DE69736449T2

DE69736449T2 - Abtastvorrichtung, Herstellungsverfahren derselben und Rasterabtastmikroskop

Info

Publication number: DE69736449T2
Application number: DE69736449T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Chiba-shi Muramatsu; Noritaka Chiba-shi Yamamoto; Norio Chiba-shi CHIBA; Kunio Chiba-shi NAKAJIMA
Original assignee: SII NanoTechnology Inc
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 1996-04-09
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2017-03-07
Also published as: EP0801318B1; CA2200992A1; DE69736449D1; EP0801318A3; JP2903211B2; EP0801318A2; US5960147A; JPH10104244A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sonde, welche in einem Nahfeld-Rastermikroskop verwendet wird, bei dem es sich um ein Abtastsondenmikroskop handelt, und welches angepasst ist, um die optischen Eigenschaften einer zu messenden Substanz in einem winzigen Bereich hiervon zu messen, eine Sonde, welche in einem atomaren Kraftmikroskop verwendet wird, bei dem es sich auch um ein Abtastsondenmikroskop handelt, und welches ausgelegt ist, um denselben Zweck zu erfüllen, ein Herstellungsverfahren für diese Sonden, und ein Abtastsondenmikroskop, welches diese Sonden verwendet.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Sonde, die in einem Oberflächenabtastmikroskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 verwendet wird, ein Verfahren zum Herstellen einer Sonde, welche in einem Oberflächenabtastmikroskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10 verwendet wird, und ein Abtastsondenmikroskop, welche eine solche Sonde umfasst.
WO9505000 offenbart solch eine Sonde, solch ein Herstellungsverfahren und solch ein Abtastsondenmikroskop.
WO9533207A (Kanagawa Academy of Science and Technology), 7. Dezember 1995, offenbart eine Sonde zur Verwendung in einem Oberflächenabtastmikroskop, welche einen angespitzten Bereich umfasst zum Erfassen einer atomaren Kraft; einen Bereich, welcher eine elastische Wirkung in der Nähe des angespitzten Bereichs zeigt, und einen Basisbereich zum Stützen des elastischen wirkenden Bereichs, wobei der Basisbereich einstückig ausgeformt ist mit dem elastisch wirkenden Bereich und ein äußerer Aufbau des elastisch wirkenden Bereichs so ausgebildet ist, dass er dünner ist als ein äußerer Aufbau des Basisbereichs.
EP0634681A offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Sonde, welches die Schritte des Verringerns des äußeren Durchmesserteils der Sonde umfasst, Anspitzen eines Endteils der Sonde, welche den verringerten Außendurchmesser aufweist, und Ausbilden eines eingeschnürten Bereichs in einem Teil eines elastisch wirkenden Bereichs des Sondenmaterials durch chemisches Ätzen.
Abtastsondenmikroskope, welche repräsentiert werden durch atomare Kraftmikroskope (welche im Folgenden der Einfachkeit halber "AFM" = Atomic force microscopes bezeichnet werden) und Tunnelmikroskope vom Abtasttyp (welche im Folgenden der Einfachkeit halber als "STM" = Scan type tunnel microscopes bezeichnet werden) haben weite Verbreitung gefunden aufgrund der Tatsache, dass sie die Beobachtung einer feinen Topographie der Oberfläche einer Probe ermöglichen. Die Verwendung des AFM ermöglicht die Beobachtung einer feinen Topographie einer Probe, unabhänig davon, ob diese Probe im Vergleich zum STM Leitfähigkeit aufweist oder nicht. Das Messverfahren des AFM basiert auf der Verwendung der Tatsache, das ein Federelement, welches eine Messsonde stützt, durch atomare Kräfte verbogen wird, welche zwischen der Probe und der Messsonde wirken.
Andererseits hat es verschiedene Versuche gegeben, die optischen Eigenschaften und die Topographie einer Probe zu messen durch Annähern einer Sonde, die aus einem optischen Wellenleiter besteht, dessen Ende angespitzt ist, an eine zu messende Probe, bis der Abstand dazwischen kleiner wird als die Wellenlänge von Licht; demgemäß sind verschiedene optische Nachwellenmikroskope vorgeschlagen worden. Als eines dieser Mikroskope ist eine Vorrichtung vorgeschlagen worden, welche die Spitze der Sonde relativ zur Oberfläche der Probe horizontal in Schwingungen versetzt, wobei die Sonde vertikal relativ hierzu gehalten wird, und wobei die Änderungen in der Amplitude der Schwingungen, welche aufgrund der Reibung zwischen der Oberfläche der Probe und der Sondenspitze auftreten, als Verschiebung der optischen Achse von Laserlicht erfasst werden, welches aus der Spitze der Sonde ausgestrahlt worden ist und durch die Probe hindurch gegangen ist, wobei die Probe durch eine Feinbewegungsvorrichtung bewegt wird, wodurch der Abstand zwischen der Sondenspitze und der Oberfläche der Probe auf einem festeingestellten Wert gehalten wird, und wobei die Oberflächentopographie der Probe erfasst wird aus der Intensität der Signaleingabe auf die Feinbewegungsvorrichtung und gleichzeitigem Messen der Lichtdurchlässigkeitseigenschaften der Probe.
Weiterhin ist ein Nachfeldabtastmikroskop vorgeschlagen worden, welches eine Sonde verwendet, die wie ein Haken ausgebildet ist, um als AFM-Kragarm zu dienen, und welches die Spitze der Sonde relativ zur Oberfläche der Probe vertikal in Schwingung versetzt, die Schwankungen in der Schwingungsamplitude, welche aufgrund der Wirkung der atomaren Kraft zwischen der Oberfläche der Probe und der Spitze der Sonde auftritt mittels der Reflektion von Laserlicht erfasst, welches auf die Sonde eingestrahlt worden ist, und die Probe mittels eines Feinbewegungsmechanismus bewegt und dadurch den Abstand zwischen der Sondenspitze und der Oberfläche der Probe auf einem festeingestellten Wert hält, die Oberflächentopographie der Probe aus der Intensität der Signaleingabe auf den Feinbewegungsmechanismus erfasst und gleichzeitig Laserlicht von der Sondenspitze auf die Probe einstrahlt, um dadurch die optischen Eigenschaften dieser Probe zu messen.
Bei den oben erläuterten Abtastsondenmikroskopen, von denen ein jedes eine Sonde verwendet, die aus einem optischen Wellenleiter besteht, wird die Erfassung der Änderung in der Schwingungsamplitude, die auftritt aufgrund von Reibung zwischen der Oberfläche der Probe und der Sondenspitze, oder die Erfassung der atomaren Kraft, die auf die Oberfläche der Probe und die Sondenspitze wirkt, durchgeführt unter Verwendung der elastischen Wirkung der Sonde. Herkömmlicherweise wird als elastische Wirkung die Elastizität des optischen Wellenleiters als solchem wie vorgegeben verwendet.
Während die Federkonstante des Kragarms des AFM in einem Bereich zwischen 1/100 N/m bis ein 1/10 N/m oder so ähnlich liegt, liegt die Ferderkonstante der optischen Faser in einem Bereich von einigen N/m bis einigen zig N/m, wenn die elastische Wirkung der optischen Faser als solcher verwendet wird. In einem Bereich, wo die Nahfeldmikroskope verwendet werden, wird eine relativ große Anzahl von weichen Proben in Betracht gezogen wie z. B. biologische Probestücke und hochmolekulare Probestücke zu verwenden. Die Verwendung der optischen Fasersonde, welche die elastische Wirkung der optischen Faser als solcher relativ zu diesen weichen Probestücken verwendet, führt zu einer störenden Verformung dieser Probestücke. Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass Schäden an der Probenspitze verursacht werden. Weiterhin gilt, obwohl im Fall des Durchführens der Abtaststeuerung unter Verwendung der Resonanzschwingung der Sonde gilt, dass die Resonanzfrequenz um so höher wird, je höher die Abtastgeschwindigkeit ist, dass wenn man den elastischen Wirk bereich kurz macht, welcher dem Kragarm entspricht, und dadurch die Resonanzfrequenz hoch macht, das Problem auftritt, dass die Federkonstante hierbei weiter vergrößert wird.
Weiterhin gilt, dass dort wo die Sonde auf dem Quarzoszillator aufgesetzt wird und die atomare Kraft zwischen der Oberfläche der Probe und der Sondenspitze erfasst wird oder andere Kräfte erfasst werden, die in Zusammenhang stehen mit der Wechselwirkung dazwischen als Schwankung in den Resonanzeigenschaften des Quarzoszillators, wenn die Federkonstante und das Gewicht des elastischen Wirkbereichs jeweils bei großen Werten liegen, dass die Erfassungsempfindlichkeit des Quarzoszillators sich verschlechtert, mit dem Ergebnis, dass das Problem auftritt, dass es unmöglich ist, ausreichend schwache Kräfte, wie die oben erläuterten atomaren Kräfte, zu erfassen. Während es notwendig ist einen großen Quarzoszillator zu verwenden, um die Erfassungsempfindlichkeit (Q-Wert) des Quarzoszillators beizubehalten, hat sich ein Problem ergeben, dass die Federkonstante unerwünscht groß wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Federkonstante der Sonde klein zu machen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sonde bereitzustellen, welche die Messung der Probe mittels eines relativ weichen Kontakts der Sonde mit der Probe ermöglicht.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Abtastsondenmikroskop mit hoher Auflösung zu ermöglichen.
Diese Ziele werden durch die Maßnahmen der Ansprüche 1, 10 und 20 erreicht.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Kurze Figurenbeschreibung
Es zeigen:
1 einen Querschnitt, der eine Probe gemäß einem veranschaulichenden Beispiel zeigt, welches nicht unter die vorliegende Erfindung fällt;
2 einen Querschnitt, der eine hakenförmige Sonde gemäß einem weiteren Veranschaulichungsbeispiel zeigt, welches nicht unter die vorliegende Erfindung fällt;
3 einen Querschnitt, der eine Sonde mit einem eingeschnürten Bereich, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 einen Querschnitt, welcher eine hakenförmige Sonde mit einem eingeschnürten Bereich gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine Ansicht, die den Aufbau einer Sonde mit einem piezoelektrischen Element zeigt;
6(A), 6(B) und 6(C) Ansichten, die das Herstellungsverfahren für eine Sonde veranschaulichen;
7(A) und 7(B) Ansichten, die ein Herstellungsverfahren für eine hakenförmige Sonde zeigen;
8(A), 8(B) und 8(C) Ansichten, die ein Herstellungsverfahren für eine Sonde mit einem eingeschnürten Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
9 eine Ansicht, die ein Herstellungsverfahren für eine Sonde mit einem eingeschnürten Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 eine Ansicht, die ein Herstellungsverfahren für eine Sonde mit einem eingeschnürten Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 eine Ansicht, die ein Herstellungsverfahren für eine Sonde mit einem eingeschnürten Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
12 eine Einsicht, die den Aufbau eines Abtastsondenmikroskops zeigt, welches die erfindungsgemäße Sonde verwendet.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Weiteren beschrieben unter Bezugnahme auf die Figuren. Bei dieser Ausführungsform wird eine Erläuterung gegeben für eine beispielhafte Sonde, welche aus einem optischen Wellenleiter besteht.
Zu Veranschaulichungszwecken zeigt 1 einen Querschnitt, der den Aufbau einer aus einem optischen Wellenleiter bestehenden Sonde zeigt, die nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
Eine optische Faser 1, bei der es sich um einen optischen Wellenleiter handelt, besteht aus einem Kernbereich 2, welcher Licht hindurchlässt, und Verkleidungsbereichen 3, welche sich im Brechungsindex voneinander unterscheiden. Ein vorderer Bereich der optischen Faser ist angespitzt, wobei der Durchmesser des elastischen Wirkbereichs 4 kleiner ausgeführt ist als der Durchmesser des Basisbereichs 5 und ein Niveauübergangsbereich 6 in einem Grenzbereich zwischen dem Basisbereich 5 und dem elastischen Wirkbereich 4 verläuft kegelförmig angespitzt. Der vordere Bereich der Sonde, welcher die Apertur nicht umfasst, ist mit einer Metallfilmverkleidung 7 verkleidet. Als optische Faser 1 können Einzelmodefasern oder Multimodefasern verwendet werden und weiterhin Fasern, die die Polarisationsebene aufrechterhalten, oder ähnliches, mit verschiedenen Verkleidungsdurchmessern und verkleideten Durchmessern. Es ist auch möglich eine Kapillare als weiteren optischen Wellenleiter zu verwenden. Als Material für die Metallfilmverkleidung 7 werden Materialien verwendet, die in der Lage sind, Licht zu reflektieren, wie z. B. Gold, Platin, Aluminium, Chrom, Nickel, usw. In einem Fall, wo die in 1 gezeigte optische Wellenleitersonde auf einem optischen Nahfeldmikroskop aufgebracht ist, bei dem es sich um einen Typ handelt, der horizontale Schwingungen der Spitze der Sonde relativ zur Oberfläche der Probe erzeugt, wird es unter Verwendung der optischen Wellenleitersonde durch Stützen des Basisbereichs 5 hiervon ermöglicht, dass sie verwendet wird, während eine herkömmliche mechanische Belastbarkeit des Stützbereichs wie gegeben aufrechterhalten wird. Obwohl die Sonde auch durch Stützen eines Teils des elastischen Wirkbereichs 4 verwendet werden kann, verschlechtert sich die mechanische Belastbarkeit des Stützbereichs.
Gemäß dem zuvor erläuterten Aufbau des optischen Wellenleiters kann die Federkonstante des elastischen Wirkbereichs mit einem kleinen Wert versehen werden, wodurch eine Messung eines weichen Materials durchgeführt werden kann, ohne dasselbe zu verformen. Weiterhin ist es möglich, eine Beeinträchtigung der Probe und der Sondenspitze zu verhindern. Weiterhin ist es im Falle der Verwendung einer Abtaststeuerung unter Verwendung der Sondenresonanz möglich, den elastischen Wirkbereich zu verkürzen, ohne die Federkonstante zu erhöhen, und dadurch die Resonanzfrequenz zu erhöhen, um dadurch die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen. Weiterhin ist es durch das kegelförmige Zuspitzen des Übergangsbereichs in der Grenzzone zwischen dem Basisbereich und dem elastischen Wirkbereich möglich, die Bedeckbarkeit des Übergangsbereichs mit einem metallischen Film zu verbessern, und dadurch optische Streuverluste aus der Sonde zu verhindern.
2 ist ein Querschnitt, welcher den Aufbau einer hakenförmigen optischen Wellenleitersonde zeigt, die nicht unter die vorliegende Erfindung fällt.
Eine optische Faser 1, bei der es sich um einen optischen Wellenleiter handelt, besteht aus einem Kernbereich 2, welcher Licht hindurchlässt, und verkleideten Bereichen 3, welche sich im Brechungsindex voneinander unterscheiden. Ein Ende der optischen Faser 1 ist angespitzt und in Form eines Hakens ausgeführt, wobei der Durchmesser des elastischen Wirkbereichs 4 kleiner ist als der Durchmesser des Basisbereichs 5, und wobei der Übergangsbereich 6 in der Grenzzone zwischen dem Basisbereich 5 und dem elastischen Wirkbereich 4 kegelförmig zuläuft. Der Endbereich (die Spitze) der Sonde, welche die Apertur ausnimmt, wird durch die metallische Filmverkleidung 7 verkleidet. Falls die in 2 gezeigte optische Wellenleitersonde auf ein Nahfeldabtastmikroskop gesteckt wird, wird es durch Verwendung der optischen Wellenleitersonde durch Stützen des Basisbereichs 5 ermöglicht, dass sie verwendet wird, während eine herkömmliche mechanische Belastbarkeit des Stützbereichs wie gegeben aufrechterhalten wird. Obwohl die Sonde auch verwendet werden kann durch Stützen eines Teils des elastischen Wirkbereichs 4, verschlechtert sich die mechanische Belastbarkeit des Stützbereichs.
Gemäß dem oben erläuterten Aufbau der optischen Wellenleitersonde ist es möglich, den Wert der Federkonstanten des elastischen Wirkbereichs klein zu halten, und eine weiche Probe zu messen, ohne sie zu verformen. Weiterhin ist es auch möglich eine Verschlechterung der Probe und der Sondenspitze zu verhindern. Weiterhin kann es im Falle des Durchführens der Abtaststeuerung unter Verwendung der Sondenresonanz ermöglicht werden, den elastischen Wirkbereich zu verkürzen, ohne die Federkonstante zu erhöhen, um dadurch die Resonanzfrequenz und damit die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen. Weiterhin kann durch das kegelförmige Zuspitzen des Übergangsbereichs in der Grenzzone zwischen dem zylindrischen säulenförmigen Basisbereich und dem elastischen Wirkbereich ermöglicht werden, die Bedeckbarkeit des Übergangsbereichs mit dem Metallfilm zu erhöhen, und dadurch das Auftreten von optischen Streuverlusten aus der Sonde zu verhindern. Andererseits ist es im Falle der Verwendung eines Kontaktmodus der AFM-Vorrichtung, in welcher eine Steuerung durchgeführt wird, ohne die Resonanz der optischen Wellenleitersonde zu verwenden, auch möglich, die Federkonstante des elastischen Wirkbereichs klein zu machen und dadurch die Beeinträchtigung der Probe und der Sondenspitze zu verhindern.
3 ist ein Querschnitt, der den Aufbau einer optischen Wellenleitersonde zeigt, welche einen eingeschnürten Bereich aufweist, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die in 1 gezeigte Ausführungsform sieht man, dass diese erste Ausführungsform einen Aufbau aufweist, bei dem ein eingeschnürter Bereich 8 angebracht worden ist in einem Teil des elastischen Wirkbereichs 4. Durch Anbringen des eingeschnürten Bereichs 8 in einem Teil des elastischen Wirkbereichs 4 ist es möglich, die Federkonstante des elastischen Wirkbereichs 4 mit einem kleineren Wert zu versehen. Die Funktion und Wirkungsweise, welche durch den oben erläuterten Aufbau der optischen Wellenleitersonde erzielbar sind, zeigen keinen Unterschied zu denen, welche erzielbar sind durch die in 1 gezeigte Ausführungsform.
4 ist ein Querschnitt, welcher den Aufbau einer hakenförmigen optischen Wellenleitersonde mit einem eingeschnürten Bereich gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter Bezugnahme auf die in 2 gezeigte Ausführungsform sei angemerkt, dass diese zweite Ausführungsform einen Aufbau aufweist, bei dem der eingeschnürte Bereich 8 angebracht worden ist in einem Teil des elastischen Wirkbereichs 4. Durch Anbringen des eingeschnürten Bereichs 8 in einem Teil des elastischen Wirkbereichs 4 ist es möglich, die Federkonstante des elastischen Wirkbereichs 4 kleiner zu machen. Die Funktion und Wirkung welche erzielbar sind durch den oben erläuterten Aufbau der optischen Wellenleitersonde zeigen keinen Unterschied zu denen, welche durch die in 3 gezeigte Ausführungsform erzielbar sind.
5 ist eine Ansicht, welche den Aufbau einer optischen Wellenleitersonde mit einem piezoelektrischen Element zeigt.
Die Figur zeigt einen Aufbau, bei dem ein Quarzoszillator 9 vom Stimmgabeltyp angebracht worden ist als piezoelektrisches Element auf dem elastischen Wirkbereich 4 der hakenförmigen optischen Wellenleitersonde, die in dem in 2 gezeigten Beispiel veranschaulicht ist.
Gemäß dem Aufbau der in 5 veranschaulichten optischen Wellenleitersonde ist die Wirkung des Quarzoszillators auf die Resonanzeigenschaften gering, da der Außendurchmesser des elastischen Wirkbereichs 4 kleiner ist als der Außendurchmesser des Basisbereichs 5 und die Federkonstante und das Gewicht hiervon gering sind. Dementsprechend ist es möglich, die atomare Kraft, die zwischen der Oberfläche der Probe und der Sondenspitze wirkt, als Veränderung in den Resonanzeigenschaften des Quarzoszullators zu erfassen oder aufgrund anderer Kräfte, die in Zusammenhang stehen mit der Wechselwirkung, die dazwischen auftritt.
Zum Beispiel kann in einem Fall, wo eine herkömmliche optische Faser verwendet wird mit einem Verkleidungsdurchmesser von 125 μm, falls es sich bei dem Quarzoszillator um einen solchen handelt, dessen Resonanzfrequenz 32 kHz beträgt, und dessen Federkonstante ungefähr bei 2000 N/m liegt, die Verwendung dieses Quarzoszillators ermöglicht werden. Jedoch wird, wenn es sich bei der optischen Fasersonde um eine solche handelt, deren elastischer Wirkbereich 4 so ausgeführt ist, dass er einen Durchmesser von ungefähr 10 μm oder Ähnlichem aufweist, es möglich, einen Quarzoszillator zu verwenden, dessen Federkonstante ungefähr 20 N/m oder so beträgt.
Während in dem Beispiel in 5 eine Veranschaulichung gegeben worden ist vom Aufbau bei dem der Quarzoszillator 9 vom Stimmgabeltyp aufgebaut ist auf der hakenförmigen optischen Wellenleitersonde, die in dem Beispiel in 2 veranschaulicht ist, können selbst dann, wenn der Quarzoszillator 9 vom Stimmgabeltyp aufgebracht worden ist, auf der optischen Wellenleitersonde, die in der in 4 gezeigten Ausführungsform installiert ist oder auf der optischen Wellenleitersonde vom geradlinigen Typ, wie in der Ausführungsform in 3 gezeigt, dieselbe Funktion und Wirkung erzielt werden. Weiterhin gilt hier, dass der Quarzoszillator 9 nicht immer notwendigerweise vom Stimmgabeltyp sein muss. Insbesondere gilt, dass selbst dann, wenn der Quarzoszillator nur einen einarmigen Bereich aufweist, der mit der Sonde verbunden ist, er als Quarzoszillator arbeiten kann. Weiterhin gilt, dass falls das piezoelektrische Element ein solches ist, welches piezoelektrische Eigen schaften in der Biegerichtung der optischen Wellenleitersonde aufweist, es verwendbar ist, selbst wenn es kein Quarzoszillator ist.
6(A) und 6(B) sind Ansichten, welche ein Herstellungsverfahren für eine optische Wellenleitersonde veranschaulichen. 6(A) veranschaulicht den Schritt des Verringerns des Außendurchmessers der optischen Faser 1 und stellt einen Zustand dar, wo der Bereich der optischen Faser 1, dessen Außendurchmesser verringert wird, in eine Ätzlösung eingetaucht worden ist. Die Ätzlösung besteht aus zwei Schichten, bei denen es sich zum einen um eine erste Lösungsschicht 10 handelt, die hauptsächlich aus Fluorwasserstoffsäure besteht, und wobei die andere eine zweite Lösungsschicht 11 ist mit geringerem spezifischen Gewicht als die erste Lösungsschicht und welche nicht reagiert, und welche sich nicht vermischt mit der ersten Lösungsschicht. Als erste Lösungsschicht 10 wird eine wässrige Lösung einer Fluorwasserstoffsäure oder eine gemischte Lösung aus Fluorwasserstoffsäure und Ammoniumfluorid verwendet. Während als zweite Lösungsschicht 11 ein organisches Lösungsmittel verwendet wird, wie z. B. Hexan, Hepan oder Oktan, Fette oder fettige Öle wie z. B. Mineralöl, pflanzliches Öl, chemisch-synthetisiertes Öl, usw., ist es auch möglich, eine weitere Lösung zu verwenden, welche ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist als die erste Lösungsschicht 10 und welche nicht reagiert, und welche nicht vermischt wird mit der ersten Lösung.
Die aus synthetischem Harz bestehende Verkleidung der optischen Faser 1 wird von dem äußeren Ende hiervon über einen Bereich von 1 cm bis 10 cm entfernt, um dadurch die Oberfläche hiervon zu reinigen. Als nächstes wird der Bereich der optischen Faser 1, welcher das äußere Ende hiervon über einen Bereich von 0,5 mm bis 50 mm bedeckt, in die erste Lösungsschicht 10 der Ätzlösung eingeführt. Zu diesem Zeitpunkt schreitet die Ätzwirkung auf die optische Faser innerhalb der ersten Lösungsschicht 10 der Ätzlösung voran, wobei der Teil hiervon, welcher dem elastischen Funktionsbereich 4 entspricht, nach und nach dünner wird. An dem Grenzflächenbereich zwischen der ersten Lösungsschicht 10 und der zweiten Lösungsschicht 11 wird der Übergangsbereich 6 in der Grenzzone zwischen dem Basisbereich 5 und dem elastischen Wirkbereich 4 so ausgebildet, dass er aufgrund der Meniskuswirkung kegelförmig angespitzt wird.
6(B) veranschaulicht den Schritt des Anspitzens des Endbereichs der optischen Faser 1 und entspricht einem Zustand, wo der Bereich der optischen Faser 1, welche angespitzt werden soll, in eine Ätzlösung eingetaucht worden ist. Dieser Schritt des Anspitzens ist bei Dennis R. Turner et al. ( US 4,469,554 ) offenbart.
Nachdem in dem in 6(A) gezeigten Schritt der elastische Wirkbereich 4 bis auf einen gewünschten Außendurchmesser geätzt worden ist, wird die optische Faser 1 aus der Ätzlösung gezogen bis zu einem Teil hiervon, welcher in seiner Länge dem elastischen Wirkbereich 4 entspricht. Zu diesem Zeitpunkt wird an dem Grenzflächenbereich zwischen der ersten Lösungsschicht 10 und der zweiten Lösungsschicht 11 das Ende der optischen Faser 1 kegelförmig angespitzt, um aufgrund der Meniskuswirkung angespitzt zu werden. Wenn der Bereich der optischen Faser 1, welcher in die erste Lösungsschicht 10 eingetaucht worden ist, vollständig geätzt worden ist, wird dieser Ätzvorgang beendet.
Obwohl in 6(B) eine Veranschaulichung des Schritts des Anspitzens mittels chemischen Ätzens gegeben worden ist, ist dieser Schritt des Anspitzens auch durchführbar mittels eines Schritts des Erwärmens und Streckens. Nachdem der elastische Wirkbereich 4 durch die in 6(A) gezeigte Methode geätzt worden ist, wird ein Strecken an einem jeden Ende während des Erwärmens des Bereichs der Sonde, welcher angespitzt werden soll, durchgeführt, um dadurch den gewünschten Bereich anzuspitzen. Es ist möglich als Erwärmungsmittel ein Verfahren zu verwenden, bei dem Licht eines Kohlendioxidlasers fokussiert und beaufschlagt wird, oder ein Verfahren, bei dem die optische Faser durch einen spulenförmig aufgewickelten Platindraht in dessen Mitte hindurchgeschickt wird und Hindurchschicken eines elektrischen Stroms durch den Platindraht und Aufheizen desselben.
6(C) ist ein Querschnitt, welches den Schritt des Abschaltens der metallischen Filmverkleidung 7 auf dem spitzen Endbereich der optischen Faser zeigt, der in dem zuvor veranschaulichten Schritt ausgebildet worden ist, wobei der Aperturbereich hiervon ausgespart wird. Als Abscheidungsverfahren zum Abscheiden der metallischen Filmverkleidung 7 wird ein Verfahren zum Abschalten eines anisotropen Dünnfilms verwendet, wie z. B. Vakuumabscheidung, Sputtern, usw., und die Filmdicke wird hierbei ausgewählt innerhalb eines Bereichs von 20 nm bis 1000 nm. Die Abscheidungsrichtung zielt hin zu einem rückwärtigen Bereich des angespitzten Bereichs der optischen Faser, wie durch die in 6(C) gezeigten Pfeile veranschaulicht, und der Winkel A wird ausgewählt aus einem Bereich zwischen 20° bis 90°. Die Größe der Apertur kann variiert werden gemäß der Größe des angespitzten Endes der optischen Faser, der Filmdicke, der metallischen Filmverkleidung 7 und des Abscheidungswinkels darauf.
Gemäß dem oben erläuterten Herstellungsverfahren für die optische Wellenleitersonde, wie in den Schritten der 6(A) und 6(B) gezeigt, kann der Schritt, bei dem der elastische Wirkbereich 4 dünn ausgeführt wird und der Schritt des Anspitzens leicht durchgeführt werden unter Verwendung derselben Ätzlösung. Weiterhin kann, da der Übergangsbereich 6 in der Grenzzone zwischen dem Basisbereich 5 und dem elastischen Wirkbereich 4 leicht kegelförmig angespitzt werden kann, wenn die in 6(C) gezeigte Metallfilmverkleidung durchgeführt wird, es ermöglicht werden, dass der Übergangsbereich vollständig bedeckt wird, und dadurch Streuverluste von Licht aus der Sonde vermieden werden können.
Obwohl die 6(A), 6(B) und 6(C) die Herstellungsverfahrensschritte zum Herstellen der geraden linienförmigen optischen Wellenleitersonde gezeigt haben, ist es möglich eine hakenförmige optische Wellenleitersonde herzustellen, wie sie in 2 gezeigt ist, und zwar auf dieselbe Weise.
Die 7(A) und 7(B) sind Ansichten, die ein Herstellungsverfahren zeigen zum Herstellen einer hakenförmigen optischen Wellenleitersonde. Durch dasselbe Verfahren, wie das, welches verwendet worden ist in den in 6(A) und 6(B) gezeigten Verfahrensschritten, wird der Außendurchmesser des elastischen Wirkbereichs 4 klein gemacht und der Endbereich hiervon wird angespitzt. Danach wird, wie in 7(A) gezeigt, das Licht eines Kohlendioxidgaslasers auf einen Bereich der optischen Faser beaufschlagt, welcher ein angespitztes Ende hiervon innerhalb eines Bereichs von 0,1 mm bis 2 mm bedeckt, und dann wird, wenn der Winkel, welcher vor seiner Verformung als 0° definiert wird, dieser Bereich hierdurch in einen hakenförmigen Aufbau verformt, dessen Biegewinkel sich in einem Bereich zwischen 60° bis 90° oder so befindet. Zu diesem Zeitpunkt ist die Menge an Wärme, die auf einer Seite dieses Bereichs absorbiert wird, auf der das Laserlicht beaufschlagt wird, größer als der Betrag an Wärme, der auf der gegenüberliegenden hinteren Seite absorbiert wird, und aufgrund der Oberflächenspannung, die sich aus dem Aufweichen der Spitze der optischen Faser ergibt, wird diese zu der Seite hin gebogen, auf die das Laserlicht beaufschlagt wird. Die Anpassung dieses Biegewinkels kann durchgeführt werden durch Regeln der Ausgabe des Laserlichts, während das Ausmaß, um welches die Biegung durchgeführt wird, beibehalten wird.
7(B) ist ein Querschnitt, welcher den Schritt des Abscheidens der metallischen Filmverkleidung 7 auf dem angespitzten Bereich veranschaulicht, wobei der Aperturbereich ausgenommen wird. Der in 7(B) veranschaulichte Schritt ist derselbe, wie der in 6(C) veranschaulichte Schritt, außer dass die Abscheidungsrichtung der metallischen Filmverkleidung 7 sich aufgrund der Tatsache unterscheidet, dass der angespitzte Bereich der Sonde hakenförmig ausgebildet ist. Der Winkel A, unter welcher die Abscheidungsrichtung definiert ist, wird ausgewählt von einem Winkelbereich zwischen 20° bis 90° mit Bezugnahme auf die Richtung, in welche der angespitzte Bereich weist. In einem Fall, wo aufgrund der Tatsache, dass der angespitzte Bereich hakenförmig ausgebildet ist, eine Verkleidung nicht zu einer gegebenen Filmformungszeit auf dem elastischen Wirkbereich 4 und dem Basisbereich 5 ausgebildet werden kann, wird der Schritt des Ausbilden des Aperturbereichs durchgeführt, dann der Schritt des Bedeckens des Aperturbereichs mit einem Resistmaterial, dann das Bedecken des elastischen Wirkbereichs 4 und des Basisbereichs 5 separat voneinander mittels eines metallischen Films und Abheben des Resistmaterials, wodurch eine Sonde hergestellt werden kann, bei der nur geringes Hintergrundlicht auftritt.
Die Wirkung und der Effekt, welche erzielbar sind mit dem Herstellungsverfahren für die optische Wellenleitersonde, wie in 7 veranschaulicht, sind dieselben wie jene, welche erreichbar sind bei dem Herstellungsverfahren für die optische Wellenleitersonde, die in der in 6 gezeigten Ausführungsform gezeigt ist.
Weiterhin gilt, dass wenn die hakenförmige optische Wellenleitersonde verwendet wird unter Aufsetzen auf dem Nahfeldabtastmikroskop, und falls die Sondenverschiebungserfassungsmethode durchgeführt wird unter Verwendung eines optischen Zeigers, es notwendig ist, eine Reflektionsoberfläche hierfür an der Sonde bereitzustellen. In diesem Falle wird, nachdem die Spitze der Sonde in einen Haken ausgebildet worden ist unter Verwendung des in 7(A) gezeigten Verfahrens und vor dem Abscheiden der metallischen Filmverkleidung 7, die Reflektionsoberfläche, an der rückwärtigen Oberfläche des hakenförmigen Bereichs mittels mechanischem Abrieb ausgebildet, woraufhin die sich so ergebende Sonde verwendet wird.
Als nächstes wird eine Erläuterung gegeben hinsichtlich eines Herstellungsverfahrens einer optischen Wellenleitersonde mit einem eingeschnürten Bereich 8 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wird der elastische Wirkbereich 4 der optischen Faser 1 durch Durchführen der in den 6(A) und 6(B) gezeigten Schritte verringert, um hierdurch den Endbereich anzuspitzen. Dann wird ein Schutzfilm 13 auf dem angespitzten Bereich der optischen Wellenleitersonde und des elastischen Wirkbereichs 4 hiervon ausgebildet. 8(A) zeigt einen Zustand, wo der angespitzte Bereich der optischen Wellenleitersonde und der elastische Wirkbereich 4 in eine Schutzfilmlösung 13 eingetaucht werden. Die Schutzfilmlösung wird in eine Kapillare 14 gefüllt, danach wird eine optische Wellenleitersonde 20 eingeführt, während sie unter dem Mikroskop beobachtet wird, und zwar bis zu der Grenze zwischen dem Übergangsbereich 6 und dem elastischen Wirkbereich 4 oder bis zu einer Position, die unterhalb hiervon liegt. 8(B) entspricht einem Zustand, wo die optische Wellenleitersonde 20 bis zu ungefähr einer Hälfte hiervon nach oben gezogen worden ist. Durch Wiederholen der Schritte (A) und (B) ist es möglich, den Schutzfilm 13 auf dem angespitzten Bereich der optischen Wellenleitersonde und dem elastischen Wirkbereich 4 auszubilden. Als nächstes wird der eingeschnürte Bereich durch Ätzen ausgebildet. 8(C) entspricht einem Zustand, wo die optische Wellenleitersonde 20 auf der der Schutzfilm 13 auf dem angespitzten Bereich und dem elastischen Wirkbereich 4 ausgebildet worden ist, in eine Ätzlösung eingetaucht wird. Die optische Wellenleitersonde 20 wird in die Ätzlösung auf so eine Weise eingeführt, dass der Grenzbereich zwischen dem Übergangsbereich 6 hiervon und dem Schutzfilm 13 in Übereinstimmung ist mit dem Grenzflächenbereich zwischen einer ersten Lösungsschicht 10 und einer zweiten Lösungsschicht 1 der Ätzlösung, um hierdurch den Außendurchmesser des Grenzbereichs auf einen gewünschten Durchmesser zu verringern und somit auch den eingeschnürten Bereich zu formen. Die Ätzlösung, welche in diesem eingeschnürten Bereichsformungsschritt verwendet wird, ist dieselbe wie die, die in dem in 6 gezeigten Schritt gezeigt worden war, und verringert den Außendurchmesser der Sonde und spitzt den Endbereich hiervon an. Als nächstes wird der Schutzfilm unter Verwendung eines Lösungsmittels entfernt, wobei die Metallfilmbeschichtung 7 abgeschieden wird auf dem angespitzten Bereich der optischen Faser, welche den Aperturbereich ausnimmt, und zwar durch Durchführung des in 6(C) gezeigten Schrittes.
Obwohl in der Ausführungsform in 8(A) eine Darstellung gegeben worden ist von dem Verfahren zum Herstellen des Schutzfilms 13 unter Verwendung einer Kapillare, ist es auch möglich, den Schutzfilm 13 ohne Verwendung einer Kapillare auszubilden durch Einfüllen eines Schutzfilmmaterials in ein gewöhnliches Aufnahmegefäß und Eintauchen der optischen Wellenleitersonde bis zu einer vorbestimmten Position, während sie unter Verwendung eines Mikroskops beobachtet wird. Als Material für den Schutzfilm wird ein Resistmaterial verwendet, welches Widerstandfähigkeit zeigt gegenüber Fluorsäure.
Weiterhin kann, obwohl bei der in 8 gezeigten Ausführungsform eine Darstellung gegeben worden ist für das Herstellungsverfahren für eine optische Wellenleitersonde mit geradlinieger Form, der eingeschnürte Bereich 8 auch in ähnlicher Weise selbst an der in 2 gezeigten hakenförmigen optischen Wellenleitersonde durchgeführt sein. Weiterhin kann durch Ausbilden des eingeschnürten Bereichs 8 der optischen Wellenleitersonde durch das in 8 veranschaulichte Herstellungsverfahren und daran anschließendem Ausbilden des Aufbaus hiervon in einen Haken durch Durchführen des Schritts, der in dem in 7 veranschaulichten Herstellungsverfahren gezeigt ist, es auch ermöglicht werden, eine haken förmige optische Wellenleitersonde auszubilden, welche den in 4 gezeigten eingeschnürten Bereich 8 aufweist.
9 ist eine Ansicht, die ein weiteres Herstellungsverfahren veranschaulicht zum Herstellen der optischen Wellenleitersonde, die einen eingeschnürten Bereich aufweist.
Die Figur entspricht einem Zustand, bei dem die Grenzzone zwischen dem Übergangsbereich der optischen Wellenleitersonde 20 und dem elastischen Wirkbereich 4 eingetaucht wird in den Grenzbereich zwischen der ersten Lösungsschicht 10 und der zweiten Lösungsschicht 11 der Ätzlösung. Die Ätzlösung, die hier verwendet worden ist, besteht aus drei Schichten, eine erste hiervon ist die erste Lösungsschicht 10, die hauptsächlich aus Fluorwasserstoffsäure besteht, eine zweite hiervon ist die zweite Lösungsschicht 11, die ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist als die erste Lösungsschicht und welche mit der ersten Lösungsschichtnicht reagiert, und nicht vermischt wird, und eine dritte hiervon, welche eine dritte Lösungsschicht 20 ist, welche ein größeres spezifisches Gewicht aufweist als die erste Lösungsmittelschicht 10 und welche nicht reagiert und nicht vermischt wird mit entweder der ersten oder der zweiten Lösungsschicht. Als dritte Lösungsmittelschicht wird ein organisches Lösungsmittel verwendet, welches Kohlenstofftetrachlorid verwendet, welches Chlor enthält, und ein großes spezifisches Gewicht aufweist. Da die Ätzwirkung der optischen Wellenleitersonde nur mit dem Teil hiervon fortschreitet, welcher der ersten Lösungsmittelschicht 10 entspricht, ist es gemäß dem in 9 veranschaulichten Ätzverfahren möglich, den eingeschnürten Bereich auszubilden, welcher der Dicke der ersten Lösungsmittelschicht 10 entspricht.
Weiterhin ist es beim Ausbilden des eingeschnürten Bereichs mit der Ätzlösung mit dem Dreischichtaufbau notwendig, dass die Länge des eingeschnürten Bereichs 1 mm oder weniger beträgt. Aus diesem Grunde ist es notwendig, dass die Dicke der ersten Lösungsmittelschicht 10 gering gehalten wird. Durch Hinzufügen eines oberflächenaktiven Mittels zu der ersten Lösungsmittelschicht 10 um die Oberflächenspannung hiervon zu verringern, ist es möglich, die Dicke der ersten Lösungsmittelschicht 10 dünn zu halten.
Obwohl bei dem Verfahren zum Ausbilden des eingeschnürten Bereichs, welches in Verbindung mit der in 9 gezeigten Ausführungsform erläutert worden ist, es nicht notwendig ist, den angespitzten Bereich der optischen Wellenleitersonde 20 und des elastischen Wirkbereichs 4 mittels eines Schutzfilms durch Bedecken des angespitzten Bereich der optischen Wellenleitersonde 20 mittels des Schutzfilms 30 durch die in 8(A) gezeigte Ausführungsform zu bedecken, ist es möglich, die Beeinträchtigung des angespitzten Bereichs der optischen Wellenleitersonde 20 zu verhindern, welche auftritt beim Eintauchen der Sonde in die oder Herausziehen aus der Ätzlösung.
Obwohl in der in 9 gezeigten Ausführungsform eine Veranschaulichung gegeben worden ist für das Herstellungsverfahren zum Herstellen der in 1 gezeigten optischen Wellenleitersonde mit geradlinigem Aufbau, kann dieselbe Handhabung auch durchgeführt werden für eine optische Wellenleitersonde, die ausgebildet ist wie ein Haken, die in der in 2 gezeigten Ausführungsform veranschaulicht worden ist. Weiterhin kann durch Ausformen des eingeschnürten Bereichs 8 der optischen Wellenleitersonde durch das in 9 veranschaulichte Beispiel und einem darauffolgenden Formen des Aufbaus hiervon in einen Haken durch Durchführen des im 7 veranschaulichten Beispiels es ermöglicht werden, dass die hakenförmige optische Wellenleitersonde einen eingeschnürten Bereich 8 aufweist, wie in 4 gezeigt.
10 ist eine Ansicht, die eine Abänderung zeigt, die einem anderen optischen Wellenleitersondenherstellungsverfahren entspricht. Diese Figur veranschaulicht einen Zustand, bei dem die Grenze zwischen dem Übergangsbereich 6 und dem elastischen Wirkbereich 4 der optischen Wellenleitersonde 20 eingetaucht wird in die Ätzlösung, um so in Übereinstimmung gehalten zu werden mit dem Grenzflächenbereich zwischen der ersten Lösungsschicht 10 und der zweiten Lösungsschicht 11 hiervon, und diese Schwankung unterscheidet sich von der in 9 gezeigten Ausführungsform darin, dass die Ätzlösung in eine Kapillare eingefüllt worden ist. Durch Einfüllen der Ätzlösung in die Kapillare ist es möglich, dass die erste Lösungsmittelschicht 10 dünn ausgebildet wird durch die Einwirkung der Oberflächenspannung, welche auftritt zwischen der Ätzlösung und der Wandoberfläche der Kapillare.
Weiterhin kann der eingeschnürte Bereich 8 auch durch eine Bearbeitung ausgebildet werden, die eine Technik mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB = Focused Ion Beam) verwendet. Gemäß dieser FIB-Technik ist es, da die Seitenoberfläche eines vorbestimmten Bereichs des elastischen Wirkbereichs abrasiert werden kann, möglich, den eingeschnürten Bereich auf einfache Weise auszubilden, so dass er einen flachen Aufbau aufweist.
Da das Verfahren zum Ausbilden des eingeschnürten Bereichs einen flachen Aufbau aufweist, sind weiterhin erstens, wie in 11(A) gezeigt, vertiefte Bereiche 15 vorab ausgebildet durch Abrieb an gegenüberliegenden Seitenoberflächen der optischen Faser. Wenn der in 6 veranschaulichte Schritt durchgeführt wird hinsichtlich dieser optischen Faser, ist es möglich, den Außendurchmesser des Faserbereichs zu verringern, welcher diese drei vertieften Bereiche ausspart, wie in 11(B) gezeigt. Durch weiteres Ausführen des Schritts des Anspitzens des Endbereichs ist es möglich, den eingeschnürten Bereich 8 auszubilden, welcher einen flachen Aufbau aufweist, wie in 11(C) gezeigt.
Als nächstes wird der Aufbau des Abtastsondenmikroskops gezeigt, welches die Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, unter Verwendung eines Nahfeldabtastmikroskops als ein Beispiel. 12 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Nahfeldabtastmikroskops illustriert, welches die optische Wellenleitersonde gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Die in der Ausführungsform der 4 veranschaulichte hakenförmige optische Wellenleitersonde 20 wird durch den Basisabschnitt 5 auf einem Bimorphaktor (Piezobiegeelement) 21 installiert, bei dem es sich um ein Schwingungsmittel handelt. Dann wird die Spitze der optischen Wellenleitersonde 20 in vertikaler Richtung relativ zur Probe 23 in Schwingungen versetzt, wodurch die atomare Kraft, die zwischen der Spitze der optischen Wellenleitersonde 20 und der Oberfläche der Probe 23 wirkt, oder andere Kräfte, wie z. B. magnetische Kräfte, elektrostatische Kräfte, usw., welche in Verbindung stehen mit der Wechselwirkung zwischen den beiden, erfasst durch die Verschiebungserfassungsmittel 22 als Änderung in den Schwingungseigenschaften der optischen Wellenleitersonde 20. Dann wird die Probe bewegt und abgetastet mittels einer XY-Bewegungsvorrichtung 24, während der Abstand zwischen der Spitze der optischen Wellenleitersonde 20 und der Oberfläche der Probe 23 durch Steuerungsmittel 25 geregelt wird, um festeingestellt zu bleiben, wodurch die Oberflächentopographie gemessen wird. Gleichzeitig wird Licht von einer Licht von einer Lichtquelle 26 zur Messung optischer Eigenschaften in die optische Wellenleitersonde 20 eingeführt. Dann wird dieses Licht von der Apertur her eingestrahlt auf die Probe 23, die sich an der Spitze der optischen Wellenleitersonde 20 befindet, um eine Erfassung hierdurch mittels der Mittel 27 zur Erfassung optischer Charakteristika zu ermöglichen, und hierdurch eine Messung der optischen Eigenschaften in einem winzigen Bereich der Probe durchzuführen.
Obwohl 10 einen Transmissionstypaufbau veranschaulicht hat, bei dem das Messlicht an der Rückseite der Probe 23 erfasst wird, kann auch ein Aufbau vom Reflektionstyp zum Erfassen des Messlichts von der Oberfläche einer Probe und ein Aufbau zur Erfassung des Lichts mittels der optischen Wellenleitersonde 20 ermöglicht werden. Obwohl herkömmlicherweise ein Lichtzeigerhebel verwendet wird als Verschiebungserfassungsmittel 22, gilt weiterhin, dass dann wenn eine optische Wellenleitersonde mit einem piezoelektrischen Element verwendet wird, wie in 5 gezeigt, die Verwendung der Verschiebungserfassungsmittel überflüssig wird.
Weiterhin gilt, dass obwohl 12 den Aufbau einer Vorrichtung zeigt, mittels dem die optische Wellenleitersonde 20 in Schwingungen versetzt wird, ein Vorrichtungsaufbau, der keinen Bimorphaktor 21 verwendet und eine Messung in einem Kontaktmodus als AFM durchführt, auch verwendet werden können. Verglichen mit dem Fall, wo die optische Wellenleitersonde 20 in Schwingungen versetzt wird, ist es in dem Falle, wo ein Betrieb im Kontaktmodus als AFM durchgeführt wird, üblicherweise so, dass falls die Federkonstante des elastischen Wirkungsbereichs der Sonde eine große Amplitude aufweist, es wahrscheinlich ist, dass eine Beschädigung an der Spitze der optischen Wellenleitersonde 20 und der Probe auftreten kann. Da die optische Wellenleitersonde 20 der vorliegenden Erfindung es ermöglicht, die Federkonstante des elastischen Wirkbereichs klein auszuführen, ist es möglich eine hochauflösende Messung unter Verwendung eines Kontaktmodus des AFM durchzuführen.
Weiterhin kann in dem Fall, in dem ein Kontaktmodus eines AFM durchgeführt wird unter Verwendung der optischen Wellenleitersonde 20 gemäß der vorliegenden Erfindung, falls die Verschiebungserfassungsmittel 22, die in 10 gezeigt sind, so ausgeführt sind, dass sie eine zusätzliche Funktion als Torsionserfassungsmittel zeigen zum Erfassen der Torsion der optischen Wellenleitersonde 20, während des Abtastens hiervon oder falls Torsionserfassungsmittel separat bereitgestellt werden, es möglich sein, die Torsion der Sonde zu erfassen als eine Reibungskraft, die zwischen der Sonde und der Oberfläche der Probe während des Abtastens wirkt. D. h., dass es möglich ist, ein Reibungskraftmikroskop vom Abtasttyp zu verwirklichen durch Verwendung der optischen Wellenleitersonde 20, wodurch es möglich ist, eine Vergleichsmessung durchzuführen zwischen der Reibungskraft, die an der Oberfläche der Probe auftritt und deren optischen Eigenschaften. Falls z. B. ein Fotodetektor, der als Lichtzeigerhebel dient, aus einer Fotodiode hergestellt wird, welche vertikale/horizontale vierfach unterteilte Lichtempfangsoberflächen aufweist und wobei diese Fotodiode verwendet wird als Torsionserfassungsmittel, so kann die Verschiebung der optischen Wellenleitersonde 20 erfasst werden als Differenz zwischen den Signalen aus den vertikalen zweifach unterteilten Lichtempfangsoberflächen der Fotodiode, während andererseits die Torsion der optischen Wellenleitersonde 20 erfasst werden kann als Differenz zwischen den Signalen aus den horizontalen zweigeteilten Lichtempfangsoberflächen der Fotodiode.
Weiterhin gilt, dass falls ein Aufbau gewählt wird, bei dem eine geradlinige Sonde, wie in 1 oder 3 gezeigt, verwendet wird, der angespitzte Bereich der Sonde horizontal in Schwingungen versetzt wird, relativ zur Oberfläche der Probe 23, und es dadurch möglich ist, durch Verwendung der Verschiebungskraft, die zwischen der Spitze der Sonde und der Oberfläche der Probe wirkt, ein Nahfeldabtastmikroskop bereitzustellen, welches in der Lage ist, eine Abtastung durchzuführen, während der Abstand zwischen der Spitze der Sonde und der Oberfläche der Probe konstant gehalten wird.
Falls eine Abdeckung bereitgestellt wird, um einen Flüssigkeitsbehälter zu bedecken, der bereitgestellt ist für ein jedes der oben erläuterten Nahfeldabtastmikroskope, sodass die Sonde und die Probe in Flüssigkeit bedeckt gehalten werden können, ist es weiterhin möglich, eine Messung in Flüssigkeit durchzuführen.
Obwohl in der vorherstehenden Beschreibung eine optische Wellenleitersonde erläutert worden ist, kann diese Sonde auch nur zur Verwendung in einem AFM bereitgestellt werden. In diesem Fall ist die Bereitstellung eines Metallbeschichtungsfilms im angespitzten Bereich nicht notwendig, was zu dem Ergebnis führt, dass der angespitzte Bereich in einen spitzeren Aufbau ausgeformt werden kann. Als Sondenmaterial kann eine optische Faser, Glasfaser, ein dünner Metalldraht, usw. verwendet werden. Als Charakteristikum der optischen Wellenleitersonde, welches auftritt, wenn diese als AFM-Sonde verwendet wird, insbesondere in einem Modus zum Erfassen der atomaren Kraft durch in Schwingung-Versetzen der Sonde in einer Flüssigkeit, in Vergleich zu einer herkömmlichen AFM-Sonde, die aus einem platierten Aufbau besteht, und somit dem Effekt der Viskosität der Störungsschwingungen unterliegt, welche sich im Inneren der Flüssigkeit ausbreiten, zeigt die Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung sehr stabile Resonanzeigenschaften, wodurch eine stabile Messung ermöglicht wird.
Wie oben erläutert, kann es gemäß dem Aufbau der Sonde und dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht werden, die Federkonstante des elastischen Wirkbereichs sehr klein in ihrem Wert zu machen und eine weiche Probe zu messen, ohne sie zu verformen. Weiterhin ist es möglich, eine Beeinträchtigung der Probe und der Sondenspitze zu verhindern. Weiterhin kann es durch ein kegelförmiges Anspitzen des Übergangsbereichs in der Grenzzone zwischen dem Basisbereich und dem elastischen Wirkungsbereich ermöglicht werden, die Bedeckbarkeit des Übergangsbereichs durch einen metallischen Film zu erhöhen. Außerdem ist es möglich, die Beschädigung der Probe und der Spitze der Sonde zu verhindern. Weiterhin kann durch ein kegelförmiges Zulaufenlassen des Übergangsbereichs in der Grenzzone zwischen dem Basisbereich und dem elastischen Wirkungsbereich es ermöglicht werden, die Bedeckbarkeit des Übergangsbereichs mittels eines Metallfilms zu erhöhen, und dadurch das Auftreten von optischen Streuverlusten aus der optischen Wellenleitersonde zu verhindern. Weiterhin kann im Falle des Anbringens einer Sonde auf einem Typ von Gerät, der eine Abtaststeuerung durchführt mittels Verwendung der Resonanz der Sonde, wobei die Spitze der Sonde horizontal oder vertikal relativ zur Oberfläche der Probe in Schwingungen versetzt wird, es ermöglicht werden, den elastischen Funktionsbereich zu verkürzen, ohne die Federkonstante zu erhöhen, um so die Resonanzfrequenz zu erhöhen und damit die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen. Weiterhin ist es möglich, eine AFM-Messung im Kontaktmodus durchzuführen. Als Ergebnis dessen kann eine Messung durchgeführt werden, bei der die Nahfeldintensität theoretisch in einem Maximalzustand gehalten wird. Und weiterhin wird die Horizontalauflösung der Probenoberfläche verbessert. Insbesondere dann wenn die optische Wellenleitersonde gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird durch Anbringen auf den Nahfeldabtastmikroskop, können zwei Datenarten, d. h. Unregelmäßigkeiten und optische Eigenschaften der Probenoberfläche gleichzeitig und mit höherer Auflösung gemessen werden.
Weiterhin ist dann, wenn eine Messung durchgeführt wird in dem Zustand, in dem sich die Sonde in einer Lösung mit Schwingungen befindet, eine stabile Messung möglich im Vergleich zu einer Messung, welche die herkömmliche plattenförmige AFM-Sonde verwendet.

Claims

Sonde (1) für ein Oberflächenabtastmikroskop, welche umfasst: einen elastisch wirkenden Bereich (4), der einen nicht kegelförmigen Bereich aufweist sowie einen Bereich, der in einem angespitzten Endbereich endet zum Erfassen einer atomaren Kraft; und einen Basisbereich (5), welcher so ausgebildet ist, dass er dicker ist als der äußere Aufbau des elastisch wirkenden Bereichs (4), dadurch gekennzeichnet, dass der elastisch wirkende Bereich (4) gestützt wird durch den Basisbereich (5) mittels eines eingeschnürten Bereichs (8), dessen äußerer Aufbau dünner ist als der des nicht-kegelförmigen Bereichs des elastisch wirkenden Bereichs (4), wobei der dünnere Aufbau des eingeschnürten Bereichs (8) dazu dient, die Federkonstante des elastisch wirkenden Bereichs (4) zu verringern.
Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem optischen Wellenleiter besteht, der umfasst: den angespitzten Endbereich zum Erfassen einer atomaren Kraft, wobei er an seinem Ende eine Apertur aufweist, die es erlaubt, die Transmission von Licht hierdurch zu gestatten, und einen metallischen Film (7) außer an der Apertur.
Eine Sonde (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Basisbereich (S) ein kreisförmiger zylindrischer Bereich ist.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Übergangsbereich (6) in einem Grenzbereich zwischen dem Basisbereich (S) und dem elastisch wirkenden Bereich (4) in der Form eines Kegelstumpfs ausgeführt ist.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Querschnitt des eingeschnürten Bereichs (8) von flacher Gestalt ist.
Sonde (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der elastisch wirkende Bereich (4) in der Form eines Hakens an einem angespitzten Endbereich hiervon ausgebildet ist.
Sonde (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der elastisch wirkende Bereich (4) ausgebildet ist in Form eines geraden Abschnitts an einem angespitzten Endbereich hiervon.
Sonde (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welcher weiter umfasst: ein piezoelektrisches Element (9), welches einstückig integriert ausgebildet ist mit dem elastisch wirkenden Bereich (4), und elektrisch eine Störung erfasst, welche in dem elastisch wirkenden Bereich (4) auftritt.
Sonde (1) nach Anspruch 8, wobei das piezoelektrische Element (9) ein Quarzoszillator ist.
Verfahren zum Herstellen einer Sonde (1) gemäß Anspruch 1, welches die folgenden Schritte umfasst: Vermindern des Außendurchmessers eines Teils der Sonde (1); Anspitzen eines Endes des Teils der Sonde (1), welcher den verringerten Außendurchmesser aufweist; und Ausbilden eines eingeschnürten Bereichs (8) in einem Teil eines elastisch wirkenden Bereichs (4) des Materials der Sonde (1) durch chemisches Ätzen, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Aufbau des eingeschnürten Bereichs (8) dünner ist als der des elastisch wirkenden Bereichs (4), welcher den eingeschnürten Bereich (8) umgibt.
Verfahren zum Herstellen einer Sonde (1) gemäß Anspruch 10, welches weiter umfasst: Ausbilden des angespitzten Bereichs der Sonde (1) in einen Haken.
Verfahren zum Herstellen einer Sonde (1) gemäß Anspruch 10 oder 11, welches weiter umfasst: Abscheiden eines Metallfilms (7) auf dem angespitzten Bereich der Sonde (1), wobei der Aperturbereich hiervon ausgespart wird.
Verfahren zum Herstellen einer Sonde (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Schritt des Verringerns des Außendurchmessers eines Teils der Sonde (1) und der Schritt des Anspitzens eines Endes des Teils der Sonde (1) chemische Naßätzschritte sind, welche dieselbe Ätzlösung verwenden, und weiterhin einen Schritt umfassen des Eintauchens der Sonde (1) in eine Ätzlösung, um hierdurch den Außendurchmesser des Teils hiervon zu verringern, und als nächstes Hochziehen der Sonde (1), um eine vorbestimmte Länge hiervon, und weitere Fortsetzung des Ätzens, um dadurch den angespitzten Bereich hiervon zu anspitzen.
Verfahren zum Herstellen einer Sonde (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Schritt des Anspitzens des Endbereichs der Sonde (1) ein Schritt ist zum Beaufschlagen einer ziehenden Kraft auf den optischen Wellenleiter während er erhitzt wird durch Heizmittel und Ziehen desselben bis zum Bruchpunkt.
Verfahren zum Herstellen einer Sonde (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Schritt des Ausbildens eines eingeschnürten Bereichs (8) in einem Teil des elastisch wirkenden Bereichs (4) ein Schritt ist zum Ausbilden eines Schutzfilms (13) auf dem Endbereich der Sonde (1) auf einen Teil oder die Gesamtheit des elastisch wirkenden Bereichs (4) um hierdurch einen eingeschnürten Bereich (8) durch chemisches Naßätzen zu bilden.
Verfahren zum Herstellen einer Sonde (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Schritt des Verminderns des Außendurchmessers der Sonde (1), der Schritt des Anspitzens des Endbereichs der Sonde (1) und der Schritt des Ausbildens eines eingeschnürten Bereichs (8) der Sonde (1) darin bestehen, dass ein Ätzbad verwendet wird, welches aus einer ersten Lösungsschicht (10) besteht, die ihrerseits hauptsächlich aus Fluorwasserstoffsäure besteht, und einer zweiten Lösungsschicht (11), welche ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist als die erste Lösungsschicht (10) und nicht reagiert und nicht vermischt wird mit der ersten Lösungsschicht (10).
Verfahren zum Herstellen einer Sonde (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Schritt des Ausbildens eines eingeschnürten Bereichs (8) darin besteht, dass ein Ätzbad verwendet wird, welches aus einer ersten Lösungsschicht (10) besteht, welche ihrerseits hauptsächlich aus Flourwasserstoffsäure besteht, einer zweiten Lösungsschicht (11), welche ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist als die erste Lösungsschicht (10) und welche nicht reagiert und nicht vermischt wird mit der ersten Lösungsschicht (10), und einer dritten Lösungsschicht (12), welche ein größeres spezifisches Gewicht aufweist als die erste Lösungsschicht (10) und welche nicht reagiert und sich nicht vermischt mit weder der ersten (10) noch der zweiten (11) Lösungsschicht.
Verfahren zum Herstellen einer Sonde (1) gemäß Anspruch 17, wobei die erste Lösungsschicht (10) der dreilagigen Ätzlösung ein oberflächenaktives Mittel enthält.
Verfahren zum Herstellen einer Sonde (1) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei das Ätzen dadurch durchgeführt wird, dass die Dreilagenätzlösung in eine Kapillare (14) eingefüllt wird.
Abtastsondenmikroskop zum Messen einer Topographie einer Probe (23) unter Verwendung einer atomaren Kraft zwischen der Probe (23) und einer Sonde (1), welches umfasst: Eine Sonde (1), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9; Schwingungsmittel (21) um einen Endbereich der Sonde (1) und die Oberfläche der Probe (23) relativ zueinander horizontal oder vertikal in Schwingungen zu versetzen; Erfassungsmittel (22) zum Erfassen der Verschiebung der Sonde (1); und Steuerungsmittel (25) zum Einhalten des Abstands zwischen dem Ende der Sonde (1) und der Oberfläche der Probe (23) auf einem vorbestimmten Abstandswert gemäß der Erfassungssignalausgabe von den Erfassungsmitteln.
Abtastsondenmikroskop gemäß Anspruch 20, welches weiterhin ausgelegt ist zum Messen einer optischen Information der Probe (23) unter Verwendung von Licht, welches eingestrahlt wird oder erfasst wird von der Probe (23).
Abtastsondenmikroskop gemäß Anspruch 20 zum Messen einer Topographie einer Probe (23) durch In-Kontakt-Bringen einer Sonde (1) mit einer Oberfläche einer Probe (23).
Abtastsondenmikroskop gemäß Anspruch 20 zum Messen einer Topographie einer Probe (23) durch In-Kontakt-Bringen einer Sonde (1) mit einer Oberfläche einer Probe (23) und zum Messen einer optischen Information der Probe (23) durch Verwendung von Licht, welches eingestrahlt wird auf oder erfasst wird von der Probe (23).
Abtastsondenmikroskop nach einem der Ansprüche 20 bis 23, welches weiterhin Erfassungsmittel enthält zum Erfassen einer Torsion der Probe (1).