DE69415019T2

DE69415019T2 - Intelligenter optischer sensor für optische nahfeldvorrichtung

Info

Publication number: DE69415019T2
Application number: DE69415019T
Authority: DE
Inventors: Jacques F-34000 Montpellier Bonnafe; Michel F-34830 Clapiers Castagne; Jean Pierre F-34980 Saint-Gely-Du-Fesc Fillard
Original assignee: BTG International Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1993-07-22
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2014-07-23
Also published as: JPH09500964A; GB2294759A; JP3390173B2; EP0710370A1; GB9524965D0; WO1995003561A1; US5770856A; EP0710370B1; DE69415019D1; ATE174131T1

Description

Intelligenter optischer Sensor für optische Nahfeldvorrichtung

Die Erfindung betrifft optische Geräte und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, optische Vorrichtungen und Geräte mit integrierten Lichterfassungseinrichtungen und/oder Verarbeitungseinrichtungen, oder Vorrichtungen oder Geräte mit direkter Verbindung zu Verarbeitungseinrichtungen, welche nachstehend als intelligenter optischer Sensor bezeichnet werden.
Nahfeld-Rastertunnelmikroskopie (Scanning Tunneling Microscopy - STM) und verwandte Techniken wurden in den letzten zehn Jahren für die Abbildung von Materialoberflächen in einem Maßstab unterhalb des traditionellen, optischen Mikroskopiebereichs, das heißt im oder um den atomaren Maßstab, vorgeschlagen.
Nahfeld-Rastermikroskopie hat sich in den zehn Jahren seit der Erfindung von Rastertunnelmikroskopen (STM) durch die Nobelpreisgewinner Binnig und Röhrer (1984) gut etabliert. Die grundlegende Idee bestand darin, die Position einer Sonde (oder Antenne) in der Nähe einer Oberfläche unter Verwendung von hochgenauen piezoelektrischen Mikrostellgliedern und selbsttätiger elektronischer Regelung eines Tunnelelektronenstromes zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der Sonde (oder Antenne) zu steuern. Allgemeiner gesagt, wurde eine sogenannte "Abstandsfunktion" verwendet, um den Abstand zwischen der Sonde und der Oberfläche zu steuern, wie bei der Atommikroskopie (Atomic Force Microscopy - ATM) und verwandten Techniken.
Rastertunnelmikroskope haben es möglich gemacht, Mikroskopbilder von sehr hoher Auflösung zu erhalten, ohne dabei weder zerstörende Elektronen noch ein Vakuum zu verwenden. Seit kurzem ist es möglich, mit Computerunterstützung, die einzelnen Atome zu manipulieren, um so winzige Objekte zu bauen. Die Bemühungen sind daher nun auf Mikrofabrikation und entsprechende Instrumente gerichtet, die in der Lage sind in einem derartig kleinen Maßstab zu arbeiten.
Rastertunnelmikroskope (STM) und verwandte Techniken haben den Nachteil einer extremen Spezialisierung. Deshalb lassen sie sich, obwohl sie für den atomaren Maßstab bestens geeignet sind, aufgrund der begrenzten Abmessung des sogenannten kritischen Abstands dc der Abstandsfunktion, nicht auf einfache Weise auf größere Abmessungen erweitern. Typischerweise liegt der kritische Abstand, dc, in dem Bereich 0,1 nm < dc < 5 nm, wobei dies der Bereich ist, in dem STMs betrieben werden sollen. Mesoskopische Gegenstände, die typischerweise in einer Größenordnung von mehreren zehn Nanometern (hunderten von Å) liegen, können nicht auf einfache Weise durch STM beobachtet werden, besonders wenn die zu untersuchende Oberfläche im Atombereich rauh ist. Kürzlich wurde eine neue Technik vorgeschlagen, die auf der sogenannten Photonen-Nahfeld-Abstandsfunktion anstelle einer elektronischen Abstandsfunktion beruht. Diese Technik läßt sich relativ leicht auf den mesoskopischen Bereich (10 nm < dc < 250 nm) aufgrund eines größeren Wertes von dc anpassen.
Jüngst wurde eine bestimmte Technik bekannt, die Photonen- Rastertunnelmikroskopie (PSTM) oder optische Nahfeld- Rastermikroskopie (Scanning Near Field Optical Microscopy - SNOM) genannt wird. Diese zwei Techniken, PSTM und SNOM, sind verwandt durch die Fähigkeit von sehr kleinen, optischen Scheitelpunkt-Systemen, Photonen im Nahfeld zu empfangen oder abzugeben. Aus Gründen der Einfachheit wird die Erfindung unter Bezugnahme auf den PSTM-Fall beschrieben, wobei angenommen wird, daß SNOM auf eine im wesentlichen reziproke Weise arbeitet, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch auf SNOM anwendbar ist.
Der Hauptunterschied zwischen klassischer STM und PSTM beruht auf der stark erweiterten Abstandsfunktion von PSTM, die es ermöglicht, die Position einer Sonde in einem ungefähren Bereich von 10 bis 200 nm, anstelle von 0,1 nm bis 5 nm bei STM, zu steuern. Dies ist ein Vorteil, wenn Untersuchungen in einem größeren Umfang in einem Mikron-Maßstab durchgeführt werden sollen.
Es wird darauf hingewiesen, daß sehr kleine Gegenstände, das heißt kleiner als ungefähr 0,5 um, bei Verwendung klassischer optischer Mikroskopeinrichtungen weder sichtbar sind noch zweckmäßig durch Elektronenmikroskopie untersucht werden können. Demnach war die Nutzung, Beobachtung und/oder Manipulation derartig kleiner Gegenstände extrem schwierig, wenn nicht unmöglich. Auch aufgrund der relativ großen "Abmessungen" eines Photons war es äußerst schwierig, ein spezifisches Verhältnis mit kleinen Lichtemittern, wie etwa nanometrischen Lasern oder lumineszenten Molekülen, herzustellen. Das Problem taucht in ähnlicher Weise auch bei Punktempfängern auf.
Daher erfordert die Erforschung, Überwachung, Beobachtung, Manipulation und/oder Messung im Nanomaßstab, bei Beibehaltung eines Verhältnisses mit der externen, makroskopischen Welt dafür ausgelegte, automatisierte, intelligente Werkzeuge, die die Unzulänglichkeit der menschlichen Sehkraft und Geschicklichkeit im Nanomaßstab ausgleichen können.
Es gibt bereits einige Arten von optischen Scannern, die als intelligente optische Sensoren betrachtet werden könnten. Eine derartige Vorrichtung ist in der europäischen Patentanmeldung EP-A1-0509716 (CANON) beschrieben und ist ein Atommikroskop (AFM). Ein AFM ermittelt eine Atomkraft zwischen einer Probe und einer Sonde, die sich in einem Bereich von ungefähr 1 nm von der Oberfläche einer Probe befindet. Die Vorrichtung mißt den Verschiebungsbetrag eines Trägers, der eine optische Sonde abstützt, und nutzt eine integrierte optische Schaltung, um die Position der Sonde zu steuern. Die Vorrichtung ermittelt eine Veränderung in der Leuchtkraft und benutzt diese, um die Verschiebung in eine Richtung zu berechnen. Die Anordnung umfaßt mehrere Spiegel und Lichtreflektoren sowie Beugungsgitter, um Lichtstrahlen zu teilen und zusammenzufassen. Die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 sind aus der EP-A-509716 bekannt.
Das US-Patent US-A1-5138159 beschreibt eine Anordnung, die den Abstand zwischen einer Sonde eines Rastertunnelmikroskops (STM) und der Oberfläche einer beobachteten Probe automatisch steuert.
Die europäische Patentanmeldung EP-A1-0403766 beschreibt eine Anordnung, die darauf abzielt, Meßfehler, die als Folge von Temperaturschwankungen und Vibrationen auftreten, zu beheben.
In der nanoskopischen Welt gibt es eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, wobei ein Hauptschwerpunkt auf der Photonenkontribution liegt. Es wurden Studien über elektronische "Nanoschaltungen" durchgeführt, was zur Untersuchung einzelner Elektronen und darauf bezogener elektromagnetischer Wellen geführt hat. Quantenelektrodynamik (QED) wird mit neuen Hybridvorrichtungen betrieben. Es sind Hybride klassischer elektronischer und optischer Technologien, wie etwa Interferometer und Elektronendrehkreuzantennen. Ein anderes Gebiet ist die makromolekulare Synthese, die es zudem erlaubt, gesteuerte molekulare Anordnungen zu bauen, die als einzelne Schaltungen, Resonatoren oder Quantenmulden verwendet werden können.
Nanoskopische Vorrichtungen finden bei Untersuchungen in der Mikrobiologie, bei intrazellularen Untersuchungen, Anwendung. Dies ermöglicht "in vivo"-Mikroskopie und Mikrofabrikation von Zellstoffen. Ein wichtiger Bereich ist die Untersuchung der DNA.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE-A1-42 31 426 beschreibt eine Vorrichtung, die aus einer Galliumarsenid(Ga As)-Scheibe oder -Platte geformt ist, um so einen optischen Sensor zu bilden. Die Vorrichtung ist eine mikroskopische Vorrichtung, die nicht im reduzierten Maßstab eines Atommikroskops arbeiten kann.
Auf all den vorstehend genannten Gebieten ist es äußerst wichtig, geeignete technische Einrichtungen oder Werkzeuge zur Ver fügung zu haben, aufgrund dessen und unter Berücksichtigung anderer Probleme ist die vorliegende Erfindung entstanden.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sensor mit nanometrischer Auflösung bereitzustellen, der einfacher als die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen ausgeführt ist und der die Beschränkungen der zuvor beschriebenen Vorrichtung vermeidet. Keine der zuvor genannten Schriften beschreibt ein System, das dazu in der Lage wäre, dies zu erreichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen optischen Sensor zur Untersuchung oder Profildarstellung von Materialien, insbesondere von Materialien mit hohen Brechungsindizes, und ganz besonders von Halbleitermaterialien, mit einer Auflösung von zwischen 1 nm bis ungefähr 200 nm, hoher Erfassungsausbeute und ausgezeichneter Rauschimmunität bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen optischen Sensor zur Erzielung einer optischen Verbindung zwischen Gegenständen im Nanometer-Größenbereich bereitzustellen, so daß der optische Sensor eine scharfe laterale Auflösung, eine hohe Sammlungsausbeute, einen hohen optischen Transfer und eine hohe Erfassungsausbeute sowie eine ausgezeichnete Rauschimmunität hat.
Erfindungsgemäß ist ein optischer Sensor bereitgestellt umfassend:
- eine Lichtquelle mit vorgegebener Wellenlänge;
- eine Sonde mit einer Meßspitze, wobei die Meßspitze Abmessungen aufweist, die hinsichtlich der vorgegebenen Wellenlänge zum Auffangen von Licht der Lichtquelle von einer interessierenden Oberfläche im Nahfeldbereich der Meßspitze gering sind, wobei die Meßspitze Wände zum Lenken des aufgefangenen Lichts aufweist;
- einen Träger zum Abstützen der Sonde;
- einen ersten Detektor, der auf einem Substrat integriert ist, wobei der erste Detektor so angeordnet ist, daß er das Licht aufnehmen kann, das von einer ersten Wand der Meßspitze in Richtung der, ersten Wand gelenkt wird,
gekennzeichnet durch
- eine externe Verbindung, die so angeordnet ist, daß sie Licht aufnehmen kann, das von einer zweiten Wand der Meßspitze in Richtung der zweiten Wand gelenkt wird.
Bevorzugt ist die Sonde optisch mit dem Träger gekoppelt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein intelligenter optischer Sensor bereitgestellt, der einen eine Sonde abstützenden Träger umfaßt, wobei die Sonde und der Träger einen optischen Weg haben und zumindest ein Teil des Weges dafür ausgelegt ist, eine optische Welle zu befördern, wobei sich der Weg zu einer Meßspitze der Sonde und zu einer externen Verbindung des Sensors erstreckt.
Die Meßspitze der Sonde ist bevorzugt pyramidenförmig gestaltet. Das bedeutet, die Meßspitze kann eine Pyramide mit einer viereckigen oder dreieckigen Basis umfassen, die vorteilhaft integral mit der Sonde ausgeformt ist, was bedeutet, daß die Sonde und Meßspitze aus demselben Material geformt sind. Am bevorzugtesten weist die Meßspitze die Form einer Pyramide mit quadratischer Basis auf.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Teil des optischen Weges eine optische Welle befördern. Der Träger kann jedoch aus einem Halbleitermaterial bestehen, das bei abklingender Wellenlänge lichtdurchlässig ist.
Eine oder mehrere externe Verbindungen können einen optoelektronischen Wandler umfassen. Der optische Sensor kann eine integrierte Schaltung zur Steuerung des Lichts innerhalb des optischen Weges umfassen. Licht kann von der Meßspitze abgestrahlt und/oder von ihr empfangen werden und über zumindest einen Abschnitt des optischen Weges wandern.
Der intelligente optische Sensor umfaßt einen Träger und eine darauf abgestützte Sonde, die Sonde hat eine Meßspitze, wobei die Sonde und Sondenspitze einen ersten optischen Weg haben, der Träger stellt einen zweiten optischen Weg bereit, der in optischer Verbindung mit dem ersten optischen Weg angeordnet ist, die Vorrichtung umfaßt ferner ein Steuerelement zur Steuerung der optischen Aktivität der Sondenspitze über zumindest einen der optischen Wege sowie einen weiteren optischen Weg zwischen der Meßspitze und externen Verbindungseinrichtungen, die außerhalb von dem weiteren Weg angeordnet sind, wobei Licht in zumindest einer Richtung längs jedes Weges wandern kann.
Der optische Sensor kann dafür ausgelegt sein, Licht in zwei oder mehr unterschiedliche Richtungen längs des Weges passieren zu lassen. Es kann eine optische Kopplung zur Sonde von einer externen optischen Einrichtung vorhanden sein. Diese Kopplung kann die externe Verbindung bereitstellen.
Der Sensor kann dafür ausgelegt sein, ein PSTM-Bild zu formen und/oder ein SNOM-Bild zu formen und/oder Photonen zu einer bestimmten Stelle zu befördern und/oder Photonen von einer bestimmten Stelle zu empfangen.
Der Sensor kann als Sensor, Scanner oder Mikroroboter oder beliebige Kombination derselben betrieben werden.
Bevorzugt weist der intelligente optische Sensor eine laterale Präzision beim Abbilden oder Beleuchten von Gegenständen in einer Größenordnung von 10 nm bis 250 nm auf. Bevorzugt ist die optische Charakteristik die Intensität des Lichts, das längs des optischen Weges wandert. Es kann jedoch auch die Polarisation und/oder Phase des Lichts und/oder Wellenlänge des Lichts sein. Der die Sonde abstützende Träger und die Meßspitze können unter Verwendung herkömmlicher mikroelektronischer Techniken hergestellt werden.
Der optische Sensor kann mit einem oder mehreren Stellgliedern verbunden sein. Das oder jedes Stellglied kann eine piezoelektrische Einrichtung umfassen.
Die Erfindung stellt einen intelligenten optischen Sensor bereit, der dazu in der Lage ist, zumindest die folgenden Aufgaben auszuführen: Beobachten der nanoskopischen Umgebung, Erkennen von Reliefs in einem nanoskopischen Maßstab sowie Identifizieren von Materialien und Strukturen, wie etwa Kämme, Rillen, tafelförmige Erhebungen oder ähnliches. Des weiteren ist der optische Sensor dazu in der Lage, einen optischen Leiter unter Definition eines optischen Weges in Stellung zu bringen, und/oder einen Lichtstrahl exakt zu einer vorgegebenen Position hin oder von ihr weg zu befördern.
Der intelligente optische Sensor wird, wenn er beispielsweise als Scanner verwendet wird, vorteilhaft unter Verwendung herkömmlicher mikroelektronischer Techniken hergestellt. Er kann durch Verwendung kompakter integrierter oder hybrider Anordnungen verschiedene wichtige Funktionen auf demselben Substrat vereinen. Diese umfassen:
(a) einen Halbleiter zum Bereitstellen einer AFM- oder PSTM- Abstandssteuerung, wobei letztere eine Nahinfrarot(NIR)- Wellenlängenbeleuchtung λ&sub1; verwendet, und/oder
(b) einen optischen Sensor, der in direkter Nähe der Meßspitze angeordnet und auf eine erste Wellenlänge λ&sub1; eingestellt ist, und/oder
(c) einen elektronischen Verstärker und einen Signalprozessor, welcher digital sein kann, und/oder
(d) eine Datentransferverbindung zum Bereitstellen einer Verbindung zu einer künstlichen Intelligenz außerhalb des Sensors, und/oder
(e) eine wellenlängenentkoppelte optische Verbindung, die einen optischen Transfer bei einer Wellenlänge λ&sub2;, entkoppelt von λ&sub1;, erlaubt.
Ein optischer Sensor umfaßt bevorzugt einen Träger, der aus einem Halbleitermaterial geformt ist, das zumindest bei der abklingenden Wellenlänge transparent ist. Alternativ weist der optische Sensor eine Sonde auf, die aus einem transparenten Halbleitermaterial geformt ist.
Bevorzugt empfängt ein optischer Sensor Licht, das von der Meßspitze abgestrahlt und/oder von ihr empfangen wird und zumindest über einen Teil des Weges wandert.
Bevorzugt ist ein optischer Sensor dafür ausgelegt, Photonen zwischen der Meßspitze und der externen Verbindung zu lenken.
Bevorzugt hat ein optischer Sensor eine externe Verbindung und umfaßt einen optoelektronischen Wandler. Alternativ umfaßt ein optischer Sensor eine optoelektronische integrierte Schaltung für Licht in dem Weg. Der optische Sensor kann eine selektive Schaltung aufweisen, die auf eine bestimmte Wellenlänge eingestellt ist. Der optische Sensor kann Einrichtungen zur Unterstützung von Licht mit mehr als einer Wellenlänge aufweisen. Die Einrichtung kann dafür ausgelegt sein, zwischen diesen Wellenlängen zu unterscheiden.
Der optische Sensor kann einen entsprechenden Weg für jede dieser Wellenlängen umfassen.
Darüber hinaus kann eine Einrichtung bereitgestellt werden, die einen integrierten optischen Detektor und/oder Verstärker und/oder einen Analog/Digital-Wandler und oder/einen digitalen Signalprozessor umfaßt.
Ein optischer Sensor kann Einrichtungen zum Steuern der Position der Meßspitze in bezug auf eine interessierende Oberfläche im Nahfeldbereich durch Reaktion, während des Betriebes, auf eine abklingende Welle in dem optischen Weg umfassen.
Ein optischer Sensor kann Einrichtungen zum Steuern der Position der Meßspitze in bezug auf eine interessierende Oberfläche im Nahfeldbereich umfassen, die zumindest teilweise durch einen integrierten optischen Detektor und Verstärker, einen Analog/Digital-Wandler und einen digitalen Signalprozessor gebildet werden.
Ein optischer Sensor kann Einrichtungen zum Steuern der Position seiner Meßspitze umfassen, die auf eine aufgezeichnete Atomkraft reagieren. Alternativ reagiert die Einrichtung zum Steuern der Position der Meßspitze auf ein Photonentunnelbild bei abklingender Wellenlänge, um die Meßspitzenposition zu einer vorgegebenen Position zu steuern.
Es wird ein optischer Sensor beschrieben, bei dem die Einrichtungen zum Steuern der Position der Meßspitze dazu dient, die Lieferung und/oder Erfassung eines optischen Signals an einer bestimmten Position und zu einem bestimmten Zeitpunkt zu ermöglichen.
Der Sensor hat bevorzugt eine laterale Präzision beim Abbilden oder Beleuchten von Gegenständen, die in einer Größenordnung von 10 nm bis 250 nm liegen, und kann außerdem auf die Intensität des Lichts, das längs des oder jedes optischen Weges wandert, reagieren. Es können Einrichtungen bereitgestellt werden, die es ermöglichen, daß der Sensor auf die Polarisation und/oder Phase des Lichts und/oder Wellenlänge des Lichts reagiert. Der Sensor kann zumindest ein Stellglied aufweisen, das eine piezolelektrische Einrichtung umfaßt.
Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nun allgemein unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 18 und im besonderen unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 18 beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine Skizze ist, die das Grundprinzip der Beugung durch ein Loch darstellt, das kleiner als die Wellenlänge ist;
Fig. 2 eine Skizze ist, die das Grundprinzip der Photonenrastertunnelmikroskopie (PSTM) zeigt;
Fig. 3 eine Darstellung ist, die die übertragene Intensität einer abklingenden Welle (parallele Polarisation) in einem glasartigen System (n = 1,5) als Funktion des Abstands (d) von der Schnittstellenfläche und des Einfallswinkels (θ) zeigt;
Fig. 4 eine Darstellung ist, die die übertragene Intensität einer abklingenden Welle mit paralleler Polarisation in einem Halbleitersystem (n = 3,5) als Funktion des Abstands (d) von der Schnittstellenfläche und des Einfallswinkels (θ) zeigt;
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer PSTM-Anordnung ist, die die Schlüsselmerkmale zeigt;
Fig. 6 einen schematischen Schnitt einer Sonde einer PSTM- Lichtleiteinrichtung zeigt, welche als Sensor arbeitet;
Fig. 7 schematische Ansichten eines optischen Weges in einem integrierten PSTM-Konverter zeigt, welcher (A) direkte Kopplung und (B) eine invertierte Photodiode verwendet;
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer optischen Verbindung parallel mit einer optischen PSTM-Steuerung zeigt;
Fig. 9 eine schematische Ansicht eines Trägeraufbaus zur optischen Mikrofernverbindung als Teil eines erfindungsgemäßen intelligenten optischen Sensors zeigt;
Fig. 10 eine schematische Ansicht ist, die zeigt wie eine optische Entkopplung zum Demultiplexen mittels einer abklingenden Kopplung zwischen Lichtleitern erreicht werden kann;
Fig. 11 eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform des Sensors zeigt;
Fig. 12 einen Schnitt durch die alternative, in Fig. 11 gezeigte Ausführungsform nahe einer Oberfläche einer Probe zeigt;
Fig. 13 eine Draufsicht ist, die schematisch die sich überschneidenden interessierenden Ebenen zeigt;
Fig. 14 eine vereinfachte Darstellung ist, die einen optischen Doppelweg zeigt, der die zwei Arme des Trägers verwendet;
Fig. 15 eine schematische Draufsicht eines bidirektionalen Vierfach-Optokopplers zum integralen Einbau in den Sensor zeigt;
Fig. 16 eine Draufsicht des Kopplers aus Fig. 15 zeigt, der mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) verbunden ist; und
Fig. 17 eine schematische Ansicht eines zusätzlichen, optischen Kanals ist, der sich zur Verwendung mit dem Sensor gemäß den Fig. 15 und 16 eignet;
Fig. 18 ein halblogarithmisches Diagramm der Intensität (I) gegenüber dem Abstand (d) eines Dreimedien-Brechungsmodells zeigt, wobei die Bereiche -a- und -b- unterschiedlichen Einfallswinkeln entsprechen;
Fig. 19 eine schematische Skizze einer experimentellen Anordnung zeigt, welche eine alternative Ausführungsform der Erfindung umfaßt;
Fig. 20 ein Diagramm einer extrapolierten Exponentialverschiebung (To) gegenüber dem Einfallswinkel (θ) bei s- und p-Polarisationen zeigt, wobei n - n' = 1,5, b) n = 1,517; n' = -2,1;
Fig. 21 ein halblogarithmisches Diagramm der von der Sondenspitze übertragenen Intensität (I) gegenüber dem Abstand (d) ist;
Fig. 22 eine schematische Skizze ist, die die Lichtsammlung und -lenkung durch den Träger zeigt; und
Fig. 23 eine logarithmische, polare, grafische Darstellung der Punkte P1 und P2 ist, wobei A(d 0) und B(d = 200 nm) bei einer Vielzahl von Polarisationen ist.
Fig. 1 zeigt als Modell einen Gegenstand mit einer charakteristischen Abmessung, die kleiner ist als die Beleuchtungswellenlänge λa, und ist hilfreich zum Verständnis desselben. In dieser Situation werden die Maxwell-Gleichungen angewandt, um die Eigenschaften der gestreuten Wellen zu berechnen. Duale Situationen eines kleinen Streuungspartikels oder eines kleinen kreisförmigen Loches in einem Schild führen zu dualen Schlußfolgerungen. Ein Schild 10, in dem ein Loch 11 definiert ist, wobei das kreisförmige Loch 11 einen nanometrischen Scheitelpunkt hat, wird durch eine fortschreitende, ebene Welle mit einer Wellenlänge λa beleuchtet. Die Details der Gestalt des Loches 11 werden auf die gestreute Welle übertragen, sofern der Abstand von dem Loch 11 (oder dem Gegenstand) im selben Bereich wie seine Größe liegt. Dies ist als Nahfeld bekannt und tritt nahe am Loch in dem Nahbereich 12A auf. Dieser Abstand liegt typischerweise in einem Bereich, der kleiner als die Wellenlänge ist. Bei größeren Abständen wird die fortschreitende Welle kugelförmig und überträgt keine Informationen betreffend die Gestalt des Loches 11. Der Bereich 12B ist das "Fernfeld".
Das Loch 11 kann als strukturierendes Element genutzt und wirkungsvoll zur Rasterabbildung verwendet werden. Das Loch 11 kann entweder als Punktlichtquelle, wie in Fig. 1 gezeigt, oder als Punktempfänger (nicht gezeigt) zur Erforschung eines durch ein physikalisches Objekt (nicht gezeigt) gestreuten Lichtfeldes verwendet werden. Die erstere vereinfachte Situation entspricht SNOM, die letztere PSTM. In der Realität muß sowohl bei SNOM als auch bei PSTM dieselbe Voraussetzung erfüllt werden, nämlich daß das Loch 11 unter einem sehr geringen Abstand von der zu untersuchenden Probe angeordnet ist.
Aus Gründen der Einfachheit wird nachfolgend nur der PSTM-Fall berücksichtigt, es versteht sich jedoch, daß sich dieselben Schlußfolgerungen und Prinzipien auch auf SNOM anwenden lassen.
Das Grundprinzip von. PSTM ist in Fig. 2a dargestellt. Ein Lichtstrahl 13 ist gezeigt, wie er in einem homogenen dielektrischen Material 14 fortschreitet. Der Strahl 13 wird an einer Schnittstelle mit einem zweiten, unterschiedlichen Material 15, das einen niedrigeren Brechungsindex als das Material 14 aufweist, reflektiert, wenn der Einfallswinkel des Strahles 13 größer als der kritische Brechungswinkel an der Schnittstelle ist. Eine derartige vollständige interne Reflexion erzeugt in dem zweiten Material 15 eine abklingende Welle 16, die entlang der Schnittstelle der zwei Materialien 14 und 15 mit einer Amplitude (I) wandert, welche mit dem Abstand (d) zur Schnittstelle schnell abnimmt. Das Verhältnis zwischen Intensität, Abstand und Einfallspolarisationswinkel des Lichts ist genauer in den grafischen Darstellungen der Fig. 3 und 4 gezeigt. Der kritische Abstand dc der exponentiellen Funktion, die diese schnelle Abnahme der Amplitude regelt, liegt, wie festgestellt wurde, in einem Bereich von 10-300 nm. Es versteht sich, daß dieser Abstand von dem Einfallswinkel und den Brechungsindizes der Materialien abhängt. Daher kann, durch selektive Veränderung dieser Variablen, der kritische Abstand (dc) innerhalb eines gegebenen Bereiches, wie in den Darstellungen der Fig. 3 und 4 gezeigt, verändert werden.
Üblicherweise ist das zweite Material 15 einfach Luft, deren Brechungsindex bei 1 (n = 1) liegt. Wenn ein drittes dielektrisches Material in dem Nahfeldbereich der abklingenden Welle 16 angeordnet ist, können sich Elektronen von dem dritten Material mit der elektromagnetischen Welle verbinden und verursachen einen fortschreitenden Wellentyp. Ein übertragener Lichtstrahl wird dann in dem dritten Medium erzeugt, und zwar durch den Luftspalt. Die Situation ist dem Elektronentunneleffekt durch eine Potentialsperre ähnlich und ist schematisch in Fig. 2b dargestellt.
Fig. 2b zeigt eine dielektrische Sonde 17, z. B. eine Lichtleitfaser, die eine abklingende Welle (nicht gezeigt) aus einem wie vorstehend beschrieben beleuchteten Probenmaterial 141 auf fangen kann. Das Auffangen der abklingenden Welle erzeugt einen Photonenfluß in der Sonde 17. Je schmaler der Spalt d(x) zwischen der Meßspitze der Sonde 17 und der Oberfläche des Materials 141, desto höher die Auffangausbeute. Dieses Phänomen wird "gehemmte, vollständige interne Reflexion" (FTIR - Frustrated Total Internal Reflection) genannt, da die Energie in einem übertragenen Lichtstrahl von der Energie in dem reflektierten Strahl abgezogen wird.
Die optische Sonde 17 kann über die Oberfläche des Probenmaterials in der x-Richtung des Materials 141 geführt werden. Die Sonde 17 kann außerdem in senkrechten Richtungen bewegt werden, um dem Relief der Oberfläche zu folgen. Steuer- und Regeleinrichtungen (nicht gezeigt) können verwendet werden, um einen konstanten Photonenfluß in der optischen Sonde 17 aufrechtzuerhalten. Eine Überwachung des Photonenflusses und Halten dieses Photonenflusses auf einem konstanten Wert ermöglicht es, ein Profil der Oberfläche zu erhalten.
PSTM kann aus vielen Blickwinkeln als das Photonen-Äquivalent zu STM betrachtet werden. Es gibt zwei wichtige Messungen, die erhalten werden können. Die erste ist die Messung von Informationen betreffend die Topografie der Oberfläche des Probenmaterials in einem Nanomaßstab. Die zweite betrifft Informationen hinsichtlich der chemischen Beschaffenheit des Materials, das örtlich in Beziehung zu dem kritischen Abstand (da) und dem Brechungsindex (n) steht.
Es wurde berichtet, daß die laterale Auflösung und Genauigkeit von PSTM hauptsächlich durch die Abmessungen des Scheitelpunkts 171 der optischen Sonde 17 beeinflußt werden, wie in Fig. 6 gezeigt. Der Scheitelpunkt 171 ragt über die Meßspitze 172 der Sonde 17 hinaus. Der Abstand d(x) der Meßspitze 172 muß, in bezug auf eine Oberfläche eines Probenmaterials (nicht gezeigt) so angeordnet werden, daß er sich in einem ähnlichen Bereich befindet wie der Abstand mit dem der Scheitelpunkt 171 über die Spitze 172 hinausragt. Es hat sich gezeigt, daß die genaue Gestalt der Meßspitze 172 eine geringe Auswirkung auf die Auf fangausbeute hat. Daher ist es möglich, zu Rechenzwecken, die Meßspitze 172 als flach zu betrachten. Unter Verwendung dieser Approximation wurde die übertragene Intensität des gekoppelten Photonenflusses für PSTM-Glassysteme berechnet und außerdem für Halbleitersysteme im Nahinfrarot(NIR)-Bereich der Transparenz. Das letztgenannte Material ist aufgrund seines relativ hohen Brechungsindex ein besonderer Fall.
In den in den Fig. 3 und 4 gezeigten grafischen Darstellungen sind Beispiele angegeben, jeweils für n = 1,5 (Glasprobe und Meßspitze) und für n = 3,5 (Halbleiterprobe und Meßspitze) als Funktion des Abstands d(x) und des Einfallswinkels (θ) bei einer Wellenlänge von 1 um und einer Polarisation parallel zur Einfallsebene. Die Intensität (Amplitude) ist in beliebigen Einheiten angegeben. Es wurde beobachtet, daß, im Falle eines Halbleiters, der in Fig. 4 gezeigt ist, ein wesentlich kürzerer kritischer Abstand (dc) (durch die steileren Richtungskoeffizienten in Fig. 4 erkennbar) in einem Bereich von 10 nm oder weniger erreichbar ist. Dies ermöglicht eine höhere Auflösung und eine genauere Steuerung der Meßspitze 172. Es läßt sich daher schließen, daß PSTM eine Technik ist, die besonders gut für die Halbleiteranalyse geeignet ist, vorausgesetzt, daß die Sonde 17 (oder Antenne wie sie manchmal genannt wird) auch aus einem Halbleitermaterial (oder einem ähnlichen Material) gefertigt ist und einen hohen Brechungsindex (n) hat, so daß eine effiziente optische Kopplung gefördert wird. Einzelheiten einer derartigen Anordnung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 7a und 7b beschrieben.
Die meisten PSTM-Untersuchungen waren auf Glas oder ähnliche biologische Materialien (n = 1,5) gerichtet. Eine typische (Glas-) Lichtleitfaser ist ein äußerst brauchbarer Wandler. Eine allgemeine Darstellung eines Experiments ist in Fig. 5 gezeigt.
Bezugnehmend auf Fig. 5 ist ein Prisma 18 in optischer Verbindung mit einem Probenmaterial 19 gezeigt. Ein Luftspalt 21 trennt das Probenmaterial 19 von der Sonde 22. Ein Weg einer Welle λ ist durch den die Punkte A und B verbindenden Pfeil dargestellt. Die in der Sonde aufgezeichnete Intensität ist auf den Abstand d bezogen. Die Brechungsindizes n&sub1;, n&sub2;, n&sub3; und n&sub4; der Materialien 18, 19, 21 bzw. 22 sind wie dargestellt wie auch die Ausrichtung 61 des Strahleinfalls. Für gewöhnlich ist die Sonde 17 eine Lichtleitfaser, wobei n&sub4; = 1,5.
Eine Lichtleitfaser 23 ist genauer in Fig. 6 dargestellt, wobei ähnliche Teile dieselben Bezugsziffern wie in den vorhergehenden Figuren tragen. Die Lichtleitfaser 23 ist durch Warmziehen oder chemisches Ätzen verjüngt und ist mit einer Metallbeschichtung 24, die unter Vakuum aufgedampft wurde, verkleidet. Ein Scheitelpunkt 171 wird durch Ziehen der Faser 23 geformt, so daß ein Hals 171, ungefähr 20 bis 100 nm breit, erzeugt wird. Die Metallbeschichtung 24 wurde außerdem dazu verwendet, einen elektronischen STM-Betrieb gleichzeitig mit PSTM zu kombinieren.
Die Verwendung eines Halbleiters, wie etwa einer Siliziumnitrid(SiN)-Meßspitze, als Sonde, um PSTM-Messungen durchzuführen, wurde von N. F. von Hulst et al. in SPIE Conference Los Angeles, 1992, Vol. 1639, Seite 36, beschrieben. Es ist ein Experiment beschrieben, bei dem eine AFM-Einrichtung und eine SiN- Sonde (n = 2) zur Ermittlung eines FTIR-Signals verwendet werden. Dieses Experiment kombinierte wirkungsvoll PSTM-Messungen mit dem AFM-Betrieb.
Die vorstehend beschriebenen Techniken stellen spezifische Aspekte der Erfindung dar und zeigen zwei der Vorteile der Erfindung. Der erste Vorteil besteht darin, daß eine Anordnung von Halbleiter-Meßspitzen und integrierter Detektion eine verläßlichere Abbildung von Oberflächenreliefs erzeugt als bislang möglich und daher die intelligente Positionierung einer Meßspitze an einer gewünschten Stelle an der Oberfläche einer Probe ermöglicht. Der zweite Vorteil besteht darin, daß die optischen Lenkeigenschaften der Meßspitze die parallele Passage eines zweiten Lichtstrahls (mit einer Wellenlänge λ&sub2;, der sich von einem ersten Lichtstrahl mit den Wellenlängen λ&sub1; unterscheidet) zwischen einem externen System und einer Stelle auf einer interessierenden Oberfläche ermöglichen. Die Position auf der Oberfläche kann mit nanometrischer Präzision angegeben werden. Der Lichtstrahl kann in jede oder beide Richtungen gehen.
Nun wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5, 7a und 7b ein Beispiel für PSTM beschrieben. Um eine zufriedenstellende Auflösung und Steuerbarkeit bei PSTM bereitzustellen ist es erforderlich, die optischen Indizes des Prismas 18, der Probe 19 und der Sonde 22 aneinander anzupassen, wie oben in Fig. 5 gezeigt. Dies bedeutet, daß die Handhabung von Halbleiterproben die Verwendung einer Halbleitersonde erfordert. Dies kann durch eine Konfiguration ähnlich der von AFM-Meßspitzen erreicht werden, welche bereits dotiertes Silizium oder Siliziumnitrid (SiN) als Übertragungsmaterial verwenden. Diese besondere Lösung ermöglicht eine optionale Kombination der Sonde 22 mit einem optischen Leiter, einer Photodiode, einem Verstärker und sogar einem digitalen Signalprozessor (DSP) auf einem einzelnen Chip oder in einer kompakten Hybridanordnung.
Zur Bereitstellung einer Einrichtung zur zweckmäßigen Sammlung von Photonen kann eine Halbleitersonde angeordnet werden, die einen internen Brechungsindexgradienten ähnlich dem abgestuften Index einer Lichtleitfaser aufweist. Chemisches Ätzen oder Plasmaätzen ermöglicht die Herstellung von pyramidenförmigen oder konischen Halbleiter-Meßspitzen oder Kohlenstoff-"Super"- Meßspitzen mit einem spitzen Öffnungsende in einer Größenordnung von 10 nm.
Bezugnehmend auf die Fig. 7a und 7b wird eine optische Kopplung 222 für eine Meßspitze 221 entweder direkt (Fig. 7a) oder über ein Substrat 224 (Fig. 7b) an eine Photodiode 225 angeschlossen. Aufgrund des sehr hohen Brechungsindex von Halbleitern profitieren derartige Sondenspitzen 221 von einer sehr hohen Sammlungsausbeute und außerdem von einer sehr guten Einschließungs- und Lenkfähigkeit für Photonen im sichtbaren oder Nahinfrarot-Bereich (NIR). Diese Aspekte können durch die Anordnung einer internen Gradientenindexstruktur verbessert wer den. Die Sondenspitze 221 kann direkt in das Substratmaterial 224 (z. B. Silizium oder ein ähnliches Material) eingepaßt werden oder in Schichten mit geeignet angepaßten Brechungsindizes erzeugt werden. Die Sondenspitzen 221 können außerdem mit einer Metallverkleidung (nicht gezeigt) versehen werden, um Streulichtsammlung/-verlust zu verhindern. Die Anordnung der Sondenspitze 221, der optischen Leitung oder Kopplung 222, der Photodiode 225 und des Signalprozessors (nicht gezeigt) auf demselben Chip sehr nahe beieinander garantiert eine außergewöhnliche Umwandlungsausbeute des Sensors und sehr gute Rausch- und Dunkelstromimmunität. Die Materialien sind für das vorbeizuleitende Licht durchlässig. Fig. 7a zeigt eine Meßspitze, die unmittelbar auf einer Photodiode 225 ausgeformt ist. Fig. 7b zeigt eine Meßspitze, die entfernt von einer Photodiode 225 angeordnet ist, welche sich in einer umgekehrten Stellung befindet. Das Substrat 224 kann aus einem Halbleiterchipmaterial sein und einen optischen Träger oder einen Teil desselben bilden, wie in Fig. 9 gezeigt und nachfolgend beschrieben. Ein Dünnfilmfilter 223 ist dem System zugeordnet, um eine Wellenlängenselektion bereitzustellen.
Es wird nun erläutert, wie die Erfindung in technischen Anwendungen und insbesondere auf dem Gebiet der Nano-OEIC-Technik angewendet werden kann. Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Fig. 8 zeigt eine komplexere OEIC-Anordnung, die als bidirektionaler optischer Verbinder 283 ausgelegt ist. Ähnliche Teile in Fig. 8 tragen dieselben Bezugszeichen wie in den Fig. 7a und 7b. Doppelköpfige Pfeile stellen optische Verbinder dar, wohingegen einköpfige Pfeile die PSTM-Steuerverbindungen zeigen. Der Verbinder 283 stellt sicher, daß Licht in der Sondenspitze demselben Weg folgt wie der PSTM-Steuerstrahl 222. Dies ist schematisch in Fig. 8 dargestellt, wo doppelköpfige Pfeile bidirektionale optische Verbindungswege anzeigen. Die Bezugszeichen 281 und 282 bezeichnen jeweils optoelektronische Wandler für interne Signale und optische PSTM-Signale. Zeitvorgaben und andere Formen der Unterscheidung können für Licht jeder Wellenlänge (λ&sub1;, λ&sub2;, etc.) bereitgestellt werden. Des weiteren können unterschiedliche Wege unterschiedlichen Lichtwellenlängen zugeordnet werden.
Erfindungsgemäß können ein oder mehrere Eingänge und/oder Ausgänge zu oder von dem optischen Strahl 302 durch eine externe Kopplung 301 bereitgestellt werden. Die externe Kopplung 301 kann beispielsweise mittels einer Linse oder einer Lichtleitfaser (nicht gezeigt) erreicht werden. Licht kann außerdem durch interne Erzeugung (LED oder Halbleiterlaser) mit der/den speziellen gewünschten Wellenlänge(n) eingeführt werden. Fig. 8 zeigt eine Funktion der nanoskopischen Abbildung, die die PSTM- Sonde des Sensors ebenfalls ermöglicht. Diese besteht in der Positionierung und Steuerung der Sondenspitze 221 auf solche Weise, daß ein optischer Transfer mit der Probe erreicht wird. Es ist außerdem zweckmäßig, daß die Sondenspitze 221 gleichzeitig auch andere Informationen bereitstellt, z. B. durch Messung der Atom- oder Seitenkräfte oder des Elektronentunnelstroms. Ein optischer Transfer mit einer Probe kann die Form eines Signalweges haben, und zwar sowohl zur Probe hin als auch von ihr weg. Es kann beispielsweise eine Anordnung von Mikrolasern getestet werden, indem ein Einweg- oder Zweiweg-Signalweg zum optischen Transfer mit einem speziellen Mikrolaser eingerichtet wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 9 gezeigt, die einen Fernerfassungssensor zur Sammlung von Photonen zeigt. Die Sammlung von Photonen wird durch eine Vorrichtung bereitgestellt, die AFM-Vorrichtungen ähnlich ist. Eine Sondenspitze 30 wird von einem Seitenarm (oder Träger) 31 getragen, der als optischer Leiter dient. Der Seitenarm oder Träger 31 kann außerdem einen Strahlteiler (nicht gezeigt) umfassen, um die Photonen zu einer optoelektronischen integrierten Schaltung (OEIC - opto-electronic integrated circuit) 32 oder von ihr weg zu lenken. Ein Halbleitersubstrat 33 koppelt Photonen mit der OEIC 32 oder von ihr weg. Die Anordnung kann mit einem oder mehreren piezoelektrischen Stellgliedern (nicht gezeigt) verbunden sein. Eine externe optische Verbindung 34 ist außerdem bereitge stellt. Diese kann die Vorrichtung mit einer Lichtleitfaser, einer Linse oder einem Mikroskop (nicht gezeigt) verbinden.
Es ist wichtig, die unterschiedlichen optischen Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen auszuwählen und sie zu ihrer entsprechenden Schaltung hin oder von ihr weg zu lenken. Dieses optische Demultiplexen kann auf klassische Weise entweder durch einen parallel gefilterten Detektoren zugeordneten Strahlteiler, wie in Fig. 8 gezeigt, oder durch Kopplung des abklingenden Lichts zwischen integrierten Leitern, wie schematisch in Fig. 10 gezeigt, erreicht werden.
Die vorstehend beschriebenen Anordnungen können durch Anwendung herkömmlicher Halbleitertechniken hergestellt werden. Der Sensor widmet sich mehreren, gleichzeitig auszuführenden Aufgaben: erstens die PSTM-Abbildung einer Oberfläche oder einer unter einer Oberfläche gelegenen Fläche; zweitens die PSTM-Steuerung der dreidimensionalen Positionen der Sondenspitze an einer vorgegebenen Stelle; drittens gleichzeitige AFM oder STM oder eine anderweitige örtliche Messung; und viertens Sammlung oder Lieferung von Photonen an einer spezifizierten Stelle. Es versteht sich, daß nicht alle dieser Aufgaben in einer bestimmten Vorrichtung ausgeführt werden können.
Ein intelligenter optischer Sensor, z. B. ein Scanner, wird unter Verwendung herkömmlicher mikroelektronischer Techniken hergestellt. Er integriert unter Verwendung integrierter oder kompakter Hybridanordnungen mehrere Funktionen auf demselben Substrat. Die Anordnungen können einen Halbleiter umfassen, um eine AFM- oder PSTM-Abstandssteuerung bereitzustellen, wobei letztere eine Nahinfrarot-Wellenlängenbeleuchtung λ&sub1; verwendet; und/oder einen optischen Sensor, der in direkter Nähe der Sondenspitze angeordnet und auf die Wellenlänge λ&sub1; eingestellt ist; und/oder einen elektronischen Verstärker und Signalprozessor, welcher digital sein kann; und/oder eine Datentransferverbindung zur Bereitstellung der Möglichkeit künstlicher Intelligenz; und/oder eine parallele und wellenlängenentkoppelte optische Leitung, die einen optischen Transfer mit einer Wellenlän ge λ&sub2;, entkoppelt von einer unterschiedlichen Wellenlänge λ&sub1;, ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine optische Vorrichtung für die Telekommunikation und optische Computer. Optische Systeme sind besonders gut für die parallele Art der Datenverarbeitung, die bei Telekommunikationsgeräten oder optischen Computern verwendet wird, geeignet. Derartige Matrixorganisationen von Flächeneinrichtungen erfordern kleine aber zahlreiche identische nanometrische Bauteile, wie etwa Modulatoren, bistabile Resonatoren oder flächenemittierende Laser. Sie sollen als Schlüsseleinrichtungen für die Signalkommunikation (asynchrones Zeitmultiplexen) oder für programmierbare Matrixanordnungen von optischen Speichern dienen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung bereitzustellen, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung und individuellen Prüfung von Bauteilen in Position und/oder Programmierung derartiger komplexer Systeme von Flächen-Nanoeinrichtungen umfaßt, nicht aber auf diese beschränkt ist.
Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft die Replikation von Flächeneinrichtungen in einem hohen Maßstab der Integration, wobei es zwingend erforderlich ist, eine gute Reproduzierbarkeit der Morphologien bereitzustellen. Flächenemittierende Laser erfordern beispielsweise eine präzise Bemusterung, um eine Sperrung der lateralen Wellentypen zu erreichen. Nanolithografie, die für gewöhnlich mittels Elektronstrahl-Röntgenstrahlen oder eines fokussierten Ionenstrahls (FIB - Focussed Ion Beam) durchgeführt wird, erfordert eine genaue Steuerung, ebenso wie die Transfertechnologien, wie etwa Lift-off, reaktive Ionenstrahlen (RIE), örtliche Implantation und Diffusion. Es ist beispielsweise bekannt, daß Quantenverbindungen durch verbliebene Harzmoleküle beeinträchtigt werden, welche Grenzfluktuation in den Abmessungen verursachen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, zur Verhinderung derartiger Defekte beizutragen, indem Einrichtungen bereitgestellt werden, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Detektion und zum örtlichen Betrieb umfassen, nicht aber auf darauf beschränkt sind.
Ein drittes Ausführungsbeispiel betrifft neue mesoskopische Einrichtungen, die vor kurzem entwickelt wurden, wie etwa mesoskopische Metallringe, Interferometer, Josephson-Dioden, Couloumb-Sperranordnungen, Einzelelektronentransistoren oder sogar magnetische SQUIDSs (Quanteninterferometer) oder Mikroanordnungen, die Hoch-Tc(Curie-Temperatur)-Leiter verwenden. Sie alle benötigen Mikrobearbeitung, Mikrosteuerung und vor allem eine Mikroverbindung (z. B. optische Mikrohohlraumresonatoren) für ihre Verbindung mit der Außenwelt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung bereitzustellen, die ein Verfahren und eine Vorrichtung für neuartige experimentelle Physik in einem Nanomaßstab der Quantenelektronik umfaßt, nicht aber darauf beschränkt ist.
Eine derartig komplexe Anordnung muß soweit möglich automatisiert werden. Eine entsprechende Signal- und Datenverarbeitung muß entworfen und eine spezialisierte Software für jeden Fall programmiert werden, was für Fachleute offensichtlich ist. Dies kann eine Ferncomputerverarbeitung erfordern, auch wenn ein gewisser niedriger Grad an Steuerung und Regelung auf spezifizierten digitalen Signalverarbeitungseinrichtungen (DSP - Digital Signal Processing), die auf dem Chip integriert sind, durchgeführt wird. Eine derartige Signalverarbeitung kann erreicht werden durch die üblichen Computertechniken der Bildverarbeitung, Datenfusion, unklaren Logik, um so den Sensor zu spezialisieren und "intelligent" zu machen.
Die vorstehend beschriebenen Sensoren können Photonen mit sehr hoher räumlicher Genauigkeit sammeln (oder abgeben), um eine hochauflösende optische Verbindung zu bewirken. Der Sensor verwendet eine Atommikroskop(AFM)-Standardmeßspitze, um Photonen zu oder von einer genauen Stelle auf einer Oberfläche zu oder von einem optoelektronischen Detektor oder Emitter zu lenken. Der Detektor oder Emitter kann mit einem zugeordneten elektronischen Schaltungsaufbau ausgestattet sein, der zur Signalverarbeitung, wie etwa Verstärkung, Digitalisierung, digitalen Verarbeitung oder anderen Arten der künstlichen Intelligenz, dient. Es wird nun kurz auf die Fig. 11 bis 17 Bezug genommen sowie auf verschiedene Herstellungstechniken des Sensors.
Standard-AFM-Meßspitzen werden derzeit in zwei Kategorien eingeteilt. Erstens Siliziumoxinitrid(SiN)-Pyramiden, die durch organometallische chemische Dampfabscheidung (OMCVD - Organo- Metallic Chemical Vapour Deposition) in einer Siliziumform erhalten werden. Dies ist schematisch in Fig. 11 dargestellt. Zweitens haben Siliziumspitzen sehr ausgeprägte Merkmale, die durch chemische Erosion oder Plasma-Erosion erhalten werden können.
Entgegen der früheren Auffassung können SiN-Wände von pyramidenförmigen Meßspitzen, die bei AFM verwendet werden, eine abklingende Welle an ihrer Oberfläche in einen fortschreitenden Photonenwellentyp umwandeln, wodurch die Richtung der Bewegungsenergie der Photonen erhalten wird. Diese spezielle Eigenschaft ermöglicht es, mittels verschiedener optischer Wege Photonen selektiv zu verschiedenen optischen Detektoren hin oder von ihnen weg zu lenken. Ein Beispiel dafür ist der Weg, der verschiedenen Armen eines Trägers 40 entspricht, welcher eine pyramidenförmige Meßspitze 42 abstützt. Der intelligente optische Scanner kann dann in einen bidirektionalen Multikanalsensor gespalten werden, das heißt ein Doppelkanalsystem kann leicht durch die zwei, Standardmeßspitzen verwendenden Arme organisiert werden. Ein Beispiel ist schematisch in Fig. 12 gezeigt.
Fig. 11 zeigt allgemeine Merkmale einer AFM-Sonde 110, die aus einer SiN-Schicht geformt ist. Die Sonde 110 hat eine Spitze 112, die am Ende eines zweiarmigen 114, 116 Trägers 118 angeordnet ist. Der Träger 118 ist an einem Substrat 120 unter Ver wendung eines geeigneten Haftmittels befestigt. Das Substrat (nicht gezeigt) kann aus einem Material namens PYREX (Marke) gefertigt sein.
Die pyramidenförmige Gestalt der Sondenspitze 110 wird durch die folgenden Schritte erhalten:
i) Ein Siliziumwafer wird mit einer Maske (nicht gezeigt) mit begrenzenden quadratischen Fenstern (typischerweise 5 um breit) ausgestattet. Ein Ätzvorgang wird durchgeführt, durch den selektiv die [111] Ebenen freigelegt werden, wodurch eine pyramidenförmige Höhlung erzeugt wird, deren Innenflächenwinkel 57º beträgt.
ii) Harz wird entfernt und die Siliziumoberfläche mit einer SiN-Dünnfilmschicht (typischerweise 0,8-1 um dick) beschichtet, wo der Träger 118 bemustert ist. Die pyramidenförmige Höhlung wirkt als Formwerkzeug. Die Wände der Form werden mit der SiN-Schicht beschichtet.
iii) Ein PYREX(Marke)-Substrat wird an der Außenfläche der pyramidenförmigen Form als Probenhalter befestigt, wobei das Siliziumsubstrat anschließend chemisch aufgelöst wird.
Bei seinen jüngsten Arbeiten hat der Erfinder ein Photonentunnelmikroskopieexperiment durchgeführt, das in Fig. 13 gezeigt ist, in der ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen tragen, wobei eine AFM-SiN-Meßspitze (gefertigt entsprechend den obigen Schritten) als Photonenwandler verwendet wurde. Es war bereits bekannt, daß eine derartige Meßspitze eine abklingende Welle in einen fortschreitenden Wellentyp umwandeln kann, der aus der Rückseite eines Trägers 118 in einer senkrechten Richtung heraustritt. Der Erfinder hat entdeckt, daß ein gelenkter Wellentyp ebenfalls in den Wänden der Meßspitze 112 vorhanden war, so daß ein starker Emissionswellentyp aus einer Seite des Trägers 114 beobachtet wurde. Dies fand ungefähr in der anfänglichen Richtung des Strahles und ebenfalls durch die Seitenfläche des Trägers 118 statt. Dieses Merkmal der Erfindung, das die Rich tungslenkeigenschaft nutzt, um Photonen in der Meßspitze 112 selektiv zu dem einen oder anderen Seitenarm 114 oder 116 des Trägers 118 zu übertragen (abhängig von der anfänglichen Richtung des einfallen Photons), ermöglicht es der Meßspitze 112 als Doppelkanalübertragungssystem zu wirken. Die optische Übertragung jedes Kanals (oder Arms) 114 oder 116 ist bidirektional.
Die Lichtabgabe von der Meßspitze 112 an das Substrat 120 kann, wie auch das Auffangen, in dem umgekehrten Prozeß durchgeführt werden. Auf ähnliche Weise kann, wenn gewünscht, ein derartiger Sensor sogar mit mehr als zwei Kanälen ausgeführt werden. Das Ziel besteht darin, aufgefangene Photonen vorherrschend zu den Armen 114 und 116 des Trägers 118 zu lenken. Das bedeutet, daß die einfallenden Strahlen in dem Substrat 120 zweckmäßig gelenkt werden müssen, und zwar auf solche Weise, daß sie in eine entsprechende Meßspitzenwand in eine zweckmäßige Richtung übertragen werden könnten. Für eine bessere Übertragungsausbeute und eine Begrenzung des Lichtverlustes ist es vorteilhaft, die Sondenspitze wie in den Fig. 13 und 14 gezeigt auszurichten.
Eine mögliche Umsetzung ist in Fig. 14 gezeigt. In dieser Anordnung wurde die Spitze der Pyramide um 90º in eine Richtung der horizontalen Ebene senkrecht zur Ebene der Figur der Pyramide gedreht, um die Wände 220 und 222 gleichmäßig auf den rechten 116 und dem linken 114 Arm des Trägers zu richten, was den Lenkbetrieb einfacher macht. Bei dieser Umsetzung spielen beide Arme 114 und 116 die Rolle von unabhängigen optischen Leitern zwischen der Spitze und den Emittern und Detektoren der unabhängigen, optoelektronischen integrierten Schaltungen 140 und 142.
Die Anordnung gemäß den Fig. 13 und 14 ermöglicht es, über die Meßspitze 112 unter Verwendung von zwei (oder möglicherweise mehr) unabhängigen bidirektionalen Kanälen eine optische Verbindung einzurichten, wodurch ein Multiplexen der parallelen optischen Verbindungen zwischen der nanoskopischen und der makroskopischen Welt ermöglicht wird. Es kann beispielsweise ein Kanal zur Positionssteuerung der Meßspitze verwendet werden, während der andere Kanal dafür verwendet wird, gleichzeitig Informationen zu übertragen, möglicherweise sogar mit derselben Wellenlänge, d. h. λ&sub1; = λ&sub2;.
Optische Rastertunnelmikroskopie (STOM - Scanning Tunnelling Optical Microscopy) löst das Problem des Erhaltens von Informationen von einer Oberfläche und einer unter einer Oberfläche liegenden Fläche bei transparenten Materialien. Ein in das Material eingeleiteter und an der Oberfläche vollständig intern reflektierter (TIR - Totally Reflected Internally) Lichtstrahl stellt eine nicht fortschreitende abklingende Welle an einer Außenfläche bereit. Eine dielektrische Sonde kann dann im Nahfeldbereich angeordnet werden, wie in Fig. 1 gezeigt, wobei die Atomkopplung mit diesem elektromagnetischen Feld einen fortschreitenden Wellentyp in dem dielektrischen Medium der Sonde bewirkt. Die Reflexion wird als "gehemmt" (FTIR) bezeichnet. Für gewöhnlich ist die Sonde einfach eine sich verjüngende optische Glasfaser, wie beispielsweise in Fig. 6 gezeigt. Kürzlich haben von Hulst et al. und Andere in "Applied Physics Letters", Vol. 62, No. 5, 1. Februar 1993, New York, USA, Seiten 461-463, über die Verwendung einer Siliziumnitrid(SiN)- Atommikroskopie(AFM)-Nadel zum Auffangen eines abklingenden Feldes berichtet. Derartige Sonden nähern sich auf zweckmäßige Weise stetig der Probenoberfläche, da sie auf einem flexiblen Träger getragen werden. Gleichzeitig stellen der relativ hohe Brechungsindex (n = 2,1) und die Transparenz des Materials aus dem sie geformt sind eine zufriedenstellende Lichtübertragung bereit.
Im Handel erhältliche pyramidenförmige (SiN)-AFM-Meßspitzen ermöglichen es, das PSTM-Experiment mit einer räumlichen Auflösung von 50 nm oder weniger durchzuführen und AFM-Daten während desselben Scanvorgangs zu erhalten. Ein Experiment mit einem derartigen System ist nachfolgend beschrieben.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung hat nur einen Arm und einen bidirektionalen Vierkanal-Koppler 600 und ist allgemein in Fig. 15 und detaillierter in Fig. 16 dargestellt. Vier kleine OEICs 602, 603, 604 und 605 (sowie Lichtdetektoren oder -emitter) sind nahe der Spitze 606 auf solche Weise angeordnet, daß sie sich auf den optischen Wegen befinden, die jeder der vier Wände der pyramidenförmigen Spitze 606 entsprechen. Es ist ausreichend Platz vorhanden, um derartige Einrichtungen am Ende des Trägers 607 anzuordnen, der eine ein- oder mehrarmige Einrichtung umfassen kann. Bei dieser Konfiguration wird der oder jeder Arm nicht als Lichtleiter verwendet, seine Rolle besteht vielmehr darin, ein Bündel elektrischer Verbindungen 608, 609, 610 und 611 oder auch eine Kombination von sowohl optischen als auch elektrischen Verbindungen zu tragen.
Die elektrischen Leitungen von den OEICs 602, 603, 604 und 605 zur Substratschaltung, welche ein DSP sein kann, oder zu einer Verbindung mit externen Einrichtungen können durch Verwendung aufgedampfter metallischer oder ionenimplantierter Leiterlinien erhalten werden. Ein derartiger Optokoppler nutzt vier unabhängige optische Wege, die beispielsweise gleichzeitige Multiwellenlängen-PSTM oder jedwede Kombination von optischen Verbindungen, wie vorstehend beschrieben, zulassen. Andere Einrichtungen, die angeschlossen werden können, umfassen örtliche photolumineszente Einrichtungen (Erregung plus Detektion) und/oder optische Werkzeuge für die Biologie, wie etwa Abbildung, optische Pinzetten oder Scheren.
Optisches Übersprechen zwischen Kanälen kann durch zweckmäßige optische Sperren im Großteil des den oder jeden Arm bildenden Materials begrenzt werden. Dies umfaßt Gräben, Implantation von Ionen, die die Absorption von Photonen bewirken, oder optische Indexveränderungen.
Die optischen und elektrischen Schaltungen eines derartigen intelligenten Sensors können mit der piezoelektrischen Eigensteuerung der Biegung der Trägerarme gekoppelt werden.
Licht kann durch einen oder mehrere der Kanäle bereitgestellt und von der Oberfläche der Probe reflektiert und anschließend durch einen anderen Kanal wieder aufgefangen werden, wie in Fig. 17 andeutungsweise skizziert.
Die vorstehend beschriebenen Konfigurationen können in unterschiedlichen Situationen, wie etwa in der optischen Nahfeldmikroskopie, der hochdichten Datenspeicherung, Nanotechnologien, der optischen Kommunikation und optischen Computern, eingesetzt werden.
Die abklingende Nahfeldintensität in dem freien Raum oberhalb einer flachen Oberfläche eines Dielektrikums wird traditionell durch die Exponentialgleichung beschrieben:
I(d) = Io e -(dd/dc) = Io e -(d/dc) Gl. 1
wobei d der Abstand zur Oberfläche und ein kritischer Abstand, λ die Wellenlänge, n der Brechungsindex und θ der innere Einfallswinkel ist.
Die physikalischen Umstände bei PSTM sind aufgrund verschiedener Störungen komplexer als durch die Gleichungen 1 und 2 angedeutet.
Das Vorhandensein eines dritten Mediums zur Photonensammlung im Nahfeld nahe der Oberfläche führt eine Abweichung in den Exponentialbereich ein. Die Intensität einer rekonstruierten fortschreitenden Welle kann bei unendlichen ebenen Flächen mit Hilfe der Maxwell-Gleichungen berechnet werden. In diesem Fall kann auch der asymptotische Exponentialbereich unter einem großen Abstand (d > dc) beobachtet werden (wie in Fig. 18 ge zeigt), sofern die Detektion empfindlich genug ist. Der Anfangswert T&sub0; kann aus einem halblogarithmischen Diagramm extrapoliert werden, wobei sein Wert größer, in der Kurve (a), oder kleiner, in Kurve (b), als 100% sein kann, abhängig von n und der Polarisation, wie durch Computersimulationen gezeigt wurde.
Es hat sich außerdem gezeigt, daß die Reliefriffelung zu äußerst komplexen dreidimensionalen Kombinationen des abklingenden Feldes und außerdem zu falschen fortschreitenden Wellentypen an Stellen führen kann, an denen der kritische Einfall für TIR nicht beachtet wird. Zur Vermeidung derartiger Schwierigkeiten wurde angenommen, daß die Oberflächen zufriedenstellend flach sind.
Die Form und Größe der Sondenspitze muß beachtet werden. Die Meßspitze ist ein Gegenstand, der kleiner als die Wellenlänge und weit von der unendlichen ebenen Approximation entfernt ist. Nichtsdestotrotz hat es sich gezeigt, daß die Abweichung der experimentellen Ergebnisse im allgemeinen nicht so dramatisch ist wie man erwarten könnte. Bei Beachtung all dieser Beschränkungen, bietet das Auffangen der abklingenden Welle durch eine dielektrische Meßspitze auf klassische Weise zwei unterschiedliche Erklärungen an. Erstens wird die Meßspitze als ebene dielektrische Schnittstelle betrachtet, die dem Satz der makroskopischen Maxwell-Gleichungen gehorcht. Zweitens wird die Meßspitze als Streuungspartikel, das kleiner als die Wellenlänge ist, (dipolare Mie-Streuung) betrachtet, wobei isotropische Emission (Nah- und Fernfeld) teilweise im Scheitelpunkt der Meßspitze gesammelt wird. Diese verschiedenen Umstände sind tatsächlich nicht so eindeutig und das Auftreten anderer unbekannter Phänomene hat kürzlich dazu aufgefordert, inkonsistente experimentelle Ergebnisse zu erklären.
Die schematisch in Fig. 19 gezeigte experimentelle Anordnung umfaßt ein halbzylindrisches Glasprisma 500 (n = 1,517), dessen Oberfläche direkt als zu prüfende Probe verwendet wird. Licht wird durch einen HeNe-Laser 502 (λ = 0,633 um und 1,5 mW) be reitgestellt und die pyramidenförmige Meßspitze 504 ist ein Standard-SiN-Produkt der Firma TOPOMETRIX.
Obwohl die PSTM-Technik ursprünglich erfunden wurde, um eine superauflösende Reliefabbildung bereitzustellen, scheint es, daß bei Reliefriffelung sehr starke Störungen im Nahfeld auftreten. Im vorliegenden Fall wurde sehr darauf geachtet sicherzustellen, daß die Oberfläche unter den experimentellen Bedingungen ausreichend flach war.
Phasenschrittmikroskopie(PSM)-Bilder, gezeigt auf der VDU (visuelle Anzeigeneinrichtung) 506, wurden von der Oberfläche des Prismas 500 erhalten. Sie zeigen, daß die beobachteten Reliefmerkmale ein Höhe/Länge-Verhältnis ergeben, das größer als 100 ist, was ein zweckmäßiger Bereich ist, um fortschreitende PSTM- Wellentypartefakte zu vermeiden.
Die Flächenwinkel der hohlen pyramidenförmigen Meßspitze 504 betragen 55º. Die Dicke einer chemisch aufgedampften SiN- Schicht beträgt 1 um. Die Federkonstante des Trägers 508 beträgt 0,064 N/m und der Meßspitzenradius ist geringer als 50 nm. Die AFM-Sonde ist klebend an einem Probenhalter, dem ein piezoelektrisches Stellglied zugeordnet ist, durch den Pfeil A angezeigt, unter einem Winkel von 15º befestigt. Die Rückseite der Meßspitze 504 wird mit einer CCD-Kamera 512 ohne automatische Ertragssteuerung beobachtet. Die Kamera 512 wurde sorgfältig kalibriert. Die Bildprozessoreinheit 514 ermöglicht den Erhalt von Daten.
Der Einfallswinkel θ wurde so gewählt, daß θ = 46º, um größer als die FTIR-Grenze zu sein, jedoch auch klein genug, um keine falsche Streuung von der Oberfläche zu bewirken und eine hohe Laserintensität auf der Oberfläche beizubehalten. Die entsprechende Dämpfungslänge ist dc = 265 nm. Zwei Experimente wurde durchgeführt. Sie sind nachfolgend beschrieben.
Das erste Experiment betrifft die übertragene Intensität als Funktion des Meßspitze/Oberfläche-Abstands. Ein piezoelektri sches Stellglied ermöglicht die Verschiebung der Meßspitze in bezug auf das Prisma, der genaue Meßspitze/Probe-Abstand hängt jedoch von mehreren unkontrollierten Parametern ab. Sie umfassen: piezoelektrische Elementhysterese, Trägerbiegung, verursacht durch die Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Ladungen, und/oder die Strahlungskraft der abklingenden Welle. Dennoch rechnet man damit, daß derartige Störungen, die in einem Abstandsbereich von 0-50 nm groß sein können, die Richtungskoeffizientmessungen bei einem Abstand von d > 250 nm nicht merklich beeinflussen.
Jeder Meßsatz wurde durch Nähern der Meßspitze an die Oberfläche durchgeführt. Nach Berührung der Oberfläche des Prismas 500 haftet die Meßspitze 504 an einem Wasserfilm (nicht gezeigt) und es ist mühsam, sie zu entfernen. Das Objektiv (X3,2) wird unter einem solchen Abstand angeordnet, daß seine Öffnung von der Rückseite der Meßspitze 504 unter einem Winkel von weniger als 20º betrachtet wird. Die Vergrößerung ermöglicht es, ein Bild der die Meßspitze 504 abstützenden Pyramidenbasis zu erhalten (4 · 4 um), und zwar über eine interessierende Fläche (AOI - Area Of Interest) von 3 · 3 Pixel. Die Intensitäten (256 Graupegel) wurden integriert. Die Dunkelstromverschiebung wird auf klassische Weise von einem Fernplateau erhalten und von den Daten abgeleitet, um die tatsächliche Intensität zu erhalten.
Ein Vorteil beim Auffangen übertragenen Lichts mit einer Fernkamera anstelle einer Lichtleitfaser beruht im wesentlichen auf dem Fernbetrieb, der verhindert, daß Interferenzen zwischen der Meßspitze 504 und einem CCD-Sensor auftreten. Dadurch wird außerdem eine engere Winkelauflösung bei der Beobachtung bereitgestellt.
Das zweite Experiment erforderte es, daß die Kamera 512 in der Einfallsebene um die Meßspitze 504 gedreht wurde, um sie auf das Zentrum des Bildes fokussiert zu halten, wodurch ein konstanter Abstand zwischen der Meßspitze 504 und der Kamera 512 aufrechterhalten wurde. Das Flußverhältnis des Poyntingschen Vektors an dem Kamerasensor (0º-Richtung) zu dem des Lasers 502 an der Prismaoberfläche 500 betrug, wie sich herausstellte, 1 : 10&sup5;. Der Laser 502 zeigt an der Prismaoberfläche 500 zweckmäßig einen Sammlungsquerschnitt in einem Bereich von (50)² nm² an der Meßspitze 504 der Pyramide an. Der maximale Rotationswinkel, der auf beiden Seiten durch die Kamera erreichbar ist, beträgt 60º.
Die Amplitude der extrapolierten Exponentialverschiebung T&sub0; wurde errechnet. Im vorliegenden Fall wurde der Brechungsindex n = 1,517 im Prisma 500 verwendet, der sich von dem in der Sondenspitze 504 unterscheidet, wo n' = 2,1. Die Berechnung wurde modifiziert und ergab schließlich die nachfolgend in Gleichung 3 ausgedrückte Formel.
wobei p = ± 1, abhängig von der s- bzw. p-Polarisation.
Aus dem Diagramm gemäß Fig. 20 ist ersichtlich, daß der hohe Index in der Sonde merklich den Koeffizienten T&sub0; bei beiden Polarisationen verändert. Einige Veränderungen können anhand der 1(d)-Kurven in dem Bereich 0 < d < dc vorausgesehen werden, sogar wenn der weiter entfernte logarithmische Richtungskoeffizient immer noch unbeeinträchtigt bleibt.
Bei intensitätsabhängiger Beobachtung in bezug auf die Abstände wurde die Kamera 512 bei 0º oberhalb der Meßspitze 504 angeordnet. Der Abstand d wird verändert und das Bild aufgezeichnet. Die Rückseite des Trägers 508 zeigt an der Meßspitzenposition einen hellen Punkt, der nachfolgend mit P1 bezeichnet wird. Die geringe Vergrößerung erlaubt keine Bestimmung, ob das Licht von dem Zentrum der Höhlung oder von den Seitenwänden ausstrahlt.
Es wurde ebenfalls festgestellt, daß eine p-Polarisation eine wesentliche hellere Übertragung als eine s-Polarisation ergibt.
Die Daten wurden auf einen 100%-Pegel, entsprechend dem optischen Kontakt (d = 0), normalisiert. Sie sind in einem halblogarithmischen Diagramm in Fig. 21 in einer Skala mit beliebigen Abständen gezeigt. Es wurde beobachtet, daß der theoretische Richtungskoeffizient (dc = 265 nm) brauchbar mit den experimentellen Daten übereinstimmt. Der in dem Diagramm dargestellte Top-Pegel ermöglicht die Bestimmung der Position des Punktes d = 0 auf der Abstandsskala. Um andere Daten von anderen Experimenten in demselben Diagramm unterzubringen wurde ein ähnlicher Arbeitsvorgang an den Daten durchgeführt, wobei jede grafische Darstellung seitlich verschoben wurde, um asymptotische Richtungskoeffizienten in Koinzidenz zu bringen, wodurch ein gemeinsamer Ursprung (d = 0) an einem festen Punkt auf der Abstandsskala eingerichtet wurde.
Es wurde eine gute Übereinstimmung mit errechneten Vorhersagen und dem makroskopischen, halbunendlichen, dielektrischen Auffangen mittels des klassischen Brechungsmodels festgestellt, sogar wenn die Abstandsskala nicht genau in dem Bereich von d > 50 nm liegt. Dies ist auf die vorstehend genannten Gründe der Trägerbiegung zurückzuführen. Es lohnt sich außerdem zu beachten, daß die s-Polarisation definitiv nicht mit den tatsächlichen Ergebnissen verwechselt werden sollte.
Fig. 21 zeigt außerdem die Ergebnisse, die mit der Kamera 512 erhalten wurden, welche 33º und 45º gegen den Uhrzeigersinn (zum Strahl hin) gedreht wurde. Es wird ein starker Anstieg in der Übertragung festgestellt, wenn die Kamera 512 gedreht und die Abstandsabhängigkeit erneut gemessen wird. Die Veränderung der Intensität mit dem Abstand bleibt immer noch unverändert. Dies zeigt, daß das Licht nicht von einer verstreuten Sammlung ausgestrahlt wird, sondern von dem FTIR-Betrieb in der Meßspitze 504. Eine naheliegende Erklärung dafür ist, daß es die Innenwände der Meßspitze sind, die aufgefangenes Licht lenken bis es die Außenfläche des Trägers erreicht, wie in Fig. 22 gezeigt.
Eine weitere Beobachtung bei derartigen Drehpositionen der Kamera 512 ist das Auftreten eines zweiten hellen Punktes (P2), der sich an der Kante des Trägers in der Einfallsebene befindet, wie in Fig. 22 dargestellt. Diese Lichtquelle ist nur bei der s-Polarisation aktiv und ihre Intensität variiert, wie erwartet, mit dem Abstand. Die Lichtquelle entspricht Photonen, die in dem Träger 508 von der Meßspitze zum linken Abschnitt gelenkt werden.
Die Winkelabhängigkeit übertragenen Lichts tritt auf, wenn die Kamera 512 von der 0º-Position auf beide Seiten gedreht wird. Beide Punkte P1 und P2 verschwinden auf der rechten Seite (im Uhrzeigersinn), während P1 auf der linken Seite heller wird und Punkt P2 auftaucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 23 in einem Winkeldiagramm gezeigt. Zwei Meßreihen werden entsprechend zwei verschiedenen Meßspitze/Probe-Abständen (A : d 200 nm; B : d 0) und unter verschiedenen Polarisationsbedingungen durchgeführt.
Zusätzlich zur axialen Emission zeigt P1 eine große Schleife in der 40º-60º-Richtung, die der brechungskorrigierten Wandrichtung (25º-35º) entspricht. Die p-Polarisation wird bevorzugt über den gesamten Winkelbereich übertragen. Ebenso zeigt P2 zwar keine axiale Emission, aber eine große Schleife, die bei großen Winkeln immer intensiver wird. In letzterem Fall wird die p-Polarisation wahrscheinlich aufgrund der internen Reflexionen nicht übertragen.
Aufgrund der vorstehenden Beobachtungen lautet eine erste Schlußfolgerung, daß die übertragenen Photonen von der Umwandlung der abklingenden Wellen in der Meßspitze 504 ausstrahlen. Die Abstandsabhängigkeit entspricht dem üblichen makroskopischen Brechungsmodel relativ gut. Ein zweiter Punkt ist, daß nur die laterale Übertragung, in der linken Seitenwand, andeutet, daß die Bewegungsenergie der Photonen in dem von den Pho tonen erfahrenen Tunneleffekt zufriedenstellend erhalten bleibt. Es kann, dann abgeleitet werden, daß die Meßspitzenumwandlung keinen Dominantpunktstreumechanismus umfaßt, der isotropisch sein sollte. Dieser Punkt hätte mit einer unidirektionalen zylindrischen Lichtleitfaser nicht direkt enthüllt werden können.
Es lohnt sich außerdem zu beachten, daß die bevorzugte Richtung der fortschreitenden Wellentypen, die in der dielektrischen Nadel erzeugt werden, dieselbe ist wie die Richtung der Strahlungskraft, die von Gegenständen, die kleiner als die Wellenlänge sind, erfahren wird, die in einem abklingenden Strahlungsfeld angeordnet sind. Diese bevorzugte Richtung der Photonenbewegungsenergie ist auch für das Brechungsmodel typisch, trotz der unterhalb der Wellenlänge liegenden Größe der Meßspitze 504.
Die Intensität des von einer SiN-AFM-Sonde übertragenen Lichts, welche in einer PSTM-Konfiguration verwendet wird, wurde von verschiedenen Übertragungswinkeln aus beobachtet. Es hat sich gezeigt, daß, zusätzlich zu einer axialen Intensitätsschleife, auch in der Richtung der Meßspitzenwände und selektiv an der Seite, die längs der Strahlrichtung ausgerichtet ist, eine starke Intensität auftritt. Die Abhängigkeit dieser Intensitäten von dem Abstand stimmt mit dem makroskopischen Auffangmodel einer ebenen abklingenden Welle durch ein halbundendliches dielektrisches Medium überein. Der Streubeitrag der Meßspitze scheint in dieser experimentellen Situation vernachlässigbar. Es wurde ebenfalls beobachtet, daß die fortschreitenden Wellentypen durch die Wände der Meßspitze effizient zur Seitenkante des Trägers 508 gelenkt werden.
Es versteht sich, daß die vorstehenden Ausführungsbeispiele nur beispielhaft beschrieben wurden und Abwandlungen derselben innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung zulässig sind.

Claims

1. Optischer Sensor umfassend:

- eine Lichtquelle mit vorgegebener Wellenlänge;

- eine Sonde (17, 22, 110) mit einer Meßspitze (42, 112, 221, 606), wobei die Meßspitze (42, 112, 221, 606) Abmessungen aufweist, die hinsichtlich der vorgegebenen Wellenlänge zum Auffangen von Licht der Lichtquelle von einer interessierenden Oberfläche (19) im Nahfeldbereich (12A) der Meßspitze (42, 112, 221, 606) gering sind, wobei die Meßspitze (42, 112, 221, 606) Wände (220, 222) zum Lenken des aufgefangenen Lichts aufweist;

- einen Träger (40, 118, 607) zum Abstützen der Sonde (17, 22, 110);

- einen ersten Detektor (225; 281; 602, 603, 604, 605), der auf einem Substrat (33, 120, 224) integriert ist, wobei der erste Detektor (225; 281; 602, 603, 604, 605) so angeordnet ist, daß er das Licht aufnehmen kann, das von einer ersten Wand (220, 222) der Meßspitze (42, 112, 221, 606) in Richtung der ersten Wand (220, 222) gelenkt wird,

gekennzeichnet durch

- eine externe Verbindung (34, 301), die so angeordnet ist, daß sie Licht aufnehmen kann, das von einer zweiten Wand (222, 220) der Meßspitze (42, 112, 221, 606) in Richtung der zweiten Wand (222, 220) gelenkt wird.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, wobei die Sonde (17, 22, 110) aus einem Halbleitermaterial gefertigt ist, das bei der vorgegebenen Wellenlänge lichtdurchlässig ist.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1, der ferner einen Analog/Digital-Konverter und einen digitalen Signalprozessor umfaßt, wobei das Substrat (33, 120, 224) einen Verstärker umfaßt.

4. Atommikroskop umfassend einen Sensor nach Anspruch 1 oder 2 sowie ferner eine Einrichtung zum Steuern der Position der Meßspitze (42, 112, 221, 606) bezüglich einer interessierenden Oberfläche, einen Analog/Digial-Konverter und einen digitalen Signalprozessor, wobei das Substrat (33, 120, 224) einen Verstärker umfaßt.

5. Scanner umfassend einen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sowie eine Einrichtung zum Steuern der Position der Meßspitze (42, 112, 221, 606) zum Liefern und/oder Ermitteln eines optischen Signals an einer vorgegebenen Position und zu einem vorgegebenen Zeitpunkt.

6. Mikroroboter zum Instellungbringen eines optischen Leiters umfassend einen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3.

7. Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Beobachten, Erkennen oder Identifizieren nanoskopischer Reliefstrukturen, wie etwa Kämme, Rillen und tafelförmige Erhebungen eines Gegenstandes.