die Mitte der Öffnung von der Mitte der Endfläche versetzt ist.

13. Verfahren zum Untersuchen einer Probe (40) umfassend die Schritte

des Erzeugens eines vergrößerten Bildes von wenigstens einem Teil der Probe und

des visuellen Untersuchens des Bildes, wobei der bilderzeugende Schritt umfaßt:

Bereitstellen einer Sonde (20), die eine optische Öffnung (60) aufweist, welche im Durchmesser kleiner als eine vorgegebene Wellenlänge ist,

Anordnen der Sonde benachbart zu einer ersten Oberfläche der Probe derart, daß die Öffnung von der ersten Oberfläche um nicht mehr als die gegebene Wellenlänge beabstandet ist,

Auftreffenlassen von elektromagnetischer Strahlung auf die Probe,

Sammeln von durch die erste Oberfläche emittierter elektromagnetischer Strahlung und

Erfassen von wenigstens einem Anteil der gesammelten Strahlung, wobei die auftreffende Strahlung von der Sonde ausgestrahlt ist und wenigstens die gegebene Wellenlänge enthält, oder die gesammelte Strahlung durch die Sonde gesammelt wird und wenigstens die vorgegebene Wellenlänge umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Sonde einen Abschnitt einer optischen Faser mit einem Kern (270) und einer Ummantelung (260) hat, wobei die Faser einen sich verjüngenden Bereich (240) aufweist, der einen Verjüngungswinkel hat, wobei die Ummantelung eine im wesentlichen glatte äußere Oberfläche hat, wobei der sich verjüngende Bereich in einer im wesentlichen flachen Endfläche (250) endet und die Öffnung in der Endfläche definiert ist,

wobei wenigstens ein Abschnitt des sich verjüngenden Bereichs mit einem nichttransparenten Material (280) derart überzogen ist, daß die elektromagnetische Strahlung der gegebenen Wellenlänge die elektrischen Feldverteilungseigenschaften von wenigstens einer ersten geführten Mode von Metallwellenleitern annimmt, wobei der ersten metallischen Mode ein Ummantelungsgrenzdurchmesser zugeordnet ist, bei welchem der metallische Mode theoretisch sich von einem ausbreitenden zu einem evaneszenten Moden ändert, falls das nichttransparente Material unendlich leitfähiges Metall ist,

c) wobei der Ummantelungsdurchmesser im Verlauf des sich verjüngenden Bereichs mit so abnimmt, daß die geführte elektromagnetische Strahlung der gegebenen Wellenlänge, die anfänglich in einer dielektrischen Mode ist, die für einen zylindrischen dielektrischen Wellenleiter charakteristisch ist, mit wenigstens 10% Wirkungsgrad in den ersten metallischen Mode gekoppelt wird, und

d) wobei die Endfläche einen Durchmesser hat, der geringer als oder gleich dem Grenzdurchmesser ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Probe eine zweite Oberfläche hat, wobei der Schritt des Auftreffens das Auftreffen von Strahlung auf die zweite Oberfläche umfaßt und die durch die erste Oberfläche emittierte Strahlung Strahlung ist, welche durch die Probe übertragen wurde.

15. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der Schritt des Auftreffens das Auftreffen von Strahlung auf die erste Oberfläche umfaßt und der Schritt des Sammelns das Sammeln von reflektierter Strahlung umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der Schritt des Auftreffens das Auftreffen von Strahlung auf die ersten Oberfläche umfaßt, wobei die auftreffende Strahlung Strahlung bei wenigstens einer Wellenlänge umfaßt, welche Fluoreszenz bei wenigstens einem Teil der Probe anregen kann und der Schritt des Sammelns das Sammeln von fluoreszentem Licht umfaßt.

17. Verfahren zum Bemustern einer Oberfläche, umfassend die Schritte des:

a) Bereitstellens eines Werkstücks mit einer zu bemusternden Oberfläche und

b) des Auftreffenlassens von Licht mit wenigstens einer gegebenen Wellenlänge auf der Oberfläche derart, daß wenigstens ein Teil des auftreffenden Lichtes von einer optischen Öffnung (60) ausgeht, reflektiert wird oder zu dieser übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Auftreffens ferner umfaßt:

c) des Anordnens einer Sonde (20) benachbart zur Oberfläche, wobei die Sonde eine Endfläche (250) aufweist und die optische Öffnung in der Endfläche definiert ist, wobei der Abstand zwischen der Öffnung und der Oberfläche höchstens eine gegebene Wellenlänge beträgt, und wobei

d) die Öffnung von geringerem Durchmesser als die gegebene Wellenlänge ist,

e) die Sonde einen Teil einer optischen Faser mit einem Kern (270) und einer Ummantelung (260) umfaßt, wobei die Faser einen sich verjüngenden Bereich (270) aufweist mit einem Verjüngungswinkel, wobei die Ummantelung eine im wesentlichen glatte äußere Oberfläche hat, wobei der sich verjüngende Bereich in einer im wesentlichen flachen Endfläche (250) endet und die Öffnung in der Endfläche definiert ist,

f) wobei wenigstens ein Anteil des sich verjüngenden Bereichs mit einem nichttransparenten Material (280) derart überzogen ist, daß elektromagnetische Strahlung der gegebenen Wellenlänge die elektrischen Feldverteilungscharakteristiken von wenigstens einem ersten geführten Mode von Metallwellenleitern annimmt, wobei ein derartiger Mode als metallischer Mode bezeichnet wird, wobei dem ersten metallischen Mode ein Ummantelungsgrenzdurchmesser zugeordnet ist, bei welchem sich der erste metallische Mode theoretisch von einem ausbreitenden zu einem evaneszenten Mode ändert, falls das nichttransparente Material ein unendlich leitfähiges Metall ist,

g) wobei der äußere Ummantelungsdurchmesser im Verlauf des sich verjüngenden Bereichs so abnimmt, daß geführte elektromagnetische Strahlung der gegebenen Wellenlänge, die anfänglich in einem dielektrischen Mode ist, der für einen zylindrischen dielektrischen Wellenleiter charakteristisch ist, mit wenigstens 10 % Wirkungsgrad in den ersten metallischen Mode eingekoppelt wird, und

h) die Endfläche einen Durchmesser hat, der geringer oder gleich dem Grenzdurchmesser ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die Oberfläche ein Aufzeichnungsmedium umfaßt, welchem ein Bitmuster aufprägbar ist, wobei bei dem Schritt des Auftreffens von der optischen Öffnung Licht auf das Medium auftrifft und der Schritt des Auftreffens zu einer örtlich festgelegten, physikalischen Änderung im Medium derart führt, daß ein optisches Signal durch die physikalische Änderung modulierbar ist, wobei die Modulation wenigstens ein Informationsbit trägt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem das Medium ein magnetisches Medium ist und der Schritt des Auftreffens zu einem lokalen Erwärmen des Mediums über seine Curie-Temperatur oder über seinen Kompensationspunkt führt, welches zur Ausbildung eines Punktes führt, an welchem die örtliche Magnetisierung von der Magnetisierung den Punkt umgebender benachbarter Bereiche verschieden ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem der Schritt des Auftreffens in Anwesenheit eines externen magnetischen Feldes durchgeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem das Medium im wesentlichen polykristallin ist und der Schritt des Auftreffens zu einer lokalen Erwärmung eines Anteils des Mediums führt, gefolgt vom schnellem Kühlen, derart, daß ein örtlicher, im wesentlichen amorpher Punkt gebildet wird.

22. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem der Schritt des Bereitstellens umfaßt das Bereitstellen einer Vielzahl von Halbleiterwafern, wobei jeder Wafer eine zu bemusternde Oberfläche hat, wobei das Verfahren ferner umfaßt:

a) Setzen wenigstens eines Verfahrensparameters,

b) Bearbeiten von wenigstens einem ersten Wafer gemäß dem Verfahrensparameter derart, daß ein Muster an der Oberfläche des Wafers ausgebildet wird, wobei das Muster eine charakteristische Abmessung hat,

c) Messen der charakteristischen Abmessung des ersten Wafers,

d) Vergleichen der charakteristischen Abmessung mit einem vorbestimmten Bereich von Werten,

e) falls die charakteristische Abmessung außerhalb des vorbestimmten Bereichs von Werten liegt, Ändern des Verfahrensparameters, um die charakteristische Abmessung innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Werten zu bringen,

f) nach e) Bearbeiten wenigstens eines zweiten Wafers gemäß dem Verfahrensparameter,

g) Durchführen an wenigstens dem zweiten Wafer wenigstens einen zusätzlichen Schritt zur Vervollständigung des Gegenstandes, und

h) wobei der Schritt des Auftreffens während des Schrittes des Messens, das Anordnen der Sonde benachbart zur bemusterten Oberfläche des ersten Wafers, das Auftreffenlassen von Licht auf die Oberfläche derart, daß wenigstens ein Teil des Lichtes von der Oberfläche reflektiert wird, umfaßt, wobei das auftreffende Licht von der Sonde ausgeht oder ein Anteil des reflektierten Lichts durch die Sonde gesammelt wird, und das Erfassen wenigstens einen Teil des reflektierten Lichtes umfaßt.

23. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem der Schritt des Bereitstellens umfaßt: das Bereitstellen einer Vielzahl von Substraten, wobei jedes Substrat eine zu Oberflächenschicht aus magnetischem Material hat, in welche ein Bitmuster einzuprägen ist, wobei das Verfahren ferner umfaßt:

a) Setzen wenigstens eines Verfahrensparameters,

b) Bearbeiten von wenigstens einem ersten Substrat gemäß dem Verfahrensparameter derart, daß ein Muster an der Oberfläche des Substrates gebildet wird

c) Abfühlen des Bitmusters in wenigstens dem ersten Substrat,

d) Vergleichen des abgefühlten Bitmusters mit einem vorbestimmten Bitmuster,

e) falls das abgefühlte Bitmuster von dem vorbestimmten Bitmuster verschieden ist, Ändern des Verfahrensparameters, um das abgefühlte und das vorbestimmte Bitmuster in Übereinstimmung zu bringen,

f) nach (e) Bearbeiten wenigstens eines zweiten Substrates gemäß dem Verfahrensparameter,

g) Durchführen an wenigstens dem zweiten Substrat wenigstens eines weiteren Schritts zur Verfollständigung des Gegenstands,

h) wobei der Schritt des Auftreffens umfaßt, während des Schrittes des Abfühlens, das Anordnen der Sonde benachbart zur bemusterten Oberfläche des ersten Wafers, das Auftreffenlassen von Licht auf die Oberfläche, derart, daß wenigstens ein Teil des Lichtes von der Oberfläche reflektiert wird, wobei das auftreffende Licht von der Sonde ausging oder ein Teil des reflektierten Lichts durch die Sonde gesammelt wird, und das Erfassen wenigstens eines Teils des reflektierten Lichts.

24. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die Oberfläche einen Photoresist umfaßt, der Schritt des Auftreffens das Auftreffen von aktinischer elektromagnetischer Strahlung von der optischen Öffnung auf der Oberfläche derart, daß ein latentes Bild im Photoresist ausgebildet wird, umfaßt, und das Verfahren ferner die Schritte umfaßt: des Entwickelns des Photoresistes und das Einwirkenlassen eines Ätzmittels auf das Werkstück, derart, daß ein Muster in der Oberfläche ausgebildet wird.

25. Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend den Schritt des Einwirkenlassens einer chemisch reaktiven Flüssigkeit oder Dampfes auf die Oberfläche, und wobei der Schritt des Auftreffens das Auftreffen aktinischer elektromagnetischer Strahlung von der optischen Öffnung auf die Oberfläche derart umfaßt, daß durch die chemische Zersetzung der Flüssigkeit oder des Dampfes Material gebildet wird, wobei das Material sich an der Oberfläche abscheidet und an der Oberfläche anhaftet, wobei die Oberfläche bemusters wird.