WO1996030717A1 - Micromechanical probe for a scanning microscope - Google Patents

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WO1996030717A1
WO1996030717A1 PCT/EP1996/001321 EP9601321W WO9630717A1 WO 1996030717 A1 WO1996030717 A1 WO 1996030717A1 EP 9601321 W EP9601321 W EP 9601321W WO 9630717 A1 WO9630717 A1 WO 9630717A1
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layer
probe
micromechanical
piezo
probe according
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PCT/EP1996/001321
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Manfred Weihnacht
Günter Martin
Karlheinz Bartzke
Wolfgang Richter
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Carl Zeiss Jena Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/02—Multiple-type SPM, i.e. involving more than one SPM techniques
    • G01Q60/04—STM [Scanning Tunnelling Microscopy] combined with AFM [Atomic Force Microscopy]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
    • G01Q10/04—Fine scanning or positioning
    • G01Q10/045—Self-actuating probes, i.e. wherein the actuating means for driving are part of the probe itself, e.g. piezoelectric means on a cantilever probe
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/02—Multiple-type SPM, i.e. involving more than one SPM techniques
    • G01Q60/06—SNOM [Scanning Near-field Optical Microscopy] combined with AFM [Atomic Force Microscopy]

Definitions

  • the invention relates to the field of measurement technology and relates to a micromechanical probe for scanning microscopes.
  • the probe can be used for atomic force microscopy (AFM), scanning tunneling microscopy (STM) and optical near-field microscopy (SNOM), with which topological, electrical and optical measurement data of surfaces can be obtained.
  • AFM atomic force microscopy
  • STM scanning tunneling microscopy
  • SNOM optical near-field microscopy
  • a micro-probe tip arranged on a probe is passed over the surface to be examined at a distance of a few nanometers.
  • the AFM evaluates the interatomic forces detected by the micro-probe tip and, in the case of the STM, the tunnel current of a few nA. which occurs at a voltage of a few mV between the tip and an electrically conductive surface.
  • Piezo actuators are essential in the technical implementation, which enable the probe guidance in the near field of the surface with the resolution of picometers.
  • a measuring technique that detects the interaction and a control mechanism keep the distance between the micro-probe tip and the surface to be examined at picometers constant during scanning.
  • the probe With the SNOM, the probe usually consists of an optically transparent tip with an aperture significantly smaller than the wavelength of the light.
  • the probe is guided in the near field over the sample to be examined and serves to send light emerging from its aperture to the sample.
  • the probe also serves as a light receiver or in the case of total reflection of the light on the sample surface in the evanescent field for the extraction of photons.
  • Micromechanical probes for the AFM and the STM are already known in various embodiments.
  • an arrangement designed for the STM is described in US Pat. No. 4,912,822, which enables static movements in 3 mutually perpendicular coordinate directions.
  • the arrangement which is constructed according to the cantilever principle and is produced by means of microelectronic technologies, has the shape of an extension arm with a micro-probe tip at the end.
  • the cantilever is designed as a layer package consisting of 2 piezo layers and a large number of metal layers serving as electrodes. The metal layers are arranged above, below and between the piezo layers and also laterally from one another.
  • the micro probe tip is made from tantalum or another electrically conductive material and is arranged vertically on the surface of the layer package.
  • the movements of the cantilever serve to bring the micro-probe tip closer to the surface to be examined and to guide it laterally over the surface.
  • the movements are made possible by utilizing the reciprocal piezoelectric effect in thin layers which are surrounded on both sides by electrodes.
  • the layer package is deformed by applying electrical voltages to the electrodes of the layer package. The deformation is possible as longitudinal expansion and bending. This makes it possible to move the micro-probe tip in all 3 spatial directions.
  • different electrical DC potentials are applied to selected pairs of electrodes. These potentials lead to movements in the longitudinal, thickness and transverse directions as well as to the tilting of the micro-probe tip.
  • This allows the micro-probe tip to both approach the surface in a defined manner and to be moved and tilted sideways.
  • the micro-probe tip is kept at a distance from a conductive surface with the aid of the applied voltages such that the tunnel current between the probe tip and the surface is constant.
  • the application of this arrangement is limited to the STM.
  • a micromechanical probe which consists of a quartz crystal and a stylus (Intern. Journ. Optoelectronics, 1993, Vol. 8, Nos. 5/6. 669-676).
  • the piezoelectrically excited probe needle vibrates at a frequency of 1 MHz perpendicular to the sample surface to be examined and allows the repulsive forces from the measurement of the phase behavior of the needle tip vibrating in the force field of the sample to be measured in a purely electrical manner.
  • the use of this probe is limited to the AFM.
  • Their force sensitivity is only in the range of nN and the time constant ⁇ which is decisive for the measuring dynamics is only in the ms range.
  • the invention has for its object to provide a universally applicable micromechanical probe for scanning microscopes, which enables scanning microscopic examinations with a higher lateral resolution and with a smaller time constant ⁇ in the ⁇ s range and thus guarantees a high measuring speed.
  • the probe consists of a carrier and an associated, designed as a layer package cantilever, which contains at least one piezo layer and several metal layers and which carries a micro-probe tip at its free end, the multilayer cantilever performing the probe functions for performing atomic force microscopy (AFM), scanning tunneling microscopy (STM) and near-field optical microscopy (SNOM) are combined by applying an alternating voltage to the piezo layer / s, the frequency of which corresponds to one of the resonance frequencies of the cantilever, and by the cantilever at least contains a light guide layer, which is connected in a light-guiding manner to an optically transparent micro-probe tip.
  • AFM atomic force microscopy
  • STM scanning tunneling microscopy
  • SNOM near-field optical microscopy
  • an alternating voltage is applied to the piezo layer / s, the frequency of which corresponds to the longitudinal resonance of the cantilever, and the micro-probe tip is arranged at the free end of the cantilever on the end face of the light guide layer.
  • the layer package forming the cantilever can expediently be continued as a layer system on or in the carrier.
  • the piezo layer / s can consist of zinc oxide (ZnO) or aluminum nitride (A1N) or a PZT material.
  • the piezo layer (s) of the layer package can only extend over part of the length of the boom, starting at the fixed end of the boom.
  • the metal layers of the layer package can only extend over part of the length of the boom, starting at the fixed end of the boom.
  • the metal layer on the surface of the piezo layer is interrupted in places, such that there are two strip-shaped, diametrically arranged piezo resonators which are connected to one another in an oscillation node by one end.
  • one of the metal layers can expediently be led to the end of the micro-probe tip.
  • the optical waveguide layer consists of an optically highly refractive material, preferably of silicon carbide (SiC).
  • optical waveguide layer at the free end of the cantilever is expediently tapered toward the micro-probe tip.
  • the micromechanical probe according to the invention is distinguished from the prior art in that it can be used for multimode scanning probe microscopy, in that it can be used universally for scanning AF microscopes for AF-STM and SNOM, with which topological, electrical and optical measurement data from surfaces can be obtained. Also of particular advantage are the significantly higher performance parameters compared to the known solutions.
  • the solution principle according to the invention thus offers the possibility of a substantial reduction in the probe dimensions. On this way it is possible to reduce the masses and increase the operating frequency to values well above 1 MHz, for example in the range from 50-100 MHz, and the sensitivity to touch or the lateral resolution of approximately 50 nm and the measuring speed are thus significantly increased.
  • the light-optical means provided for the SNOM and their configuration.
  • a purely dielectric optical waveguide made of a particularly high-refractive material is used for the spatial concentration of the light instead of the metal-coated probe tip that was previously customary.
  • This optical fiber guides the light without any significant loss of reflection or absorption.
  • the cross section of the optical waveguide can be very small, as a result of which local illumination of an object with high light intensity or local detection of the light intensity in the near field of an object with low optical losses is possible. This can shorten the time required to scan a microscopic image compared to the conventional arrangements.
  • the probe shown combines the functions required for force microscopy, tunnel microscopy and optical near-field microscopy and can therefore be used for multimode scanning microscopes.
  • a cantilever 2 projects beyond a carrier 1 and is equipped with two piezoelectric resonator tongues 3 and 4.
  • a probe tip 5 is located at the end of the resonator tongue 3.
  • the cantilever 2 consists of a layer package which is composed of an optical waveguide layer 6, a first metal layer 7, a piezoelectric layer 8 and a second metal layer 9.
  • the metal layers 7 and 9 have contact points 10 to 13 in the region of the carrier.
  • the resonator tongues 3 and 4 are excited to longitudinal vibrations with the aid of the piezoelectric layer 8.
  • an alternating voltage is applied between the metal layers 7 and 9 via the contact points 10 and 11 for the resonator tongue 3 and via the contact points 12 and 13 for the resonator tongue 4.
  • the frequency is chosen so that the wavelength of the longitudinal vibrations in the resonator tongues 3 and 4 is four times the length of the resonator tongues. In this case, the ends of the resonator tongues vibrate with maximum amplitude, and an oscillation node is formed at their connection point. If the resonator tongue is not to be used as a reference resonator for the resonator tongue 3, in deviation from this exemplary embodiment, the second metal layer 9 is not interrupted at the connection point between the resonator tongue 3 and the resonator tongue 4 and the AC voltage is, for example, only applied to the contact points 10 and 11 created.
  • the metal layer 7 lying within the layer package is guided on the micro-probe tip 5 to the end thereof and thus simultaneously serves as an electrode for realizing the tunnel microscopic function of the probe.
  • the light path can also be used in the opposite direction to detect optical signals from the sample.

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Abstract

The invention addresses the task of designing a universally applicable micromechanical probe for scanning microscopes which will facilitate scanning-microscopic investigations with higher lateral resolution and high measurement speed. The probe comprises a support and connected thereto an extension arm which takes the form of a packet of layers including at least one piezo-layer and several metal layers and at its free end carries a microprobe tip. The multiple-layer extension arm combines the probe functions entailed by atomic force microscopy (AFM), scanning-tunnelling microscopy (STM) and optical near-field microscopy (SNOM) by applying to the piezo-layer(s) an alternating voltage whose frequency matches one of the resonance frequencies of the extension arm, and by providing the extension arm with at least one optical transmission layer which is connected to an optically transparent microprobe tip so as to conduct light. The probe can be used to obtain topological, electrical and optical measured data from surfaces.

Description

Mikromechanische Sonde für RastermikroskopeMicromechanical probe for scanning microscopes
Beschreibungdescription
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Meßtechnik und be¬ trifft eine mikromechanische Sonde für Rastermikroskope. Die Sonde ist anwendbar für die Atom-Kraft-Mikroskopie (AFM) , die Raster-Tunnel-Mikroskopie (STM) und die optische Nahfeldmikro- skopie (SNOM) , mit denen topologische, elektrische und optische Meßdaten von Oberflächen gewonnen werden können.The invention relates to the field of measurement technology and relates to a micromechanical probe for scanning microscopes. The probe can be used for atomic force microscopy (AFM), scanning tunneling microscopy (STM) and optical near-field microscopy (SNOM), with which topological, electrical and optical measurement data of surfaces can be obtained.
Bei der AFM und der STM wird eine an einer Sonde angeordnete Mikrotastspitze im Abstand von wenigen Nanometern über die zu untersuchende Oberfläche geführt. Ausgewertet werden bei der AFM die von der Mikrotastspitze erfaßten zwischenatomaren Kräfte und im Falle der STM der Tunnelstrom von einigen nA. der sich bei einer Spannung von wenigen mV zwischen Spitze und einer elek¬ trisch leitfähigen Oberfläche einstellt. Wesentlich bei der technischen Realisierung sind Piezosteller, die mit Auflösungen von Picometern die Sondenführung im Nahfeld der Oberfläche ge¬ statten. Eine die Wechselwirkung erfassende Meßtechnik und ein Regelmechanismus halten beim Scannen den Abstand zwischen Mikro¬ tastspitze und zu untersuchender Oberfläche auf Picometer kon- stant. Bei der SNOM besteht die Sonde in der Regel aus einer optisch transparenten Spitze mit einer Apertur wesentlich kleiner als die Wellenlänge des Lichtes. Die Sonde wird im Nah¬ feld über die zu untersuchende Probe geführt und dient dazu, aus ihrer Apertur austretendes Licht auf die Probe zu senden. Außer- dem dient die Sonde auch als Lichtempfänger oder bei Total¬ reflexion des Lichtes an der Probenoberfläche im evaneszenten Feld zum Absaugen von Photonen. Mikromechanische Sonden für die AFM und die STM sind in verschiedenen Ausführungsformen bereits bekannt.With the AFM and the STM, a micro-probe tip arranged on a probe is passed over the surface to be examined at a distance of a few nanometers. The AFM evaluates the interatomic forces detected by the micro-probe tip and, in the case of the STM, the tunnel current of a few nA. which occurs at a voltage of a few mV between the tip and an electrically conductive surface. Piezo actuators are essential in the technical implementation, which enable the probe guidance in the near field of the surface with the resolution of picometers. A measuring technique that detects the interaction and a control mechanism keep the distance between the micro-probe tip and the surface to be examined at picometers constant during scanning. With the SNOM, the probe usually consists of an optically transparent tip with an aperture significantly smaller than the wavelength of the light. The probe is guided in the near field over the sample to be examined and serves to send light emerging from its aperture to the sample. In addition, the probe also serves as a light receiver or in the case of total reflection of the light on the sample surface in the evanescent field for the extraction of photons. Micromechanical probes for the AFM and the STM are already known in various embodiments.
So ist beispielweise in der US-PS 4 912 822 eine für die STM konzipierte Anordnung beschrieben, die statische Bewegungen in 3 aufeinander senkrecht stehenden Koordinatenrichtungen ermöglicht. Die Anordnung, die nach dem Cantilever-Prinzip auf¬ gebaut ist und mittels Mikroelektroniktechnologien hergestellt wird, hat die Form eines Auslegers mit am Ende befindlicher Mikrotastspitze. Der Ausleger ist als Schichtpaket ausgebildet, das aus 2 Piezoschichten und einer Vielzahl von als Elektroden dienenden Metallschichten besteht. Die Metallschichten sind oberhalb, unterhalb und zwischen den Piezoschichten und auch seitlich voneinander angeordnet. Die Mikrotastspitze ist aus Tantal oder einem anderen elektrisch leitfähigen Werkstoff her¬ gestellt und senkrecht auf der Oberfläche des Schichtpaketes an¬ geordnet. Die Bewegungen des Auslegers dienen der Annäherung der Mikrotastspitze an die zu untersuchende Oberfläche und der seitlichen Führung über die Oberfläche. Die Bewegungen werden ermöglicht durch Ausnutzung des reziproken piezoelektrischen Effekts in dünnen Schichten, die beidseits von Elektroden umge¬ ben sind. Durch Anlegen von elektrischen Spannungen an die Elektroden des Schichtpakets wird das Schichtpaket deformiert. Die Deformation ist als Längsdehnung und Verbiegung möglich. Damit ist es möglich, die Mikrotastspitze in allen 3 Raum¬ richtungen zu bewegen. Je nach Erfordernis werden dazu unterschiedliche elektrische Gleichspannungspotentiale an ausgewählte Elektrodenpaare gelegt. Diese Potentiale führen zu Bewegungen in Längs-, Dicken- und Querrichtung sowie zur Verkippung der Mikrotastspitze. Damit kann die Mikrotastspitze sowohl definiert der Oberfläche angenähert als auch seitlich bewegt und gekippt werden. Zum Beispiel ist vorgesehen, die Mikrotastspitze mit Hilfe der angelegten Spannungen in einem solchen Abstand zu einer leitenden Oberfläche zu halten, daß der Tunnelstrom zwischen Tastspitze und Oberfläche konstant ist. Die Anwendungsmöglichkeit dieser Anordnung ist auf die STM beschränkt.For example, an arrangement designed for the STM is described in US Pat. No. 4,912,822, which enables static movements in 3 mutually perpendicular coordinate directions. The arrangement, which is constructed according to the cantilever principle and is produced by means of microelectronic technologies, has the shape of an extension arm with a micro-probe tip at the end. The cantilever is designed as a layer package consisting of 2 piezo layers and a large number of metal layers serving as electrodes. The metal layers are arranged above, below and between the piezo layers and also laterally from one another. The micro probe tip is made from tantalum or another electrically conductive material and is arranged vertically on the surface of the layer package. The movements of the cantilever serve to bring the micro-probe tip closer to the surface to be examined and to guide it laterally over the surface. The movements are made possible by utilizing the reciprocal piezoelectric effect in thin layers which are surrounded on both sides by electrodes. The layer package is deformed by applying electrical voltages to the electrodes of the layer package. The deformation is possible as longitudinal expansion and bending. This makes it possible to move the micro-probe tip in all 3 spatial directions. Depending on the requirements, different electrical DC potentials are applied to selected pairs of electrodes. These potentials lead to movements in the longitudinal, thickness and transverse directions as well as to the tilting of the micro-probe tip. This allows the micro-probe tip to both approach the surface in a defined manner and to be moved and tilted sideways. For example, it is provided that the micro-probe tip is kept at a distance from a conductive surface with the aid of the applied voltages such that the tunnel current between the probe tip and the surface is constant. The application of this arrangement is limited to the STM.
Bekannt ist auch eine mikromechanische Sonde, die aus einem Schwingquarz und einer Tastnadel besteht (Intern. Journ. Optoelectronics, 1993, Vol. 8, Nos. 5/6. 669-676) . Die piezo¬ elektrisch erregte Tastnadel schwingt mit einer Frequenz von 1 MHz senkrecht zu der zu untersuchenden Probenoberfläche und gestattet eine materialschonende Bestimmung der abstoßenden Kräfte aus der Messung des Phasenverhaltens der im Kraftfeld der Probe schwingenden Nadelspitze auf rein elektrischem Wege. Die Anwendung dieser Sonde ist auf die AFM beschränkt. Ihre Kraft¬ empfindlichkeit liegt nur im Bereich von nN und die für die Meßdynamik maßgebende Zeitkonstante τ nur im ms-Bereich.A micromechanical probe is also known which consists of a quartz crystal and a stylus (Intern. Journ. Optoelectronics, 1993, Vol. 8, Nos. 5/6. 669-676). The piezoelectrically excited probe needle vibrates at a frequency of 1 MHz perpendicular to the sample surface to be examined and allows the repulsive forces from the measurement of the phase behavior of the needle tip vibrating in the force field of the sample to be measured in a purely electrical manner. The use of this probe is limited to the AFM. Their force sensitivity is only in the range of nN and the time constant τ which is decisive for the measuring dynamics is only in the ms range.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine universell an¬ wendbare mikromechanische Sonde für Rastermikroskope zu schaffen, die rastermikroskopische Untersuchungen mit einer höheren lateralen Auflösung sowie mit einer im μs-Bereich liegenden kleineren Zeitkonstante τ ermöglicht und damit eine hohe Meßgeschwindigkeit garantiert.The invention has for its object to provide a universally applicable micromechanical probe for scanning microscopes, which enables scanning microscopic examinations with a higher lateral resolution and with a smaller time constant τ in the μs range and thus guarantees a high measuring speed.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mit der in den Patent¬ ansprüchen dargestellten mikromechanischen Sonde gelöst.This object is achieved according to the invention with the micromechanical probe shown in the claims.
Die Sonde besteht aus einem Träger und einem damit verbundenen, als Schichtpaket ausgebildeten Ausleger, der mindestens eine Piezoschicht und mehrere Metallschichten enthält und der an seinem freien Ende eine Mikrotastspitze trägt, wobei der mehr- schichtige Ausleger die Sondenfunktioneπ zur Durchführung der Atom-Kraft-Mikroskopie (AFM) , der Raster-Tunnel-Mikroskopie (STM) und der optischen Nahfeldmikroskopie(SNOM) in sich vereint, indem an die Piezoschicht/en eine Wechselspannung angelegt ist, deren Frequenz mit einer der Resonanzfrequenzen des Auslegers übereinstimmt, und indem der Ausleger mindestens eine Lichtleiterschicht enthält, die mit einer optisch transparenten Mikrotastspitze lichtleitend verbunden ist.The probe consists of a carrier and an associated, designed as a layer package cantilever, which contains at least one piezo layer and several metal layers and which carries a micro-probe tip at its free end, the multilayer cantilever performing the probe functions for performing atomic force microscopy (AFM), scanning tunneling microscopy (STM) and near-field optical microscopy (SNOM) are combined by applying an alternating voltage to the piezo layer / s, the frequency of which corresponds to one of the resonance frequencies of the cantilever, and by the cantilever at least contains a light guide layer, which is connected in a light-guiding manner to an optically transparent micro-probe tip.
Nach zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung ist an die Piezoschicht/en eine Wechselspannung angelegt, deren Frequenz mit der Längsresonanz des Auslegers übereinstimmt, und ist die Mikrotastspitze am freien Ende des Auslegers an der Stirnseite der Lichtleiterschicht angeordnet. Zweckmäßigerweise kann das den Ausleger bildende Schichtpaket als Schichtsystem auf dem oder im Träger fortgeführt sein.According to expedient embodiments of the invention, an alternating voltage is applied to the piezo layer / s, the frequency of which corresponds to the longitudinal resonance of the cantilever, and the micro-probe tip is arranged at the free end of the cantilever on the end face of the light guide layer. The layer package forming the cantilever can expediently be continued as a layer system on or in the carrier.
Die Piezoschicht/en können aus Zinkoxid (ZnO) oder Aluminium- nitrid (A1N) oder einem PZT-Werkstoff bestehen.The piezo layer / s can consist of zinc oxide (ZnO) or aluminum nitride (A1N) or a PZT material.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung können die Piezo¬ schicht/en des Schichtpaketes am festen Ende des Auslegers beginnend sich nur über einen Teil der Länge des Auslegers erstrecken. Ebenso können die Metallschichten des Schichtpaketes am festen Ende des Auslegers beginnend sich nur über einen Teil der Länge des Auslegers erstrecken.According to an embodiment of the invention, the piezo layer (s) of the layer package can only extend over part of the length of the boom, starting at the fixed end of the boom. Likewise, the metal layers of the layer package can only extend over part of the length of the boom, starting at the fixed end of the boom.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Metallschicht auf der Oberfläche der Piezoschicht stellenweise unterbrochen, derart, daß zwei streifenförmige, diametral angeordnete Piezoresonatoren vorliegen, die mit ihrem einen Ende in einem Schwingungsknoten miteinander verbunden sind.According to an advantageous embodiment of the invention, the metal layer on the surface of the piezo layer is interrupted in places, such that there are two strip-shaped, diametrically arranged piezo resonators which are connected to one another in an oscillation node by one end.
Für den STM-Einsatz der Sonde kann zweckmäßig eine der Metall¬ schichten bis an das Ende der Mikrotastspitze geführt sein.For the STM use of the probe, one of the metal layers can expediently be led to the end of the micro-probe tip.
Die Lichtwellenleiter-Schicht besteht erfindungsgemäß aus einem optisch hochbrechenden Werkstoff, vorzugsweise aus Silicium- carbid (SiC) .According to the invention, the optical waveguide layer consists of an optically highly refractive material, preferably of silicon carbide (SiC).
Zweckmäßigerweise ist die Lichtwellenleiter-Schicht am freien Ende des Auslegers sich zur Mikrotastspitze hin verjüngend ausgebildet.The optical waveguide layer at the free end of the cantilever is expediently tapered toward the micro-probe tip.
Die erfindungsgemäße mikromechanische Sonde zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, daß diese für eine Multimoden-Rastersondenmikroskopie anwendbar ist, indem sie bei Rastermikroskopen universell für die AF-_, die STM und die SNOM eingesetzt werden kann, mit denen topologische, elektrische und optische Meßdaten von Oberflächen gewonnen werden können. Von besonderem Vorteil sind auch die gegenüber den bekannten Lösungen wesentlich höheren Leistungsparameter. So bietet das erfindungsgemäße Lösungsprinzip die Möglichkeit einer wesentlichen Verringerung der Sondendimensionen. Auf diesem Wege läßt sich eine Verringerung der Massen und die Erhöhung der Betriebsfrequenz auf Werte weit über 1 MHz, beispielsweise in den Bereich von 50-100 MHz realisieren, und werden so die Tastempfindlichkeit beziehungsweise die laterale Auflösung mit ca. 50 nm sowie die Meßgeschwindigkeit wesentlich erhöht.The micromechanical probe according to the invention is distinguished from the prior art in that it can be used for multimode scanning probe microscopy, in that it can be used universally for scanning AF microscopes for AF-STM and SNOM, with which topological, electrical and optical measurement data from surfaces can be obtained. Also of particular advantage are the significantly higher performance parameters compared to the known solutions. The solution principle according to the invention thus offers the possibility of a substantial reduction in the probe dimensions. On this way it is possible to reduce the masses and increase the operating frequency to values well above 1 MHz, for example in the range from 50-100 MHz, and the sensitivity to touch or the lateral resolution of approximately 50 nm and the measuring speed are thus significantly increased.
Vorteilhaft ist auch die erfindungsgemäße Einbeziehung der für die SNOM vorgesehenen lichtoptischen Mittel und deren Ausgestaltung. Hiernach wird zur räumlichen Konzentration des Lichtes statt der bisher üblichen metallüberzogenen Sondenspitze ein rein dielektrischer Lichtwellenleiter aus einem besonders hochbrechenden Werkstoff verwendet. Dieser Lichtwellenleiter führt das Licht ohne nennenswerte Verluste an Reflexion oder Absorption. Infolge des besonders hohen Brechungsindexes kann der Querschnitt des Lichtwellenleiters sehr gering sein, wodurch eine lokale Beleuchtung eines Objektes mit großer Lichtstärke oder die lokale Erfassung der Lichtintensität im Nahfeld eines Objektes mit geringen optischen Verlusten möglich ist. Dadurch kann die erforderliche Zeit zum Scannen eines mikroskopischen Bildes gegenüber den herkömmlichen Anordnungen verkürzt werden.Also advantageous is the inclusion according to the invention of the light-optical means provided for the SNOM and their configuration. According to this, a purely dielectric optical waveguide made of a particularly high-refractive material is used for the spatial concentration of the light instead of the metal-coated probe tip that was previously customary. This optical fiber guides the light without any significant loss of reflection or absorption. As a result of the particularly high refractive index, the cross section of the optical waveguide can be very small, as a result of which local illumination of an object with high light intensity or local detection of the light intensity in the near field of an object with low optical losses is possible. This can shorten the time required to scan a microscopic image compared to the conventional arrangements.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels der mikromechanischen Sonde näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt die Sonde in perspektivischer Darstellung.The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment of the micromechanical probe. The accompanying drawing shows the probe in perspective.
Die dargestellte Sonde vereinigt in sich die für die Kraft¬ mikroskopie, die Tunnelmikroskopie und die optische Nahfeld¬ mikroskopie erforderlichen Funktionen und ist damit für Multi- moden-Rastermikroskope einsetzbar.The probe shown combines the functions required for force microscopy, tunnel microscopy and optical near-field microscopy and can therefore be used for multimode scanning microscopes.
Bei dieser Sonde ragt über einen Träger 1 ein Ausleger 2 hinaus, der mit zwei piezoelektrischen Resonatorzungen 3 und 4 aus¬ gestattet ist. Am Ende der Resonatorzunge 3 befindet sich eine Tastspitze 5. Der Ausleger 2 besteht aus einem Schichtpaket, das aus einer Lichtwellenleiter-Schicht 6, einer ersten Metall¬ schicht 7, einer piezoelektrischen Schicht 8 und einer zweiten Metallschicht 9 zusammensetzt. Die Metallschichten 7 und 9 weisen im Bereich des Trägers Kontaktstellen 10 bis 13 auf. Die Resonatorzungen 3 und 4 werden mit Hilfe der piezoelektri¬ schen Schicht 8 zu Längsschwingungen angeregt. Dazu wird zwischen die Metallschichten 7 und 9 über die Kontakt¬ stellen 10 und 11 für die Resonatorzunge 3 und über die Kontakt- stellen 12 und 13 für die Resonatorzunge 4 eine Wechselspannung gelegt. Ihre Frequenz wird so gewählt, daß die Wellenlänge der Längsschwingungen in den Resonatorzungen 3 bzw. 4 den vierfachen Wert der Länge der Resonatorzungen einnimmt. In diesem Fall schwingen die Enden der Resonatorzungen mit maximaler Amplitude, und an ihrer Verbindungsstelle entsteht ein Schwingungsknoten. Soll die Resonatorzunge nicht als Referenzresonator für die Re¬ sonatorzunge 3 benutzt werden, wird -in Abweichung zu diesem Ausführungsbeispiel- die zweite Metallschicht 9 an der Verbin¬ dungsstelle zwischen Resonatorzunge 3 und Resonatorzunge 4 nicht unterbrochen ausgeführt und die Wechselspannung wird z.B. nur an die Kontaktstellen 10 und 11 angelegt.In this probe, a cantilever 2 projects beyond a carrier 1 and is equipped with two piezoelectric resonator tongues 3 and 4. A probe tip 5 is located at the end of the resonator tongue 3. The cantilever 2 consists of a layer package which is composed of an optical waveguide layer 6, a first metal layer 7, a piezoelectric layer 8 and a second metal layer 9. The metal layers 7 and 9 have contact points 10 to 13 in the region of the carrier. The resonator tongues 3 and 4 are excited to longitudinal vibrations with the aid of the piezoelectric layer 8. For this purpose, an alternating voltage is applied between the metal layers 7 and 9 via the contact points 10 and 11 for the resonator tongue 3 and via the contact points 12 and 13 for the resonator tongue 4. Their frequency is chosen so that the wavelength of the longitudinal vibrations in the resonator tongues 3 and 4 is four times the length of the resonator tongues. In this case, the ends of the resonator tongues vibrate with maximum amplitude, and an oscillation node is formed at their connection point. If the resonator tongue is not to be used as a reference resonator for the resonator tongue 3, in deviation from this exemplary embodiment, the second metal layer 9 is not interrupted at the connection point between the resonator tongue 3 and the resonator tongue 4 and the AC voltage is, for example, only applied to the contact points 10 and 11 created.
Bei Annäherung der in Längsrichtung schwingenden Tastspitze 5 an die Oberfläche einer zu untersuchenden Probe wirken Oberflächen- kräfte auf die Tastspitze ein. Diese Einwirkung beeinflußt das Schwingverhalten der Resonatorzunge 3 in der Weise, daß die Re¬ sonanzfrequenz verschoben wird und die Schwingung eine Dämpfung erfährt. Diese Veränderungen können über das elektrische Zwei¬ pol-Verhalten der Resonatorzunge 3, das über die Kontakt- stellen 10 und 11 gemessen wird, registriert und über einen Regelkreis zur Nachführung der Tastspitze entsprechend dem Ober¬ flächenprofil benutzt werden. Bei mechanischer Entkopplung der beiden Resonatorzungen 3 und 4 kann die Resonatorzunge 4, die keine Tastspitze enthält und demzufolge ihre Resonanzfrequenz bei Annäherung an die Probenoberfläche nicht ändert, als Refe- renzresonator benutzt werden.When the probe tip 5 vibrating in the longitudinal direction approaches the surface of a sample to be examined, surface forces act on the probe tip. This action influences the vibration behavior of the resonator tongue 3 in such a way that the resonance frequency is shifted and the vibration is damped. These changes can be registered via the electrical two-pole behavior of the resonator tongue 3, which is measured via the contact points 10 and 11, and can be used via a control loop to track the probe tip in accordance with the surface profile. When the two resonator tongues 3 and 4 are mechanically decoupled, the resonator tongue 4, which contains no probe tip and consequently does not change its resonance frequency when approaching the sample surface, can be used as a reference resonator.
Die innerhalb des Schichtpaketes liegende Metallschicht 7 ist auf der Mikrotastspitze 5 bis an deren Ende geführt und dient so gleichzeitig als Elektrode zur Realisierung der tunnel¬ mikroskopischen Funktion der Sonde.The metal layer 7 lying within the layer package is guided on the micro-probe tip 5 to the end thereof and thus simultaneously serves as an electrode for realizing the tunnel microscopic function of the probe.
In die Lichtwellenleiter-Schicht 6 wird über den Spalt zwischenIn the optical waveguide layer 6 is between the gap
Träger 1 und Resonatorzunge 4 Licht eingekoppelt, das sich in Richtung Tastspitze 5 ausbreitet und über diese auf die zu untersuchende Probe gelangt. Der Lichtweg kann auch in umgekehr¬ ter Richtung zur Detektion optischer Signale von der Probe be¬ nutzt werden. Mit Hilfe der oben beschriebenen Verfahrensweise, den Abstand der Tastspitze 5 zur Probenoberfläche konstant zu halten, kann die Probenoberfläche unter konstanten Bedingungen optisch untersucht werden. Carrier 1 and resonator tongue 4 light coupled in, which spreads in the direction of the probe tip 5 and via this towards the examining sample arrives. The light path can also be used in the opposite direction to detect optical signals from the sample. With the aid of the procedure described above, to keep the distance between the probe tip 5 and the sample surface constant, the sample surface can be optically examined under constant conditions.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikromechanische Sonde für Rastermikroskope , bestehend aus einem Träger und einem damit verbundenen, als Schichtpaket aus¬ gebildeten Ausleger, der mindestens eine Piezoschicht und mehrere Metallschichten enthält und der an seinem freien Ende eine Mikrotastspitze trägt, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrschichtige Ausleger (2) die Sondenfunktionen zur Durchführung der Atom-Kraft-Mikroskopie (AFM) , der Raster-Tunnel-Mikro¬ skopie (STM) und der optischen Nahfeldmikroskopie(SNOM) in sich vereint, indem an die Piezoschicht/en(8) eine Wechselspannung angelegt ist, deren Frequenz mit einer der Resonanzfrequenzen des Auslegers (2) übereinstimmt, und indem der Ausleger (2) mindestens eine Lichtleiterschicht (6) enthält, die mit einer optisch transparenten Mikrotastspitze lichtleitend verbunden ist.1. A micromechanical probe for scanning microscopes, consisting of a carrier and an associated cantilever formed as a layer package, which contains at least one piezo layer and several metal layers and which carries a micro-probe tip at its free end, characterized in that the multilayer cantilever (2 ) combines the probe functions for performing atomic force microscopy (AFM), raster tunnel microscopy (STM) and optical near-field microscopy (SNOM) by applying an alternating voltage to the piezo layer (s) (8) , the frequency of which corresponds to one of the resonance frequencies of the cantilever (2), and in that the cantilever (2) contains at least one light guide layer (6) which is connected in a light-conducting manner to an optically transparent micro-probe tip.
2. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß an die Piezoschicht/en(8) eine Wechselspannung angelegt ist, deren Frequenz mit der Längsresonanz des Ausle¬ gers (2) übereinstimmt, und daß die Mikrotastspitze (5) am freien Ende des Auslegers (2) an der Stirnseite der Lichtleiter- schicht (6) angeordnet ist.2. Micromechanical probe according to claim 1, characterized in that an alternating voltage is applied to the piezo layer (s) (8), the frequency of which corresponds to the longitudinal resonance of the cantilever (2), and that the micro-probe tip (5) is free End of the bracket (2) is arranged on the end face of the light guide layer (6).
3. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das den Ausleger(2) bildende Schichtpaket als Schichtsystem auf dem oder im Träger (1) fortgeführt ist.3. Micromechanical probe according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that the arm (2) forming layer package is continued as a layer system on or in the carrier (1).
4. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Piezoschicht/en(8) aus Zinkoxid (ZnO) oder Aluminiumnitrid (A1N) oder einem PZT-Werkstoff bestehen. 4. Micromechanical probe according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that the piezo layer (s) (8) made of zinc oxide (ZnO) or aluminum nitride (A1N) or a PZT material.
5. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Piezoschicht/en(8) des Schichtpaketes am festen Ende des Auslegers (2) beginnend sich nur über einen Teil der Länge des Auslegers (2) erstrecken.5. Micromechanical probe according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that the piezo layer (s) (8) of the layer package at the fixed end of the arm (2) starting only extend over part of the length of the arm (2).
6. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Metallschichten(7;9) des Schichtpaketes sich nur über einen Teil der Länge des Auslegers (2) erstrecken.6. Micromechanical probe according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that the metal layers (7; 9) of the layer package extend only over part of the length of the arm (2).
7. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß eine der Metallschichten(9) auf der Oberfläche der Piezoschicht (8) stellenweise unterbrochen ist, derart, daß zwei streifenförmige, diametral angeordnete Piezoresonatoren (3;4) vorliegen, die mit ihrem einen Ende in einem Schwingungsknoten miteinander verbunden sind.7. Micromechanical probe according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that one of the metal layers (9) on the surface of the piezo layer (8) is interrupted in places, such that two strip-shaped, diametrically arranged piezo resonators (3; 4) are present, which with one end is connected in a vibration node.
8. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß eine der Metallschichten(7) bis an das Ende der Mikrotastspitze (5) geführt ist.8. Micromechanical probe according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that one of the metal layers (7) is guided up to the end of the micro-probe tip (5).
9. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Lichtwellenleiter-Schicht (6) aus einem optisch hochbrechenden Werkstoff, vorzugsweise aus Siliciumcarbid (SiC) besteht.9. Micromechanical probe according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that the optical waveguide layer (6) consists of an optically high refractive index material, preferably of silicon carbide (SiC).
10. Mikromechanische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Lichtwellenleiter-Schicht(6) am freien Ende des Auslegers (2) zur Mikrotastspitze(5) hin verjüngt ist. 10. Micromechanical probe according to claim 1, characterized gekenn¬ characterized in that the optical waveguide layer (6) at the free end of the arm (2) is tapered towards the micro-probe tip (5).
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