WO1996030797A1 - Mikrooptische sonde für rastermikroskope - Google Patents

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piezoelectric exciter
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Manfred Weihnacht
Karlheinz Bartzke
Günter Martin
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
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders

Definitions

  • the invention relates to a micro-optical probe for scanning microscopes
  • a tip in a range of less than 1 nm is brought to a conductive sample surface using piezo positioning technology. If an electrical voltage is applied between the tip and the sample surface, a tunnel current of the order of magnitude begins to flow. A change in the gap between the tip and the sample surface of z. B. 0.1 nm causes a change in the tunnel current by an order of magnitude. This strong distance dependency is used to track the needle by means of the piezo positioning technique. /G. Binning, H. Rohrer, "Scanning tunneling microscopy - from birth to adokescence", Rev. Mod. Phys. 49 (1982) 1, 57-61 /.
  • Crystal corner metal coated and the tip is exposed again, for example by ion etching.
  • the light emerging from the aperture shines through the object or turns on reflected by it and detected by a light-sensitive detector as a measurement signal.
  • the probe is guided mechanically over the object surface using a stylus, such as with a profilometer, or interferometrically
  • Another near-field optical microscopy method is. become known from EP 0 545 538.
  • a single-mode glass fiber is drawn out to a fine tip and coated with metal using vapor deposition techniques.
  • An aperture for the passage of light is kept clear at the tip of the fiber.
  • the probe is guided over the object surface in that the glass fiber tip is set into lateral vibrations by a piezo tube, these vibrations are damped by the proximity of the object surface, and the vibration damping is measured by an additional optical system.
  • the measurement signals of the optical system are used for probe guidance.
  • a photosensitive detector detects the light transmitting or reflecting the object and forms the measurement signal.
  • Light intensities are relatively low and therefore lead to slow scanning times of an image.
  • the invention is based on the object with a new one
  • the optical waveguide is enclosed by the piezoelectric exciter in a wide range.
  • an optical system for coupling light in / out of the light source / light receiver downstream of the optical system is attached to the side of the optical waveguide facing away from the object.
  • the optical system consists of a lenticular part facing the optical waveguide, a fiber core and an optical fiber.
  • the optical waveguide has the geometric shape of a bar on the side facing away from the object.
  • the optical waveguide consists of silicon carbide (SiC).
  • the piezoelectric exciter is made of aluminum nitride (A1N).
  • the piezoelectric exciter has the geometric shape of a bar clamped in the middle.
  • the piezoelectric exciter has the geometric shape of a beam clamped on one side.
  • the piezoelectric exciter consists of a material which is transparent to the light wavelength used and has a refractive index which is lower than that of the optical waveguide and that the piezoelectric exciter forms a cladding for the optical waveguide.
  • the end of the optical waveguide facing away from the object is optically coupled to a semiconductor diode which can emit or receive light.
  • the optical waveguide consists of a doped semiconductor material and the end of the optical waveguide facing away from the object is provided with an electrical contact.
  • optical waveguide itself is designed as a piezoelectric exciter.
  • a high light intensity is achieved with the solution according to the invention, which shortens the times for scanning a micro-optical image.
  • the cross section of the optical waveguide can be very small, which means that local illumination of an object with high light intensity or local detection 5 the light intensity in the near field of an object with low optical losses is possible.
  • micro-optical probe according to the invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.
  • An optical waveguide 4 a thin-film waveguide, consists of the silicon carbide (SiC) material, which is transparent and particularly highly refractive for the wavelength used.
  • a micro-probe tip 2 of the optical waveguide 4 facing the object 1 has in each of the two directions perpendicular to the light propagation a width which is approximately equal to half the wavelength of the light used, divided by the refractive index n of the material of the optical waveguide 4.
  • the optical waveguide 4 is mechanically coupled to a piezoelectric exciter 3.
  • the end of the optical waveguide 4 facing away from the object is optically coupled to a light source 5 via an optical fiber 6.
  • An optical system consisting of the optical fiber 6 with a fiber core 8, is provided with a lens-shaped part 7 to avoid major coupling losses.
  • the piezoelectric exciter 3 has the geometric shape of a bar, which is held in its central part in the region of the vibration node. It is formed by the two layers 9, 10, which are made of aluminum nitride (A1N) exist.
  • the A1N has a lower refractive index than the SiC and therefore forms a cladding for the optical waveguide.
  • the optical waveguide 4 is arranged within the piezoelectric exciter 3 between the piezoelectric layers 9, 10 and, outside the piezoelectric exciter 3, has a taper 11 on the object side, which converts the light into the micro-probe tip 2.
  • the piezoelectric exciter 3 is excited to vibrate by means of the electrodes 12, 13.
  • the length L of the piezoelectric exciter 3 is selected so that it corresponds approximately to a quarter wavelength of the acoustic wave of the piezoelectric exciter 3 for a given excitation frequency. In this way, a longitudinal resonance of the piezoelectric exciter 3 parallel to the direction of propagation of the light is made possible.
  • the electrical leads 14, 15 for the electrodes 12, 13 of the piezoelectric exciter 3 are connected via contact islands 16. The entire arrangement is located on a substrate 17 made of silicon (Si).
  • the substrate 17 can have, for example, an area of approximately 1 mm and a thickness of approximately 300 ⁇ m.
  • the optical fiber 6 is fixed on the Si substrate 17 by means of a V-shaped groove etched into the substrate.
  • the piezoelectric exciter 3 and the part of the optical waveguide 2, 11 facing the object consist of self-supporting layers to ensure the free oscillation of the piezoresonator.

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Abstract

Die mikrooptische Sonde ist derart ausgebildet, daß die dem Objekt zugewandte Seite des optischen Wellenleiters aus einer optisch hochbrechenden Mikrotastspitze besteht und sie in beiden zur Lichtausbreitung senkrechten Richtungen jeweils zum Objekt hin auslaufend Abmessungen von annähernd B = μ/2n besitzt, wobei μ die Vakuumwellenlänge des verwendeten Lichtes und n der Brechungsindex des optischen Wellenleiters ist und daß der optische Wellenleiter mit dem piezoelektrischen Erreger mechanisch gekoppelt ist.

Description

Mikrooptische Sonde für Rastermikroskope
Die Erfindung betrifft eine mikrooptische Sonde für Rastermikroskope
Es ist allgemein bekannt, die Auflösungsgrenze der Lichtmikroskopie dadurch zu überwinden, daß mit Aperturen wesentlich kleiner als die Wellenlänge des Lichtes im Nahfeld der Oberfläche gearbeitet wird.
Mit der Entwicklung der Tunnelmikroskopie wurden Voraussetzungen für Oberflächenmeßgrößen der Rastertunnelmikroskopie geschaffen.
Bei der Tunnelmikroskopie wird mittels Piezostelltechnik eine Spitze in einem Bereich kleiner 1 nm an eine leitfähige Probenoberfläche gebracht. Wird zwischen Spitze und Probenoberfläche eine elektrische Spannung angelegt, so beginnt ein Tunnelstrom in nA-Größenordnung zu fließen. Eine Veränderung des Spaltes zwischen Spitze und Probenoberfläche von z. B. 0,1 nm bewirkt eine Veränderung des Tunnelstroms um eine Größenordnung. Diese starke Abstandsabhängigkeit wird ausgenutzt, um die Nadel mittels Piezostelltechnik der Probenoberfläche nachzuführen. /G. Binning, H. Rohrer, "Scanning tunneling microscopy - from birth to adokescence", Rev. Mod. Phys. 49 (1982) 1, 57 - 61/.
Aus dem US-Patent 4,604,520 zur optischen Nahfeldmikroskopie ist bekannt, eine Apertur von 20 nm dadurch zu gewinnen, daß eine transparente pyramidale
Kristallecke metallbeschichtet und die Spitze z.B. durch Ionenätzen wieder freigelegt wird. Das aus der Apertur austretende Licht durchstrahlt das Objekt oder wird an ihm reflektiert und von einem lichtempfindlichen Detektor als Meßsignal erfaßt. Die Führung der Sonde über die Objektoberfläche erfolgt mechanisch mittels Stylus wie beim Profilometer oder interferometrisch
(Nomarskirnethode) , kapazitiv oder über das evaneszente elektromagnetische Feld.
Der Nachteil dieser Methoden besteht u.a. in der aufwendigen Sondenpräparation und Sondenführung.
Eine weitere optische Nahfeldmikroskopie-Methode ist. aus EP 0 545 538 bekannt geworden. Dabei wird eine Monomodglasfaser zu einer feinen Spitze ausgezogen und durch Bedampfungstechniken metallummantelt. Eine Apertur für den Lichtdurchtritt wird an der Faserspitze freigehalten. Die Führung der Sonde über die Objektoberfläche erfolgt dadurch, daß die Glasfaserspitze von einem Piezoröhrchen in laterale Schwingungen versetzt wird, diese Schwingungen durch die Nähe der Objektoberfläche gedämpft werden und die Schwingungsdämpfung von einem zusätzlichen optischen System gemessen wird. Die Meßsignale des optischen Systems dienen der Sondenführung. Ein photoempfindlicher Detektor erfaßt das das Objekt transmittierende oder reflektierende Licht und bildet das Meßsignal.
Sowohl diese, als auch alle bekannten technischen Lösungen der Sonden nahfeldoptischer Rastermikroskope besitzen den Nachteil, daß die erreichbaren
Lichtintensitäten relativ gering sind und deshalb zu langsamen Scannzeiten eines Bildes führen.
Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einer neuen
Anordnung die erreichbaren Lichtintensitäten zu erhöhen und gleichzeitig die Zeiten für das Scannen eines mikroskopischen Bildes zu verkürzen. Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Sonde dadurch gelöst, daß die dem Objekt zugewandte Seite des optischen Wellenleiters als optisch hochbrechende Mikrotastspitze derart ausgebildet ist, daß sie in beiden zur Lichtausbreitung senkrechten Richtungen jeweils zum Objekt hin auslaufend eine Breite von annähernd B = —— besitzt, wobei λ die Vakuumwellenlänge des verwendeten Lichtes und n der Brechungsindex des optischen Wellenleiters ist und daß der optische Wellenleiter mit einem piezoelektrischen Erreger mechanisch gekoppelt ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der optische Wellenleiter von dem piezoelektrischen Erreger in einem breiten Bereich umschlossen.
Es ist vorteilhaft, daß an der dem Objekt abgewandten Seite des optischen Wellenleiters ein optisches System zur Lichtein-/-auskopplung der dem optischen System nachgeordneten Lichtquelle/Lichtempfänger angebracht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besteht das optische System aus einem dem optischen Wellenleiter zugewandten linsenförmigen Teil, einem Faserkern und einer Lichtleitfaser.
Es ist weiterhin von Vorteil, daß der optische Wellenleiter an der dem Objekt abgewandten Seite die geometrische Form eines Balkens aufweist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der optische Wellenleiter aus Siliciumkarbid (SiC) .
Es ist auch von Vorteil, daß der piezoelektrische Erreger aus Aluminiumnitrid (A1N) besteht. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besitzt der piezoelektrische Erreger die geometrische Form eines mittig eingespannten Balkens.
Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung besitzt der piezoelektrische Erreger die geometrische Form eines einseitig eingespannten Balkens.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß der piezoelektrische Erreger aus einem für die verwendete Lichtwellenlänge transparenten Material mit einem Brechungsindex besteht, der geringer als der des optischen Wellenleiters ist und daß der piezoelektrische Erreger ein cladding für den optischen Wellenleiter bildet.
Bei einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters mit einer Halbleiterdiode optisch gekoppelt, die Licht emittieren oder empfangen kann.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der optische Wellenleiter aus einem dotierten Halbleitermaterial und es ist das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters mit einem elektrischen Kontakt versehen.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß der optische Wellenleiter selbst als piezoelektrischer Erreger ausgestaltet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine hohe Lichtintensität erreicht, wodurch sich die Zeiten für das Scannen eines mikrooptischen Bildes verkürzen.
Der Querschnitt des optischen Wellenleiters kann sehr gering sein, wodurch eine lokale Beleuchtung eines Objektes mit großer Lichtstärke oder die lokale Erfassung 5 der Lichtintensität im Nahfeld eines Objektes mit geringen optischen Verlusten möglich ist.
Die erfindungsgemäße mikrooptische Sonde soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Bei der in der Figur schematisch dargestellten mikrooptischen Sonde sind der Übersichtlichkeit wegen einzelne Teile nicht in den tatsächlich vorteilhaften Größen zueinander wiedergegeben.
Mit der mikrooptischen Sonde können die optischen Eigenschaften eines Objektes 1 gemessen werden. Ein optischer Wellenleiter 4, ein Dünnschicht-Wellenleiter, besteht aus dem für die verwendete Wellenlänge transparenten und besonders hochbrechenden Material Siliziumkarbid (SiC) . Eine dem Objekt 1 zugewandte Mikrotastspitze 2 des optischen Wellenleiters 4 besitzt in den beiden zur Lichtausbreitung senkrechten Richtungen jeweils eine Breite, die etwa gleich der halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes, dividiert durch den Brechungsindex n des Materials des optischen Wellenleiters 4 ist. Der optische Wellenleiter 4 ist mit einem piezoelektrischen Erreger 3 mechanisch gekoppelt. Das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters 4 ist mit einer Lichtquelle 5 optisch über eine Lichtleitfaser 6 gekoppelt. Ein optisches System, bestehend aus der Lichtleitfaser 6 mit einem Faserkern 8 ist zur Vermeidung größerer Koppelverluste mit einem linsenförmigen Teil 7 versehen. Dadurch wird das Licht der Lichtquelle 5 auf das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters 4 fokussiert. Der piezoelektrische Erreger 3 besitzt die geometrische Form eines Balkens, der in seinem Mittelteil im Bereich des Schwingungsknotens gehaltert ist. Er wird durch die beiden Schichten 9, 10 gebildet, die aus Aluminiumnitrid (A1N) bestehen. Das A1N besitzt eine niedrige Brechzahl als das SiC und bildet deshalb ein Cladding für den optischen Wellenleiter. Der optische Wellenleiter 4 ist innerhalb des piezoelektrischen Erregers 3 zwischen den piezoelektrischen Schichten 9, 10 angeordnet und besitzt außerhalb des piezoelektrischen Erregers 3 objektseitig einen Taper 11, der das Licht in die Mikrotastspitze 2 überführt. Der piezoelektrische Erreger 3 wird mittels der Elektroden 12, 13 zu Schwingungen angeregt. Die Länge L des piezoelektrischen Erregers 3 ist so gewählt, daß sie in etwa einer viertel Wellenlänge der akustischen Welle des piezoelektrischen Erregers 3 bei vorgegebener Anregungsfrequenz entspricht. Auf diese Weise wird eine Längsresonanz des piezoelektrischen Erregers 3 parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes ermöglicht. Die Länge L ergibt sich dabei nährungsweise nach der Formel L = c/(4f), wobei c die Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Erreger 3 und f die Frequenz der piezoelektrisch angeregten Schwingung ist. Bei einer Arbeitsfrequenz von f = 50 MHz und einer Schallgeschwindigkeit von c = 2,5 • 10^ m/s für AIN ergibt sich eine Länge L = 12,5 um für den piezoelektrischen Erreger. Die elektrischen Zuleitungen 14, 15 für die Elektroden 12, 13 des piezoelektrischen Erregers 3 sind über Kontaktinseln 16 angeschlossen. Die gesamte Anordnung befindet sich auf einem Substrat 17 aus Silizium (Si) .
Das Substrat 17 kann beispielsweise eine Fläche von ca. lmm^ und eine Dicke von ca. 300 μm besitzen.
Die Fixierung der Lichtleitfaser 6 auf dem Si-Substrat 17 erfolgt durch eine in das Substrat eingeäzte V-förmige Nut.
Der piezoelektrische Erreger 3 und der dem Objekt zugewandte Teil des Lichtwellenleiters 2, 11 bestehen aus freitragenden Schichten, um die freie Schwingung des Piezoresonators zu gewährleisten .

Claims

Patentansprüche
1. Mikrooptische Sonde für Rastermikroskope, bestehend aus einem piezoelektrischen Erreger (3), einem optischen Wellenleiter (4) und einer Mikrotastspitze
(2), dadurch gekennzeichnet daß die dem Objekt zugewandte Seite des optischen Wellenleiters (4) als optisch hochbrechende Mikrotastspitze (2) derart ausgebildet ist, daß sie in beiden zur
Lichtausbreitung senkrechten Richtungen jeweils zum
Objekt hin auslaufend Abmessungen von annähernd B = -—^ besitzt, wobei λ die Vakuumwellenlänge des verwendeten Lichtes und n der Brechungsindex des optischen Wellenleiters (4) ist und daß der optische
Wellenleiter (4) mit dem piezoelektrischen Erreger (3) mechanisch gekoppelt ist.
2. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (4) von dem piezoelektrischen Erreger (3) in einem breiten Bereich umschlossen ist.
3. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Objekt abgewandten
Seite des optischen Wellenleiters (4) ein optisches System zur Lichtein-/-auskopplung der dem optischen System nachgeordneten Lichtquelle/Lichtempfänger (5) angebracht ist.
4. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System aus einer dem optischen Wellenleiter (4) zugewandten Lichtleitfaser (6) mit einem linsenförmigen Teil (7) und einem Faserkern (8) besteht.
5. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (4) an der dem Objekt abgewandten Seite die geometrische Form eines Balkens aufweist.
6. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (4) aus Siliciumkarbid (SiC) besteht.
7. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrischen Erreger (3) aus Aluminiumnitrid (A1N) besteht.
8. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Erreger (3) die geometrische Form eines mittig eingespannten Balkens besitzt.
9. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Erreger (3) die geometrische Form eines einseitig eingespannten Balkens besitzt.
10.Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Erreger (3) aus einem für die verwendete Lichtwellenlänge transparenten Material besteht, der geringer als der des optischen Wellenleiters (4) ist und daß der piezoelektrische Erreger (3) ein cladding für den optischen Wellenleiter (4) bildet.
11.Mikrooptische Sonde nach Anspruch 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters (4) mit einer Halbleiterdiode optisch gekoppelt ist, die Licht emittieren oder empfangen kann.
12.Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (4) aus einem dotierten Halbleitermaterial besteht und daß das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters (4) mit einem elektrischen Kontakt versehen ist.
13.Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 und 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (4) selbst als piezoelektrischer Erreger (3) ausgestaltet ist.
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