DE69212576T2

DE69212576T2 - Raster-Mikroskop mit einem Kraftfühler

Info

Publication number: DE69212576T2
Application number: DE69212576T
Authority: DE
Inventors: Robert Eric Chatham New Jersey 07928 Betzig
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-11-04
Filing date: 1992-10-26
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: US5254854A; DE69212576D1; EP0545538A1; CA2075855A1; EP0545538B1; JPH0650750A; HK220396A; CA2075855C

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Abtast- oder Rastermikroskopie und insbesondere Mikroskope mit einer feinen Sonde, mit der dicht benachbart zu der Oberfläche des abzutastenden Gegenstandes Kräfte erfaßt werden.

Stand der Technik

In den letzten Jahren haben sich Abtast- oder Rastermikroskope, die auf der optischen oder elektrischen Erfassungen atomarer Kräfte basieren, auf einer Reihe von Gebieten als sehr nützlich erwiesen. Diese Mikroskope stellen beispielsweise eine nützliche Ergänzung zur Rasterelektronenmikroskopie (REM) dar, da zur Untersuchung der Topographie und der zusammensetzung von Oberflächen im Vergleich zur REM alternative Kontrastverfahren eingesetzt werden können.
Es wurden Mikroskope zur Erfassung atomarer Kräfte beschrieben, bei denen eine stark zugespitze Sondenspitze in die Nähe einer Probenoberfläche gebracht wird, wobei die Bewegung der Sondenspitze durch die senkrecht zur Oberfläche wirkenden Kräfte oder die Normalkräfte beeinflußt wird. Eine solche Anordnung wird beispielsweise in dem amerikanischen Patent Nr. Re 33,387 beschrieben, das am 16. Oktober 1990 für G.K Binnig ausgegeben wurde. Die Sondenspitze ist hierbei an einem freitragenden Träger angebracht, der durch die Normalkräfte ausgelenkt wird. Ein weiteres Beispiel zeigt das amerikanische Patent Nr. 4,851,671 (= EP-A-0 290 647), das am 25. Juli 1989 für D.W. Pohl ausgegeben wurde. In diesem Patent wird eine alternative Anordnung beschrieben, bei der die Sondenspitze auf einem oszillierenden Kristall angebracht ist, dessen Frequenz durch die Normalkräfte verändert wird.
Bei der Relativbewegung der Sondenspitze und der Probenoberfläche sind auch Kräfte vorhanden, die anstatt senkrecht zu der Oberfläche parallel zu der Oberfläche wirken. ("Seitlich" bedeutet hierbei, daß die relative Verschiebung eine Komponente aufweist, die in der Nähe der Probe im Mittel parallel zu der Probenoberfläche verläuft.) Solche Scherkräfte können beispielsweise durch Haft- oder Gleitreibung zwischen der Sondenspitze und der Probe hervorgerufen werden. Andere Scherkräfte beruhen auf der inneren Reibung in der Luft oder einem anderen Fluid zwischen der Sondenspitze und der Probe.
Eine Sonde, mit der sich Scherkräfte erfassen lassen, bietet im Vergleich zu herkömmlichen Sonden, mit denen Normalkräfte erfaßt werden, einige Vorteile. Scherkräfte wirken, von der Oberfläche ausgemessen, beispielsweise über eine größere Entfernung als Normalkräfte. Je weiter weg von der Oberfläche eine Sonde eingesetzt werden kann, um so geringer ist die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Sonde oder der Probe. Die Verwendung einer in einem größeren Abstand angebrachten Sonde ermöglicht zudem ein schnelleres Abtasten, da sich Kollisionen mit Unebenheiten der Oberflächen einfacher vermeiden lassen. Eine freitragend angebrachte Sonde zur Erfassung von Normalkräften muß zudem im allgemeinen in seitlicher Richtung sehr steif ausgebildet sein. Eine Sonde zur Erfassung von Scherkräften kann hingegen in dieser Richtung sehr viel nachgiebiger ausgebildet sein, so daß die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung durch eine seitliche Kollision mit Unebenheiten der Probenoberfläche verringert wird.
In dem amerikanischen Patent Nr. 4,992,659, das am 12. Februar 1991 für D.W. Abraham et al. ausgegeben wurde, wird eine Sonde beschrieben, mit der in eingeschränkten Rahmen Kräfte erfaßt werden, die parallel zu einer Probenoberfläche gerichtet sind. In dem Patent wird ein Rastertunnelmikroskop mit einer Sonde zur Erfassung von Magnetfeldern in der abgetasteten Probe beschrieben. Durch die Magnetfelder in der Probe wird der Tunneistrom in der Sonde so beeinflußt, daß die Sonde aufgrund der Lorentz-Kraft parallel zu der Probenoberfläche ausgelenkt wird. Eine solche Sonde kann jedoch nur bei magnetischen Metallproben verwendet werden Bei ihr besteht die gleiche Gefahr für eine Beschädigung der Sonde oder der Probe wie bei herkömmlichen Sonden, mit denen die Normalkräfte erfaßt werden.
Trotz der Vorteile einer allgemein verwendbaren Sonde zur Erfassung von Scherkräften ist es Praktikern auf diesem Gebiet bis jetzt noch nicht gelungen, eine solche Sonde zu entwickeln.
In der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 410 634 von M. Feldmann et al. mit dem Titel "Improved Resolution Confocal Microscope, and Device Fabrication Using Same" wird ein optisches Abtast- oder Rastermikroskop beschrieben und die Verwendung dieses Mikroskops zur Steuerung der Leiterbahn- oder Strukturbreite bei der Halbleiterherstellung.
Erfindungsgemäß wird ein Abtastsystem gemäß Anspruch 1, ein Mikroskop gemäß Anspruch 12 und ein Verfahren gemäß Anspruch 13 geschaffen.
Es wurde ein abtastendes Abbildungssystem erfunden, das eine Sonde zur Erfassung von Scherkräften umfaßt, mit der zumindest ein Teil der Probenoberfläche abgetastet wird. Das erfindungsgemäße System umfaßt somit eine feine Sonde, die eine Längsachse aufweist und eine Sondenspitze umfaßt. Das System umfaßt auch eine Einrichtung zum Positionieren der Sondenspitze benachbart zu einer Probenoberfläche und eine Einrichtung zum Verschieben der Sondenspitze relativ zu der Oberfläche. Die relative Verschiebung der Sondenspitze erfolgt in Form eines Abtastmusters, das beispielsweise einer rasterförmigen Abtastung entspricht und im wesentlichen in einer Ebene liegt, die im folgenden als "Abtastebene" bezeichnet wird. Die Abtastebene verläuft im wesentlichen parallel zu dem abgetasteten Oberflächenteil. Die Einrichtung zum Verschieben der Sondenspitze umfaßt auch eine Einrichtung zum Oszillierenlassen der Sondenspitze relativ zur Oberfläche mit zumindest einer Oszillationsfrequenz. Im Unterschied zu Abtastsystemen nach dem Stand der Technik, die ebenfalls mit einer oszillierenden Sondenspitze arbeiten, liegen die relativen Osziallationen der Sondenspitze erfindungsgemäß im wesentlichen in der Abtastebene. Das System umfaßt zudem einen positionsempfindlichen Photodetektor und eine Einrichtung zum optischen Abbilden der Sondenspitze auf den positionsempfindlichen Photodetektor, so daß Veränderungen der Oszillation der Sondenspitze nachgewiesen werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Abbildungssystems;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Einrichtung zur positionsempfindlichen photoelektrischen Erfassung;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Einrichtung zur positionsempfindlichen photoelektrischen Erfassung;
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines bevorzugten Verfahrens zum Ausrichten einer Lochmaske zum Zwecke einer positionsempfindlichen photoelektrischen Erfassung;
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer optischen Anordnung zur externen Beleuchtung der Sondenspitze;
Fig. 6-7 zeigen schematische Darstellungen beispielshafter Sonden, die sowohl zur optischen Nahfeld-Abtast- oder Rastermikroskopie als auch zur Erfassung von Scherkräften eingesetzt werden können;
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung zum rasterförmigen Abtasten und zum Oszillierenlassen der Sonde relativ zu der Probe;
Fig.9-11 zeigen schematische Darstellungen von alternativen Gestaltungen der Sondenspitze;
Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften optischen Anordnung, bei der die Sondenspitze als Teil der Rasterbewegung abtastend bewegt wird;
Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abbildungssystems, das eine beispielhafte elektronische Signalverarbeitungsschaltung umfaßt;
Fig. 14 zeigt ein Beispiel eines Bildes, das durch das Abbildungssystem gemäß Fig. 13 erzeugt wurde.

Ausführliche Beschreibung

Anhand von Fig. 1 wird eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Sonde 10, einen Objekttisch 20 als Auflage für eine Probe 30 und Einrichtungen 40 und 50, um die Sonde und die Probe relativ zueinander verschieben zu können. Bei diesen Verschiebeeinrichtungen handelt es sich beispielsweise um piezoelektrische Stellglieder, durch die die Probe oder der Objekttisch in zumindest einer seitlichen Richtung (die in Fig. 1 mit X oder Y bezeichnet ist) und/oder in der senkrecht hierzu stehenden Richtung (die mit Z bezeichnet ist) verschoben werden können. Zum Beleuchten der Sondenspitze 70 ist eine Lichtquelle 60 vorgesehen. Zudem ist ein positionsempfindlicher Photodetektor 80 vorhanden, durch den das von der Sondenspitze stammendes Licht erfaßt und eine Verschiebung der Sondenspitze gemessen wird.
Die Bewegung der Sondenspitze relativ zu der Probenoberfläche wird in vielerlei Hinsicht von Scherkräften beeinflußt, die dadurch erfaßt werden können. Durch das Stellglied 40 wird beispielsweise auf die Sondenspitze einfach eine seitliche periodische Oszillation (z.B. sinusförmig) übertragen. (Eine solche oszillatorische Bewegung wird im folgenden als "Oszillationsbewegung" bezeichnet.) Beim Auftreten von Scherkräften ändert sich die Amplitude der Oszillation, wenn die Sondenspitze näher an die Probenoberfläche herangebracht wird. Zusätzlich hierzu ändert sich bei einer Annäherung der Sondenspitze an die Probenoberfläche die Phase der Oszillation im Vergleich zur Steuerspannung. Die Veränderung der Amplitude und der Phase lassen sich einfach beobachten. Diese Veränderungen können entweder jeweils für sich oder aber auch gemeinsam für eine Rückkopplung genutzt oder zur Abbildung eingesetzt werden.
Die Sonde weist bei einer bestimmten Resonanzfrequenz im allgemeinen zumindest eine mechanische Resonanz auf. (Interessierende Resonanzen entsprechen örtlichen Maximalwerten der Oszillationsamplitude bezüglich Veränderungen der Steuerfrequenz.) Die Resonanzfrequenz wird ebenfalls durch Scherkräfte beeinflußt. Wenn die Sonde mit einer Frequenz oszilliert, die in der Nähe der Resonanzfrequenz liegt, wird die Resonanzfrequenz durch Scherkräfte entweder näher zur Steuerfrequenz hin verschoben oder aber weiter weg von der Steuerfrequenz, wodurch die Oszillationsamplitude der Sondenspitze zunimmt bzw. abnimmt. Sowohl die Amplitude als auch die Phase reagieren bei solch resonanznahen Steuerbedingungen sehr sensitiv auf Scherkräfte. Dies ist insbesondere deshalb der Fall, da die Sonden so hergestellt werden, daß sie hohe Q-Werte (d.h. hohe Qualitätsfaktoren) aufweisen. Es kann daher beispielsweise vorteilhaft sein, die Sondenoszillationen in der Nähe einer Resonanzfrequenz zu betreiben. Eine geeignete Frequenz für ein Amplitudenmeßverfahren, z.B. zur Erfassung einer Oszillationsamplitude, die etwa 70% der Amplitude (des lokalen Maximums) bei Resonanz beträgt, wenn sich die Sondenspitze weit entfernt von der Probenoberfläche befindet, liegt dann vor, wenn die Steigung der Resonanzkurve am steilsten ist. Andererseits reagiert die Phase an der Resonanzstelle am sensitivsten auf die Steuerfrequenz. Eine bevorzugte Frequenz zum Messen der Phase liegt daher in der Nähe der Resonanzfrequenz.
Das erfindungsgemäße Verfahren reagiert selbst auf sehr kleine Scherkräfte sehr sensitiv, da u.a. die relevante Federkonstante der Sondenspitze recht klein ist, d.h. sie beträgt typischerweise zwischen 0,1 und 1000 N/m. Zudem beträgt die Peak-zu-Peak-Verschiebung bei einer Oszillation lediglich etwa 50 bis 100 Å, wenn sich die Sondenspitze weit entfernt zu der Probenoberfläche befindet (d.h., wenn die Scherkräfte zu vernachlässigen sind). Beim Abtasten einer Oberfläche durch die Sondenspitze ist diese Verschiebung sogar noch kleiner. Durch die geringe Federkonstante, den hohen Q-Wert und die geringe oszillatorische Verschiebung ergibt sich als zusätzliche erwünschte Eigenschaft noch die Tatsache, daß die Gefahr einer Beschädigung der Probe oder der Sondenspitze relativ gering ist.
Bei einem beispielhaften Nachweis- oder Meßverfahren wird die Sondenspitze 70 z.B. durch eine Linse 90 optisch auf einen positionsempfindlichen Detektor 80 abgebildet. Ein solcher Detektor umfaßt beispielsweise zwei Photodioden, die beidseitig eines Zwischenraums angeordnet sind. Fig. 2 zeigt eine solche Anordnung anhand der Dioden 100 und 100'. (Alternativ hierzu werden zum Erreichen einer zweidimensionalen Sensitivität einfach vier Photodioden 101- 104 quadratisch angeordnet, so daß sie, wie in Fig. 3 dargestellt ist, durch einen kreuzförmigen Zwischenraum voneinander getrennt sind.) Ein alternativer Detektor umfaßt einen Photomultiplier oder einen Sekundärelektronenvervielfacher 110 (photomultiplier tube =PMT) , der so angeordnet ist, daß er, so wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, lediglich das Licht erfaßt, das durch eine Lochblende 120 hindurchtritt. Die Sondenspitze wird, so wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, auf die Lochblende abgebildet, wobei lediglich eine kleine seitliche Verschiebung 130 in Richtung der Oszillationsbewegung auftritt. Die Größe dieser Verschiebung wird so gewählt, daß die Wechselstromkomponente des Photomultiplierausgangssignals (bei der Oszillationsfrequenz) ihren maximalen Wert annimmt, wenn die Sondenspitze bei einer vorgegebenen Oszillationsamplitude oszilliert. (Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß typischerweise das absolute Wechselstromsignal maximiert wird und nicht das auf das zugehörige Gleichstromsignal normierte Wechselstromsignal.) Bei dem Bild der Sondenspitze (das in Fig. 4 als Intensitätsprofil dargestellt ist) handelt es sich typischerweise um einen durch die Beugung begrenzten Lichtpunkt, der durch die Linse 90 verstärkt wird. Der Lochblendendurchmesser entspricht typischerweise dem Durchmesser dieses (verstärkten) Lichtpunktes. Die seitliche Verschiebung ist typischerweise gerade ausreichend, damit man aus einem stationären Bild 70% des maximalen Gleichstromsignals erhält.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Verschiebung der Sondenspitze direkt gemessen wird. Folglicherweise werden systematische Fehler oder sich langsam verändernde Abweichung in der Stellung der Sondenspitze ohne weiteres erkannt und korrigiert. Solche Fehler können beispielsweise durch ein nichtlineares Verhalten des piezoelektrischen Stellgliedes oder durch eine seitliche Anziehung zwischen der Sondenspitze und einer senkrechten Wand einer nahegelegenen Unebenheit in der Probenoberfläche hervorgerufen werden.
Das zum Abbilden der Sondenspitze verwendete Licht läßt man, so wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, einfach von einer externen Lichtquelle 140 aus auf die Sondenspitze auftreffen. Wenn die Sondenspitze aus einer Lichtleitfaser besteht, so wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, ist alternativ hierzu auch eine Einrichtung 150 vorgesehen, um an dem abgewandten Ende der Sondenspitze Licht in die Faser einzukoppeln, wobei das Licht zum Abbilden von der Sondenspitze ausgestrahlt wird. Wenn solch eine interne Beleuchtung verwendet werden kann, weist das Verfahren deutliche Vorteile über andere Mikroskope zur Erfassung von Kräften auf, bei denen ein optischen Detektionsverfahren verwendet wird. Dies beruht darauf, daß der Lichtfleck mit der Sondenspitze gekoppelt ist und nicht bei jeder Bewegung der Sondenspitze neu ausgerichtet werden muß. Eine innere Beleuchtung kann jedoch dann nicht verwendet werden, wenn die Sonde beispielsweise durch elektrochemisches Ätzen eines Wolfram-Drahtes aus einem undurchsichtigen oder opaquen Material hergestellt wird. In diesem Fall muß stattdessen eine externe Beleuchtung verwendet werden.
Lichtleitfasersonden erweisen sich insbesondere in Verbindung mit der optischen Nahfeldrastermikroskopie (near- field scanning optical microscopy = NSOM) als nützlich. Die gleiche Sonde kann dann sowohl als Sonde zur Erfassung von Scherkräften als auch als NSOM-Sonde verwendet werden. Zusätzlich zur Schaffung eines zu dem optischen NSOM- Kontrastmechanismus alternativen Kontrastmechanismuses ermöglicht die Erfassung von Scherkräften die Bildung eines Rückkopplungssignals, durch das die Sonde während des NSOM- Abbildungsprozesses in etwa auf der gleichen Höhe über der Probenoberfläche gehalten wird. Die Verwendung einer solchen Rückkopplung ist vorteilhaft, da durch sie die NSOM- Bildauflösung und der Kontrast verbessert wird. Zudem ermöglicht sie der Sonde, den vertikalen Konturen der abzutastenden Oberfläche zu folgen.
Lichtleitfasersonden für die NSOM lassen sich sowohl aus Monomodenfasern als auch als Multimodenfasern einfach herstellen. Monomodenfasern sind hierbei jedoch zu bevorzugen, da sich mit ihnen im allgemeinen eine bessere Signalstärke, eine größere Funktionssicherheit und eine bessere räumliche Auflösung erreichen läßt.
Bei Verwendung einer von innen beleuchteten Lichtleitfasersonde ist es im allgemeinen vorzuziehen, wenn eine Lichtleitfaser ohne Metallbeschichtung verwendet wird, da eine solche Beschichtung zu einer Verringerung der Signalstärke führt. Es gibt jedoch eine wichtige Ausnahme zu dieser Regel. Diese Ausnahme ist dann gegeben, wenn die gleiche Lichtleitfasersonde sowohl zur Erfassung von Scherkräften als auch zur optischen Nahfeldrastermikroskopie verwendet wird. Bei der Verwendung von Lichtleitfasersonden für eine NSOM-Abbildung ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein Endbereich dieser Sonden mit Metall oder, allgemeiner ausgedrückt, mit einem lichtundurchlässigen oder opaquen Material beschichtet ist, das eine relativ geringe Eindringtiefe für die in der Lichtleitfaser übertragene elektromagnetische Strahlung aufweist. In den Fig. 6 und 7 ist eine opaque Beschichtung 165 dargestellt. Bei einer von innen beleuchteten NSOM-Sonde kann es vorteilhaft sein, wenn das gleiche Licht sowohl zur Erzeugung eines NSOM-Bildes als auch für die Erfassung von Scherkräften verwendet wird, ungeachtet der Tatsache, daß eine beschichtete Lichtleitfaser verwendet wird.
Bei einer Kombination aus einem NSOM-Verfahren und einer Erfassung der Scherkraft, bei der entweder eine innere Beleuchtung oder aber eine externe Beleuchtung verwendet wird, kann die Gleichstromkomponente des gemessenen Lichtes zur Erzeugung eines NSOM-Bildes verwendet werden, während die normierte Wechselstromkomponente zur Erzeugung eines Scherkraftbildes oder zur Erzeugung eines Scherkraftrückkopplungssignals verwendet wird. (Bei der normierten Wechselstromkomponente handelt es sich um die absolute Wechselstromkomponente dividiert durch die Gleichstromkomponente. Diese Normierung ist erforderlich, um Veränderungen, z.B. bei der spezifischen Durchlässigkeit der Probe, kompensieren zu können.) Alternativ hierzu kann auch ein Strahlteiler verwendet werden, um einen Teil des von der Sondenspitze stammenden Lichtes vor dem Erreichen des positionsempfindlichen Detektors abzulenken und es stattdessen auf einen separaten Photodetektor für eine NSOM- Abbildung zu richten. Durch dieses Verfahren läßt sich das Signal-zu-Rauschverhältnis bei der NSOM-Abbildung durch Verringerung des Einflusses von mechanischen Schwingungen verringern, die ansonsten zu einem zusätzlichen niederfrequenten Rauschen bei dem durch die Lochblende hindurchtretenden NSOM-Signal führen würden.
Obgleich sowohl für die NSOM-Abbildung als auch für die Erfassung von Scherkräften die gleiche Wellenlänge verwendet werden kann, kann es insbesondere dann, wenn eine außerordentlich hohe Empfindlichkeit erforderlich ist, nützlich sein, wenn verschiedene Wellenlängen verwendet werden. In solch einem Fall würde man ein spektrales Filter verwenden, um die Scherkraftwellenlänge vor einem optischen NSOM-Detektor auszublenden und um die NSOM-Wellenlänge vor einem optischen Scherkraftdetektor auszublenden. Bei einer solchen Anordnung würde die Scherkraftwellenlänge von einer externen Lichtquelle stammen, wobei sie typischerweise, z.B. mittels eines Mikroskopobjektivs, auf einen durch die Beugung begrenzten Lichtpunkt auf der Sondenspitze fokussiert werden würde.
Wie oben bereits erwähnt wurde, ist bei dem NSOM-Verfahren eine Rückkopplung mittels einer Erfassung von Scherkräften nützlich, damit die Sondenspitze in einem konstanten Abstand oder in einem nahezu konstanten Abstand zu der Probenoberfläche gehalten wird. Ein bequemer Weg zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, während eines NSOM- Abtastvorganges ein konstantes Scherkraftsignal beizubehalten, wobei die gleiche Sonde sowohl für die NSOM- Abbildung als auch zur Erfassung der Scherkraft verwendet wird. Veränderungen des Scherkraftsignals werden in einem geschlossenen Regelkreis verwendet, wobei die vertikale Verschiebemöglichkeit (d.h. die Z-Komponente) des Stellgliedes 40 oder des Steligliedes 50 (die in Fig. 1 dargestellt sind) dazu verwendet wird, die Höhe der Sondenspitze über der Probe so einzustellen, daß sich das Signal wieder auf einen vorbestimmten Wert einstellt.
Wie in Fig. 8 dargestellt ist, wird die zum Abtasten der Scherkraft verwendete Oszillationsbewegung 160 einfach der Rasterbewegung 170 des NSOM-Abtastvorgangs überlagert. Die gesamte Relativbewegung zwischen der Sondenspitze und der Probe besteht daher aus der Summe aus einer Rasterkomponente und einer Oszillationskomponente. Die Relativbewegung läßt sich durch eine Bewegung der Probe, eine Bewegung der Sonde oder aber auch durch eine Kombination aus beiden Bewegungsvorgängen völlig beeinflussen. Die Oszillationsfrequenz sollte hoch genug sein, damit das Signal-zu-Rauschverhältnis bei der NSOM-Abbildung ausreichend hoch ist. Zu diesem Zweck ist es häufig wünschenswert, wenn die Oszillationsfrequenz höher ist als die Pixelfrequenz der NSOM-Abtastung.
Ein gut verwendbares Rastermuster läßt sich beispielsweise einfach dadurch erzeugen, daß die Probe entlang der langsamen Abtast- oder Scannachse bewegt wird (Ansteuerungsschwingungsform 180 in Fig. 8), während die Sonde entlang der schnellen Abtast- oder Scannachse bewegt wird (Ansteuerungsschwingungsform 190). In diesem Fall sollte der positionsempfindliche optische Detektor unempfindlich sein gegenüber einer Sondenverschiebung entlang der schnellen Achse, während die Oszillationsbewegung folglicherweise parallel zu der langsamen Abtast- oder Scannachse (Ansteuerungsschwingungsform 200) ausgerichtet sein sollte. Alternativ hierzu kann die Rasterbewegung auch dadurch hervorgerufen werden, daß die Probe sowohl entlang der schnellen als auch entlang der langsamen Achse bewegt wird. Dieses Verfahren ist zwar einfacher, es ist jedoch im allgemeinen auch langsamer. Im Unterschied hierzu kann die Oszillationsbewegung (die dann zwangsläufig mit der Sonde erfolgt) in diesem Fall in Richtung der schnellen Achse, in Richtung der langsamen Achsen oder sogar in einer dazwischenliegenden Richtung erfolgen.
Eine Sonde für ein kombiniertes NSOM- und Scherkraftabbildungsverfahren besteht vorzugsweise aus einer sich verjüngenden Lichtleitfaser. Wie bereits bemerkt wurde, ist es wünschenswert, daß die Außenseite der Lichtleitfaser zumindest in dem sich verjüngenden Bereich mit einer opaquen oder strahlungsundurchlässigen Beschichtung versehen ist, um die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung in der Faser zu begrenzen. Eine solche Beschichtung sollte bei der für eine NSOM-Abbildung verwendeten Wellenlänge eine geringe Eindringtiefe für elektromagnetische Strahlung aufweisen. Bei Wellenlängen im sichtbaren Bereich erweisen sich Aluminiumbeschichtungen als zweckmäßig. (Im folgenden wird mit dem Ausdruck "Licht" elektromagnetische Strahlung bezeichnet, deren Wellenlänge nicht nur im sichtbaren Bereich liegt, sondern auch im infraroten und im ultraviolleten Bereich.) Geeignete NSOM-Sonden und NSOM- Abbildungsverfahren werden ausführlich in der gleichzeitig anhängigen amerikanischen Patentanmeldung mit dem Aktenzeigen 07/771,413 beschrieben, die am 10. Oktober 1991 von R.E. Betzig eingereicht wurde.
Wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist, endet das sich verjüngende Ende 210 der Lichtleitfaser 215 in einer im wesentlichen ebenen Stirnfläche 220, die im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Lichtleitfaser ausgerichtet ist. In der Endfläche wird durch eines von zwei möglichen Verfahren eine Öffnung 230 gebildet. Bei dem ersten Verfahren wird die Endfläche, so wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, einfach nicht mit einer opaquen Beschichtung versehen, so daß im wesentlichen über den gesamten Bereich der Endfläche elektromagnetische Strahlung in die Lichtleitfaser eindringen kann. Bei dem zweiten Verfahren wird die opaque Beschichtung, so wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, sowohl auf die Endfläche als auch auf die Seiten der Lichtleitfasersonde aufgebracht. In diesem Fall wird eine Blendenöffnung dadurch gebildet, daß man einen kreisförmigen Bereich in der Mitte der Endfläche oder benachbart zu der Mitte frei läßt oder das opaque Beschichtungsmaterial von diesem Bereich wieder entfernt, dergestalt, daß die entstehende Blendenöffnung kleiner ist als die Endfläche.
Wenn die Sonde lediglich für eine Scherkraftabbildung und nicht auch noch für eine NSOM-Abbildung verwendet wird, ist es nicht erforderlich, das die Sonde aus einer Lichtleitfaser besteht. Die einzigen Anforderungen sind eine relative Federkonstante von weniger als etwa 1000 N/m und die Möglichkeit zur Bildung einer Sondenspitze, die fein genug ist zur Erzeugung der gewünschten räumlichen Auflösung. Wie bereits erwähnt wurde, läßt sich eine verwendbare Sonde z.B. einfach durch elektrochemisches Ätzen eines Wolfram-Drahtes erzeugen. Aus mehreren Gründen ist jedoch die Verwendung einer Lichtleitfaser vorzuziehen, wobei eine Monomodenf aser zu bevorzugen ist. Aus Lichtleitfasern hergestellte Sonden sind z.B. einfach und billig und können mittels eines einfachen Verfahrens hergestellt werden, das sehr gut reproduzierbare Ergebnisse liefert. Lichtleitfasersonden werden querschnittsverringert einfach so stark gezogen, daß die Sondenspitze nur einen sehr geringen Durchmesser aufweist. So wird einer Monomodenfaser beispielsweise querschnittsverringernd einfach so stark gezogen, daß die Sondenspitze nur noch einen Durchmesser von etwa 100 Å aufweist. Zudem läßt sich in der Nähe der Spitze einer gezogenen Faser einfach ein Verjüngungswinkel (der als halber Spitzenwinkel definiert ist) erzeugen, der nur etwa 10 Å oder sogar noch weniger beträgt.
Zudem läßt sich das zur Herstellung einer Lichtleitfasersonde führende Ziehverfahren einfach so einstellen, daß außerordentlich spitze Sondenspitzen für eine verbesserte Auflösung erzeugt werden. Das bedeutet, daß sich Sondenspitzen einfach herstellen lassen, die in einem warzenförmigen Vorsprung 240 (siehe Fig. 9) oder in einer Endfläche mit einer scharfen Kante 250 (siehe Fig. 10) enden. Eine warzenförmige Spitze ist besonders zweckmäßig, da sie zwei wünschenswerte Eigenschaften vereinigt. Erstens kann sie sehr dünn hergestellt werden, so daß sich eine hohe Auflösung ergibt und sie in enge Spalte oder Risse in der Probenoberfläche eindringen kann. Zudem kann sie relativ kurz ausgebildet werden, so daß sie trotz ihrer Dünne noch steif genug ist, um mit den gewünschten Frequenzen zu oszillieren.
Wenn eine Endfläche mit einer scharfen Kante senkrecht zu der Längsachse der Lichtleitfaser ausgerichtet ist (so wie dies üblicherweise der Fall ist), muß die Faser geneigt werden, damit die Kante der Probenoberfläche ausgesetzt ist. Es läßt sich jedoch auch einfach eine Lichtleitfasersonde mit einer "hakenförmigen" Spitze 260 herstellen, wobei, so wie dies in Fig. 11 dargestellt ist, ein Endabschnitt der Sonde gekrümmt ausgebildet ist, damit die Kante auch noch dann der Probenoberfläche ausgesetzt ist, wenn der Rest der Sonde senkrecht zu der Oberfläche ausgerichtet ist. Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß man bei einer Lichtleitfasersonde, die nicht für eine NSOM-Abbildung, sondern lediglich zur Erfassung von Scherkräften verwendet wird, die opaque Beschichtung auch weglassen kann, ohne daß die Effektivität der Probe hierdurch wesentlich beeinträchtigt wird.
Es sei weiterhin bemerkt, daß die Längsachse der Sonde nicht notwendigerweise im wesentlichen senkrecht zu der Probenoberfläche ausgerichtet sein muß, obgleich dies bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Fall ist Wie bereits bemerkt wurde, ist eine senkrechte Sonde in seitlicher Richtung flexibel, so daß vorteilhafterweise Beschädigungen aufgrund von Kollisionen mit senkrecht verlaufenden Oberflächenunebenheiten vermieden werden. In manchen Fällen kann es auch wünschenswert sein, wenn die Sonde bezüglich der Probe geneigt ist, um eine Beschädigung durch Kollisionen in senkrechter Richtung zu vermeiden oder um die scharfe Kante einer Endfläche in der Nähe der Probenoberfläche zu bringen, ohne hierfür eine hakenförmige Sondenspitze bilden zu müssen. Für diese Zwecke ist es praktisch, wenn die Längsachse der Sonde einen Winkel mit der Probenoberfläche bildet, der zwischen etwa 45º und etwa 90º liegt.
Für eine NSOM-Abbildung können zahlreiche Beleuchtungsverfahren verwendet werden. Beim einer Transmissionsbeleuchtungsverfahren wird Licht von der Sonde emittiert und nach dem Durchqueren der Probe nachgewiesen hat. Beim Reflexionsbeleuchtungsverfahren wird Licht von der Sonde emittiert und nachgewiesen, nachdem es von der der Sonde am nächsten liegenden Seite der Probe reflektiert wurde. (Alternativ hierzu kann es sich in beiden Fällen bei dem nachgewiesenen Licht auch um Fluoreszenzstrahlung handeln, die durch das Beleuchtungslicht angeregt wird.) Bei Transmissionskollektorverfahren läßt man viel Licht von einer externen Lichtquelle durch die Probe hindurchtreten, bevor es von der Sonde gesammelt wird. Bei einer Reflexionskollektoranordnung ist die Kollektorsonde auf der gleichen Seite der Probe angeordnet, wie die externe Lichtquelle. Bei allen diesen NSOM-Anordnungen wird im allgemeinen ausreichend Licht reflektiert, emittiert oder an der Sondenspitze gestreut, um Scherkräfte nachweisen zu können. Wie bereits bemerkt wurde, wird einfach eine Zusatzlichtquelle verwendet, um Scherkräfte mit einer höheren Empfindlichkeit nachweisen zu können.
Die Amplitude der Oszillationsbewegung beträgt vorzugsweise etwa 50 Å, wenn die Sondenspitze weit entfernt ist von der Probenoberfläche (d.h., wenn Oberflächenscherkrafteffekte zu vernachlässigen sind) und zwischen etwa 5 und 10 Å, wenn sie sich auf einem geeigneten Rückkopplungsniveau befindet.
Wie oben bereits bemerkt wurde, wird die Oszillationsfrequenz zweckmäßigerweise so eingestellt, daß sie mit einer Resonanzfrequenz der Sonde zusammenfällt oder nahezu zusammenfällt. Die Resonanzfrequenzen können durch Veränderung der Länge, des Durchmessers und der Form der Sondenspitze passend eingestellt werden. Diese Anpassungen umfassen sowohl Anpassungen aufgrund einer Veränderung der Faserziehbedinungen als auch Anpassungen aufgrund einer Veränderung der Länge des Endabschnittes der sich von einer starren Halteeinrichtung aus erstreckenden Lichtleitfasersonde. (Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß durch eine solche Anpassung im allgemeinen auch die Fehlerkonstante beeinflußt wird.) Wenn die Sonde an einer Resonanzstelle oder in der Nähe einer Resonanzstelle betrieben wird, reagieren sowohl die Amplitude als auch die Phase der Oszillation der Sondenspitze sehr empfindlich auf Scherkräfte. Als allgemeine Regel läßt sich sagen, daß die Sensitivität gegenüber Scherkräften um so höher ist, je höher der Q-Wert (d.h. der Qualitätsfaktor) einer bei einer Resonanzstelle betriebenen Sondenspitze ist.
Bei der Auswahl einer Oszillationsfrequenz muß man u.U. einen Kompromiß zwischen zwei Effekten eingehen. Einerseits ist die Auswahl einer höheren Frequenz wünschenswert, da höhere Frequenzen ein schnelleres Abtasten ermöglichen. Andererseits führen höhere Oszillationsfrequenzen bei größeren Höhen über der Probenoberfläche zumindest in einigen Fällen zu einer Rückkopplung, die zu einer Verschlechterung der räumlichen Auflösung führt. Die Wahl einer Frequenz ist daher ein Kompromiß zwischen Geschwindigkeit und Auflösung.
Wie bereits bemerkt wurde, ist zur Erfassung des Scherkraftsignals ein positionsempfindlicher Photodetektor vorgesehen. Das Ausgangssignal des Photodetektors weist bei der Oszillationsfrequenz eine Wechselstromkomponente auf. Diese Komponente wird durch Scherkräfte beeinflußt. Durch eine Demodulation der Wechselstromkomponente mit einem Referenzsignal und seiner Quadraturkomponente erhält man auf einfache Art und Weise aus der Wechselstromkomponentesowohl Amplituden als auch Phaseninformationen.
Die Informationen über die Phase sind insbesondere wichtig, da die Phase im wesentlichen unverzüglich auf eine Veränderung der auf die Sondenspitze ausgeübten Scherkräfte reagiert. Zudem ist die Phase relativ unempfindlich gegenüber mechanischen Störungen (in Form von unerwünschten Vibrationen). Für Rückkopplungszwecke wird die Höhe der Sondenspitze über der Probenoberfläche kontinuierlich eingestellt, um die Amplitude, die Phase oder eine kombinierte Funktion aus Amplitude und Phase innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten. Zusätzlich hierzu ist entweder die Amplitude oder die Phase oder aber auch beide zur Bilderzeugung verwendbar.
In den Fällen, in denen hohe Abtastgeschwindigkeiten wichtig sind, ist es wünschenswert, wenn anstatt der Probe die Sondenspitze in zumindest einer Abtastrichtung bewegt wird. So wird die Probe z.B. entlang der langsamen Abtast- oder Scannachse (die Y-Achse in Fig. 8) bewegt, während die Sonde entlang der schnellen Abtast- oder Scannachse (die X-Achse in Fig. 8) bewegt wird und parallel zu der langsamen Abtast- oder Scannachse (d.h. der Y-Achse) eine Oszillationsbewegung ausführt.
Wenn eine von außen beleuchtete Sondenspitze als Teil der Rasterbewegung abtastend bewegt wird, muß, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist, eine Einrichtung, wie z.B. ein piezoelektrisch angesteuerter Ablenkspiegel 270, vorhanden sein, um Licht von einer (stationären) Lichtquelle 280 (zum Erfassen der Oszillationsbewegung) auf die sich bewegende Sondenspitze 290 zu richten. Dieser Ablenkspiegel kann beispielsweise über einen Steuerkreis angesteuert werden, an dem die gleiche Spannung anliegt wie sie zur Steuerung der Abtastbewegung der Sonde verwendet wird. Alternativ hierzu kann ein Rückkopplungsmechanismus vorgesehen sein, durch den der Ablenkspiegel in einem geschlossenen Regelkreis der Sondenspitze bei ihrer Bewegung entlang der (schnellen) Abtast- oder Scannachse nachgesteuert wird.
Wie bereits bemerkt wurde, sollte der positionsempfindliche Photodetektor unempfindlich gegenüber der Rasterkomponente der Sondenbewegung sein, wenn eine Komponente der Rasterabtastbewegung, wie z.B. die Komponente entlang der schnellen Achse, durch eine Bewegung der Sonde hervorgerufen wird. In diesem Fall umfaßt ein beispielhafter Photodiodendetektor zwei längliche Photodioden 300, 300', die durch eine schmale längliche Lücke 310 voneinander getrennt sind, die parallel zu der schnellen Achse verläuft. Da eine solche Anordnung lediglich auf Verschiebungen anspricht, die eine Komponente senkrecht zu der Lücke aufweisen (d.h. Verschiebungen mit einer Komponente entlang der langsamen Achse), erfaßt sie lediglich die Oszillationsbewegung entlang der langsamen Abtast- oder Sannachse, während die Rasterbewegung der Sondenspitze nicht erfaßt wird. Ein beispielsweise als Photomultiplier oder Sekundärelektronenvervielfacher ausgebildeter Detektor würde eine Maske umfassen, die anstatt einer Blende einen Schlitz aufweist. Dieser Schlitz wäre ebenso wie die Lücke zwischen den Photodioden parallel zu der Intensistätsachse ausgerichtet, bei der es sich beispielsweise um die schnelle Achse handelt.
Das erfindungsgemäße Abbildungssystem kann u.a. bei Herstellungsverfahren eingesetzt werden. Bei vielen Herstellungsverfahren wird beispielsweise die Oberfläche eines Substrates strukturiert, wobei es sich bei dem Substrat beispielsweise um einen Halbleiterwafer handelt.
Auf solch einem Substrat wird typischerweise ein Muster aus metallischen Leitern ausgebildet, die durch Abscheidung eines Metalls, eine anschließende Abscheidung eines Resistmaterials, eine selektive Belichtung des Resistmaterials mit chemisch wirksamer Strahlung und anschließender Entwicklung und Ätzen gebildet werden. Diese Verfahren sind durch Verfahrensparameter gekennzeichnet, die häufig durch Rumprobieren optimiert werden müssen. Es werden daher typischerweise ein oder mehrere Substrate für Experimentierzwecke verarbeitet. Das auf den Substraten unter Verwendung von Anfangswerten für die Verfahrensparameter gebildete Muster wird untersucht und es werden eine oder mehrere charakterisitische Abmesssungen, wie z.B. die Linienbreite der Leiterbahnen, gemessen. Wennn die charakteristischen Abmessungen nicht mit vorbestimmten Produktspezifikationen überstimmen, werden ein oder mehrere Verfahrensparameter geändert, um die anschließend verarbeiteten Substrate in Übereinstimmung mit der Produktspezifikation zu bringen. Diese charakteristischen Abmessungen lassen sich durch eine Abbildung der strukturierten Oberflächen oder von Teilen der Oberflächen mittels des erfindungsgemäßen Systems einfach messsen

Beispiel

Es wird ein 1 Meter langer Abschnitt einer Monomoden- Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser von 3,0 µm, einem Manteldurchmesser von 80 µm, einer Grenzwellenlänge von 4.50 nm und einer numerischen Apertur von 0,12 hergestellt. Von einem Ende der Lichtleitfaser werden einige Zoll des Mantels entfernt und der Endabschnitt wird unter Verwendung eines individuell hergerichteten Montageblocks in einer Feinpipettenzieheinrichtung des Models P-87 angebracht, das von der Sutter Instrument Co. hergestellt wird. Die Faser wird nun mittels eines 50 W Kohlendioxid-Dauerstrlchlasers erhitzt und bei den folgenden Verfahrenswerten gezogen: Zug = 255, Geschindigkeit = 4, Zeit = 1. Durch dieses Verfahren entsteht ein langer Faserabschnitt, der die gewünschte Sondenspitze umfaßt, und ein kurzer Faserabschnitt, der weggeworfen wird. Es zeigt sich, daß sich die Gestalt der Sondenspitze durch Veränderung der Ziehparameter, des Laserbrennpunkts, der Leistung des Laserstrahls und der Position des Laserstrahls bezüglich zu der gezogenen Faser verändern läßt.
Die Fasersonde wird nun auf die unten beschriebene Art und Weise in dem in Fig. 13 schematisch dargestellten System montiert.
Zur besseren Handhabung wird das Faserende durch ein kurzes Kapillarrohr aus Glas gezogen und so eingeklebt, daß ein Endabschnitt der Faser mit der Sondenspitze durch ein Ende des Kapillarrohrs vorsteht. Es zeigt sich, daß sich die Resonanzfrequenz und die Federkonstante der Sondenspitze durch eine Veränderung der Länge und des Durchmessers des sich verjüngenden Abschnittes und der Länge der sich von dem Kapillarrohr aus erstreckenden Lichtleitfaser passend einstellen läßt. Das Kapillarrohr wird in einer Halteeinrichtung angebracht, die an einem piezoelektrischen Rohr 400 angebracht ist, das seinerseits wiederum an einer mechanischen Mikropositioniereinrichtung angebracht ist. Das abgewandte Ende der Lichtleitfaser wird durch die Rückseite der Mikropositioniereinrichtung geführt, gespalten und mit einem Lichtleitfaserkoppler 410 verbunden. In den Lichtleitfaserkoppler wird ein Argon-Ionenlaser 420 eingespeist, der typischerweise bei einer Wellenlänge von 514 nm betrieben wird, wobei die Strahlungsleistung typischerweise zwischen 10 Mikrowatt und 1 Milliwatt beträgt. Nun wird eine Probe vorbereitet, die aus einem Film aus Polystyrolkugeln besteht, die durch Schleuderbeschichtung auf einem Deckgias abgeschieden werden. Der mittlere Durchmesser der Kugeln beträgt 190 Å. Die Probe wird auf einer Halteeinrichtung angebracht, die an einem zweiten piezoelektrischen Rohr 430 angebracht ist.
Die Grobausrichtung erfolgt mittels einer Bewegung der Sondenspitze durch die mechanische Mikropositioniereinrichtung, wobei die Sondenspitze durch ein herkömmliches Seitensicht-Mikroskop und durch ein herkömmliches Mikroskop betrachtet wird, das in etwa koaxial zu der Sonde ausgerichtet ist. Die Objektivlinse 440 des Koaxialmikroskops dient auch zum Sammeln des Lichtes von der Sondenspitze zur Erfassung von Scherkräften. Die positionsempfindliche Erfassung erfolgt mittels eines röhrenförmigen Photomultipliers oder Sekundärelektrodenvervielfachers 450, der mit einer Blendenmaske 460 versehen ist. Es wird ein Blendendurchmesser von 50 µm verwendet. Der Durchmesser entspricht in etwa der Abmesssung des abgebildeten verstärkten Lichtfleckes der Sondenspitze. Bei der Grobausrichtung wird die Sondenspitze bezüglich des sammelnden Objektives zentriert, während die Blendenöffnung anfänglich bezüglich des Bildes der Sondenspitze auf der Maske zentriert wird.
Das Ausgangssignal des Photomultipliers wird in den A- und B-Eingangskanal einer Teilerschaltung 470 eingespeist. Zwischen dem Photomultiplier und dem B-Eingangskanal befindet sich ein Tiefpaßfilter 480, um die Wechselstromkomponente an diesem Kanal auszublenden. Als Ausgangssignal der Teilerschaltung ergibt sich das Verhältnis A/B, das dem normierten Wechselstromsignal entspricht. Das normierte Wechselstromsignal wird in den Signaleingang eines Lock-in-Verstärkers 490 eingespeist, während die durch einen Frequenzgenerator 500 zur Ansteuerung der Oszillationsbewegung erzeugte Schwingungsform in den Referenzeingang des Lock-in- Verstärkers eingespeist wird. Das Ausgangssignal des Lock- in-Verstärkers entspricht dem demodulierten Scherkraftsignal. Der Lock-in-Verstärker weist typischerweise eine Ausgangs-Zeitkonstante von 0,1 ms auf.
Die Sondenspitze läßt sich man nun mit einer bekannten Frequenz, die unterhalb der ersten Resonanzfrequenz liegt, in einer beliebigen seitlichen Richtung oszillieren. Die Lochbiende wird nun in der Oszillationsrichtung seitlich verschoben, um das nach dem Passieren der Lochblende gesammelte Gleichstromsignal auf etwa das 0,7-fache seines Maximalwertes zu verringern. Die Oszillationsfrequenz wird nun so weit erhöht, bis ein scharfer Anstieg des demodulierten Signals anzeigt, daß die Sonde bei der Resonanzfrequenz betrieben wird. Es zeigt sich, daß sich die Sondenresonanzen aufgrund der hohen Q-Werte einfach von anderen Resonanzen des Systems unterscheiden lassen. Eine typische Resonanzfrequenz beträgt etwa 80 kHz Die Oszillationsamplitude wird auf etwa 50 Å eingestellt.
Der Abstand der Sondenspitze von der Probenoberfläche wird nun durch die mechanische Mikropositioniereinrichtung auf weniger als etwa 2 µm verringert. Nun werden die Lochblende, das sammelnde Objektiv und die Sondenspitze wieder auf die oben beschriebenen Offset-Stellungen ausgerichtet.
Nun wird unter Verwendung einer herkömmlichen Rückkopplungselektronik 510 eine Rückkopplungsschleife eingerichtet, um vorbehaltlich einer Randbedingung die Höhe (d.h. die Z-Komponente) der Sondenspitze über dem piezoelektrischen Probenrohr zu steuern. Die Randbedingung besteht darin, daß die Amplitude der Oszillation (bei dem demodulierten Signal) einen bestimmten Bruchteil (der typischerweise im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 liegt) der Oszillationsamplitude unter Freiraumbedingungen (d.h. entfernt von der Probe) entsprechen muß.
Nun wird der Abtastvorgang gestartet. Das Z-Eingangssignal des piezoelektrischen Probenrohres wird digitalisiert und unter Verwendung einer herkömmlichen Bildschirmanzeigeeinrichtung dargestellt. Bei einer typischen Abtastgeschwindigkeit wird ein aus 256 x 256 Pixeln bestehendes Bild über einen 0,8 µm x 0,8 µm Feld in 15 s abgetastet. Das entstehende Bild ist in Fig. 14 dargestellt.

Claims

1. System zum Abtasten wenigstens eines Abschnittes der Oberfläche einer Probe (30), wobei das System umfaßt:

eine Sonde (70) mit einer Längsachse und einer Spitze; Mittel zum Positionieren der Sondenspitze benachbart zur Oberfläche; Mittel (40, 50) zum Verschieben der Sondenspitze relativ zur Oberfläche derart, daß ein Abtastmuster in einer Ebene beschrieben wird, die als "Abtastebene" bezeichnet wird, die im wesentlichen parallel zu dem Oberflächenabschnitt liegt; und

ein Element (40) zum Oszillierenlassen der Sondenspitze relativ zur Oberfläche bei wenigstens einer Oszillationsfrequenz, welche bei oder nahe an einer Resonanzfrequenz der Sonde liegt,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Oszillationselement die Sondenspitze im wesentlichen innerhalb der Abtastebene in Schwingungen versetzen kann; und

daß das System ferner umfaßt:

einen positionsempfindlichen Fotodetektor (80);

Mittel (90) zum optischen Abbilden der Sondenspitze auf den positionsempfindlichen Photodetektor derart, daß Änderungen in der Amplitude und der Phase der Oszillation der Probenspitze innerhalb der Abtastebene erfaßt werden können; und

Mittel (40, 50) zum Steuern des Abstandes zwischen der Spitze und der Oberfläche gemäß den erfaßten Änderungen der Oszillation der Sondenspitze.

2. System nach Anspruch 1, bei welchem die Abtastebene im wesentlichen senkrecht zur Längsachse liegt.

3. System nach Anspruch 1, bei welchem die Sonde einen sich verjüngenden Endabschnitt einer optischen Faser mit einem ersten und einem zweiten Ende umfaßt, wobei sich das erste Ende im wesentlichen gleich der Sondenspitze ausdehnt.

4. System nach Anspruch 3, ferner umfassend eine Lichtquelle (60) und Mittel (150) zum Koppeln von Licht aus der Quelle in das zweite Faserende.

5. System nach Anspruch 3, bei welchem wenigstens der sich verjüngende Endabschnitt der optischen Faser mit einem Material beschichtet ist, welches wenigstens bei einigen Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung, die in der optischen Faser geführt werden können, undurchsichtig ist.

6. System nach Anspruch 3, bei welchem die optische Faser eine Einmodenfaser umfaßt.

7. System nach Anspruch 1, bei welchem der positionsempfindliche Detektor ein Ausgangssignal erzeugt, und das System ferner einen phasenempfindlichen Detektor (490) umfaßt, welcher das Ausgangssignal empfängt und derart verarbeitet, daß Änderungen der Phase und der Amplitude der Sondenoszillationen erfaßt werden können.

8. System nach Anspruch 1, bei welchem die Resonanzfrequenz einem lokalen Maximum der Oszillatoramplitude der Sondenspitze in Bezug auf Änderungen der Oszillatorfrequenz entspricht, wobei das Oszillationselement die Sonde bei einer Frequenz, welche einer Amplitude von etwa 70 % des lokalen Maximums entspricht, oszillieren lassen kann,

der positionsempfindliche Detektor ein Ausgangssignal erzeugt, und das System ferner einen phasenempfindlichen Detektor (490) umfaßt, welcher das Ausgangssignal empfängt und derart verarbeitet, daß Änderungen der Phase und der Amplitude der Sondenoszillationen erfaßt werden können.

9. System nach Anspruch 1, bei welchem die Sonde bezüglich der oszillatorischen Lageänderungen der Spitze eine Federkonstante aufweist, welche nicht größer als etwa 1000 N/m ist.

10. System nach Anspruch 1, bei welchem der positionsempfindliche Photodetektor ein Ausgangssignal erzeugt, und das System ferner umfaßt:

a) Mittel (40) zur Ableitung eines Rückkopplungssignals aus dem Ausgangssignal; und

b) Mittel (40, 50) zum Steuern des Abstandes zwischen der Sondenspitze und der Probenoberfläche derart, daß das Rückkopplungssignal im wesentlichen konstant gehalten wird, während die Sondenspitze nach einem Abtastmuster verschoben wird.

11. System nach Anspruch 10, ferner umfassend Mittel zur Ableitung eines Videoanzeigesignals aus dem Ausgangssignal oder dem Rückkopplungssignal; und

eine Videoanzeigeeinrichtung zum Anzeigen eines zweidimensionalen Bildes, welches das Videoanzeigesignal darstellt.

12. Optisches Nahfeld-Abtastmikroskop, welches eine optische Faser (10) mit einem ersten und einem zweiten Ende und einem das erste Ende umfassenden, sich verjüngende Endabschnitt umfaßt, Mitteln (40, 50) zum Positionieren des zu einer Oberfläche einer Probe (30) benachbarten ersten Endes, und Mittel (40, 50) zum Verschieben des ersten Endes relativ zu der Probe nach einem Rastermuster, welches im wesentlichen parallel zu einem Abschnitt der Oberfläche in einer Ebene liegt, die als "Abtastebene" bezeichnet wird derart, daß der Oberflächenabschnitt abgetastet wird, wobei das Mikroskop ferner umfaßt:

a) ein Element (40) zum Oszillierenlassen der Sondenspitze relativ zur Oberfläche bei wenigstens einer Frequenz, welche auf oder nahe einer Resonanzfrequenz der Sonde liegt, wobei die Richtung der Schwingungen im wesentlichen innerhalb der Abtastebene liegt;

b) ein positionsempfindlicher Photodetektor (80) zur Erzeugung eines Ausgangssignals;

c) Mittel (90) zum optischen Abbilden der Sondenspitze auf den positionsempfindlichen Photodetektor derart, daß wenigstens beträchtliche Änderungen in der Amplitude und der Phase der Oszillation der Sondenspitze innerhalb der Abtastebene Änderungen des Ausgangssignals erzeugen werden;

d) Mittel (490) zur Ableitung eines Rückkopplungssignals aus dem Ausgangssignal; und

e) Mittel (40, 50) zum Steuern des Abstandes zwischen dem ersten Ende und der Probenoberfläche derart, daß das Rückkopplungssignal im wesentlichen konstant gehalten wird, während das erste Ende nach einem Rastermuster verschoben wird.

13. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes, welches die Schritte umfaßt:

a) Bereitstellen einer Vielzahl von Halbleiterkörpern, wobei jeder Halbleiterkörper eine Oberfläche aufweist, welche durch Ätzen einer Metallschicht auf der Oberfläche mit einem Muster versehen wird;

b) Ätzen wenigstens eines ersten Halbleiterkörpers gemäß einem vorbestimmten Ätzverfahren, derart, daß ein Muster auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers gebildet wird, wobei das Muster eine charakteristische Leiter-Linienbreite aufweist;

c) Messen der Linienbreite an dem ersten Halbleiterkörper;

d) Vergleichen der Linienbreite mit einem vorbestimmten Bereich von Werten;

e) Ändern des Ätzverfahrens, um die Linienbreite innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Werten zu bringen, falls die Linienbreite außerhalb des vorbestimmten Bereichs von Werten liegt, und

f) nach e), Ätzen wenigstens eines zweiten Halbleiterkörpers gemäß dem veränderten Verfahren,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Schritt des Messens das Anordnen einer Sonde (70) mit einer Spitze benachbart zu einem Abschnitt der Oberfläche umfaßt;

das Verschieben der Sondenspitze relativ zur Oberfläche derart, daß ein Abtastmuster in einer Ebene beschrieben wird, die als "Abtastebene" bezeichnet wird, welche im wesentlichen parallel zum Oberflächenabschnitt liegt;

das Oszillierenlassen der Sondenspitze relativ zur Oberfläche bei einer Frequenz auf oder nahe einer Resonanzfrequenz der Spitze durch die Verwendung eines elektromechanischen Elements (40), derart, daß die Oszillationen im wesentlichen innerhalb der Abtastebene liegen;

das optische Abbilden der Sondenspitze auf einen positionsempfindlichen Photodetektor (80), welcher ein Ausgangssignal erzeugt;

das Verarbeiten des Ausgangssignals derart, daß Änderungen in der Amplitude und der Phase der Schwingungen der Sondenspitze innerhalb der Abtastebene erfaßt werden; und

das Steuern des Abstandes zwischen der Spitze und der Oberfläche gemäß den erfaßten Änderungen in der Schwingung der Probenspitze.