WO2004033989A1 - Bestimmung der position eines objektes mittels eines räumlichen interferenzgitters - Google Patents

Bestimmung der position eines objektes mittels eines räumlichen interferenzgitters Download PDF

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WO2004033989A1
WO2004033989A1 PCT/EP2003/007907 EP0307907W WO2004033989A1 WO 2004033989 A1 WO2004033989 A1 WO 2004033989A1 EP 0307907 W EP0307907 W EP 0307907W WO 2004033989 A1 WO2004033989 A1 WO 2004033989A1
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waves
movement
spatial
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PCT/EP2003/007907
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Inventor
Ludwig Josef Balk
Volker K. S. Feige
Original Assignee
Bergische Universität Wuppertal
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the position and / or the movement of at least one object in space, in particular relative to a reference point.
  • Scanning probe microscopy is an example of an application from the microscopic world.
  • micrometer or nanometer-precise position and path or movement information of the probe is required, which is moved, for example, by hysteresis-prone and inadequately linear piezo elements.
  • the measuring probe it is known to design the measuring probe as a moving object as part of a plane mirror interferometer, an interferometer being required for each dimension.
  • Such a structure is complicated and sensitive to adjustment.
  • the object of the invention is to provide a method and a device with which an exact determination of the position and / or range of motion of an object of whatever type in three-dimensional space is possible both in the microscopic and in the macroscopic range.
  • this object is achieved in that at least three, in particular coherent waves are superimposed on one another, which results in spatial intensity modulation of the radiation used in the overlapping region of the waves.
  • At least one intensity detector is arranged on an object whose position and / or range of motion is to be determined, with which the intensity is measured at the location of the object in the overlay area.
  • the position of the object in particular relative to a reference point, can be deduced from the measurement of the intensity at the location of the object and / or the measurement of changes in intensity when the object moves within the overlay area.
  • Such a solution has the advantage that, based on the interferometric principle, it is possible to determine the location and / or the range of motion of the object with an accuracy in the range of the wavelength of the radiation used.
  • Both electromagnetic waves and acoustic waves can be used as radiation.
  • matter waves can also be used, as is known, for example, from electron holography.
  • Laser light can preferably be used for nanometer- or micrometer-precise positioning.
  • the measuring principle is based on the exploitation of the phenomena of constructive and destructive interference that occur when superimposing, in particular, coherent waves.
  • the result is an overlap region of all waves in which intensity modulation occurs in all three spatial directions due to the interference.
  • the result is a three-dimensional intensity grating, the grating constant of which depends in the respective spatial directions both on the wavelength lambda and on the directions of propagation of the waves, or the angle which the waves make to one another.
  • the overlapping range of all waves used thus defines the range in which the position or range of motion of an object can be determined.
  • the prevailing intensity of the radiation of all waves at this location is characteristic of this location or a group of locations, so that the position and / or direction of movement of an object in the overlapping area of the waves is based on a measured intensity and / or a change in intensity can be determined.
  • the position preferably relative to a reference point, can be inferred in particular due to a change in intensity when the object moves in the intensity grating.
  • an object comprises at least one intensity detector with which the intensity at the location of the object can be measured in the spatial overlapping area of the waves.
  • the intensities measured or the change in intensity will have a periodic characteristic which is typical of the range of motion and / or direction of movement, so that the position can be inferred from the recorded measured values.
  • the absolute path of an object which was covered during a movement, can be determined very precisely because, for example, when measuring e.g. two successive intensity maxima ensures that the object has moved in this direction by the simple amount of the grating constant of the intensity grating, the grating constant being known as a fixed quantity, and given on the basis of the structure of the apparatus, in particular the wavelength of the radiation and the superposition angle ,
  • the intensity grating generated by interference thus forms a direct absolute measure of length.
  • the intensity grating can be selected by superimposing the waves so that the grating constant is the same in all three spatial directions. This alone can be sufficient to determine the position of the object in space if the direction of movement in the x, y or z direction is predetermined and thus known. From the sequence e.g. the intensity maxima or minima can then be deduced from the range of motion in the predetermined direction or a predetermined movement of the object can be calibrated by comparison with the measured intensity values.
  • the lattice constant is set differently in all three spatial directions. It the direction of movement can then be determined from the sequence of the maxima or minima, for example.
  • the aperture size of an intensity detector in a spatial direction is less than or equal to the period of the intensity modulation in this spatial direction. This ensures that an intensity detector can detect a maximum or minimum intensity maximum.
  • An aperture with a circular cross section is simply formed, the diameter being smaller than the smallest period of intensity modulation in the intensity grating.
  • a device which comprises at least one laser light source and beam splitter, by means of which at least one laser beam generated from the at least one three partial beams can be generated, which are superimposed to form the spatial area, in particular under different directions of propagation.
  • the use of only one laser light source and subsequent splitting into several partial light bundles or partial beams has the advantage that the conditions required with regard to coherence are met particularly well. Both when using laser beams and in general, it can be provided to modulate the intensity of at least one beam or wave. In this way, for example, the resolution can be increased, since environmental influences such as, for example, static scattered light, in particular in combination with lock-in techniques, can be reduced.
  • the object whose position or range of motion is to be recorded preferably comprises at least one photodetector, in particular a photodiode and / or a photomultiplier.
  • a photodetector in particular a photodiode and / or a photomultiplier.
  • the aperture of an intensity detector is smaller than the grating constant of the intensity grating.
  • this can be achieved in that the aperture of the photodetector is formed by the end of a tapered and preferably coated glass fiber. Aperture sizes of e.g. Reach 50 nm.
  • the glass fiber itself can then be used to feed the collected light to a detection device, e.g. a photomultiplier or a photodiode.
  • the device and method described above are used in a scanning probe microscope to determine the position and / or range and / or direction of movement of the measuring probe.
  • Figure 1 The basic representation of the superposition of 3 laser beams to form an intensity grating with an object arranged therein, the position of which is to be determined;
  • Figure 2 The basic representation of the apparatus structure with a laser light source;
  • Figure 3 The calculated intensity distribution in the xz plane
  • Figure 4 The calculated intensity distribution in the xy plane
  • Figure 5 The measured intensity distribution in the xy plane
  • Figure 6 The sectional view of a coated tapered glass fiber end as an aperture of a photodetector
  • a microscopic probe tip is generally scanned over the surface to be analyzed with the aid of piezotranslators. Due to the hysteresis properties of the piezo actuators, thermal and temporal third, the position of the measuring probe is associated with an error, so that the positioning on a desired area and the measurement in the selected area is influenced in a relevant manner.
  • the existing interferometric measurement methods use a separate position measuring system for each direction of travel, so that a complex adjustment is required for the separated directions of travel during commissioning. Since the interferometric measurement methods used hitherto generally have mirror surfaces on the moving object for each direction of travel, position errors occur due to the given unevenness of these surfaces when moving transversely to the direction under consideration. Furthermore, with the progressive miniaturization of the moving object, the adjustment of the three measuring systems in the individual directions is associated with considerable effort.
  • an interference field with a determined three-dimensional structure is used which corresponds to a three-dimensional intensity reference grid and thus enables an incremental quantitative route determination in the three dimensions.
  • FIG. 1 shows that by superimposing at least three mutually coherent electromagnetic waves 1, 2 and 3, a spatial intensity grating IG is generated, which defines the size of the range of motion of the moving object 4.
  • This interference grating IG can be seen in FIG. 1 are only shown in two dimensions, but because of the expansion and spreading of waves 1, 2 and 3 also extends outside the display level. Because of the geometrical arrangement of the mutually coherent electro-magnetic waves 1, 2 and 3, there is a periodic modulation or structure of the intensity of the radiation used in all three spatial directions x, y and z.
  • a detector 5 can measure the intensity and send it to an evaluation logic 7 via a connection 6. It can also be provided that the light intensity is detected at the detector opening 5 and transmitted to a measuring device, e.g. is fed to a photomultiplier or a photodiode for further evaluation.
  • a movement of the object 4, e.g. the probe of a scanning probe microscope leads to a change in intensity on the detector or detectors 5, so that the travel path in the moving direction can be inferred with the aid of an evaluation algorithm.
  • FIG. 2 shows the basic structure of a device for determining the location of an object 4, which is shown schematically here and can, for example, correspond to the measuring probe holder for fastening a probe of a scanning probe microscope. It should be mentioned here that in this application the probe itself does not necessarily have to be within the overlapping range of the three waves. It is sufficient if an area, for example of the measuring probe holder or the cantilever, the movement of which corresponds to the probe movement, is located in the superposition area of the waves and an intensity detector is arranged in this area.
  • a laser 8 is provided in order to generate a laser beam 9 which is split into two different laser beams 1, 2 and 3 by two beam splitters 11 and 12. These three laser beams are superimposed at a certain angle with the help of the mirrors 13 and 14, so that the intensity grating IG, which is shown in principle in FIG. 1, is formed in the superimposition area.
  • Figures 3 and 4 show the theoretical intensity distribution and Figure 5 shows an associated linearized comparison measurement for the xy plane, which was recorded using a device according to the invention and the described method.
  • FIG. 5 the distances between two maxima on the left edge of the figure would normally be larger than on the right edge. This difference results from a non-linearity when moving the measuring probe by means of piezotranslators.
  • FIG. 5 was recorded with a capacitive hardware linearization, so that FIGS. 4 and 5 show a good correspondence between simulation and actual measurement of the intensity in the xy plane after linearization. Since the distance between two maxima is definitely constant in the uniform intensity grating IG, such a linearization of the movement of the measuring probe can also be realized with the method according to the invention, in order to thus exactly determine the position of the measuring probe.
  • a photodetector with a submicroscopic aperture is used in the specific application, which allows a high position resolution at small wavelengths and enables the detection of the intensity without violating the local scanning theorem.
  • the detectors are attached to the moving object and with today's technology it is possible to manufacture the detectors down to the submicroscopic range, the method could also be considered for the three-dimensional simultaneous position determination of many independent microscopic objects.
  • the local intensity of the interference pattern can be detected with a photodetector which has a small aperture adapted to the reference pattern, so that no local scanning errors or moiré effects occur.
  • the sampling of the intensity reference pattern in the described embodiment takes place e.g. with a SNOM photodetector (scanning nearfield optical icroscopy), which has a submicroscopic aperture 15.
  • the base of the SNOM photodetector is the pointed end of a drawn glass fiber 16, which is coated with a thin metal film 17 and is shown in FIG. 6. Due to the transmission and reflection behavior, aluminum is generally used for the thin coating 17 in commercially available SNOM measuring probes. In an etching process, the end of the glass fiber 16 is exposed, so that a submicroscopic aperture 15 is created.
  • the intensity of the interference-holographic reference pattern is scanned locally and via the glass fiber 16 passed to a photodetector 7, which converts the intensity into an electrical signal.
  • a photodetector 7 which converts the intensity into an electrical signal.
  • other photodetectors adapted to the reference pattern can also be used, so that the SNOM photodetector is only an optional implementation option that is particularly suitable for the microscopic range.
  • the SNOM photodetector is attached to the moving measuring probe holder 4, which at the same time represents the attachment of the so-called cantilever for topography scanning.
  • the theory of the interference field is based on three homogeneous plane electromagnetic waves that are linearly polarized.
  • the coherent HeNe laser beam source represents the origin of the three laser beams, so that the required coherence condition is fulfilled.
  • the overlay of the electrical field components can take place in the complex wave description. Since the weighting of the individual beams in the interference measurement depends not only on the intensity, but also on the orientation of the aperture, this influence is taken into account by introducing the direction vectors J, r 2 , r 3 .
  • E (x, t) (E ⁇ - e kn ' x + E 2 - e jkTh - x' + E 3 -e jk " ⁇ > - s ⁇ e ⁇ j ⁇ '
  • the electrical output signal which is proportional to the intensity, can thus be determined.
  • the simulations based on this theory are shown for the xy and xz sectional planes in FIGS. 3 and 4 described above.
  • the directions of propagation of the three laser beams are selected so that the calculated interference field can be compared with the measurements.
  • a sufficient criterion for the generation of a three-dimensional interference field are three directions of propagation of the laser beams which are linearly independent of one another.
  • the planes spanned by the beam directions 1-2 and 2-3 are perpendicular to one another, so that an orthogonal reference pattern is produced.
  • the measuring probe holder 4 is scanned over the sample surface.
  • an intensity of the interference-holographic reference pattern (interference grating IG) is assigned to each position, so that the dimension of the depicted structure can be determined with the aid of this incrementally detected intensity and the direction of travel.
  • interference holographic path determination offers the additional advantage that the adjustment of the measuring system can be started up with a relatively low adjustment effort compared to other interferometric methods used.
  • the method can replace previous methods of distance detection with regard to the advantages mentioned above. Apart from the application in scanning probe microscopy, this advantage can also be used in other microscopic and macroscopic areas.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft die Bestimmung der Position und/oder der Bewegungweite und/oder der Bewegungsrichtung wenigstens eines Objektes (4) im Raum, bei dem wenigstens drei kohärente Wellen (1, 2, 3) einander überlagert werden, wodurch sich im Überlagerungsbereich der z.B. elektromagnetischen oder akustischen Wellen durch Interferenz eine räumliche Intensitätsmodulation ergibt. Wenn an dem Objekt (4) wenigstens ein Intensitätsdetektor (5) angeordnet ist, lässt sich die Intensität am Ort des Objektes im Überlagerungsbereich messen. Als Detektor für Lichtwellen kann eine Glasfaser (6) verwendet werden, die das Licht einem Photodetektor in einer Auswerteeinheit (7) zuführt. Es wird eine Anwendung bei der Bestimmung der Position und/oder Bewegungsrichtung der Messonde eines Rastersondenmikroskops und/oder zur Bestimmung der Abmessung einer rastermikroskopisch aufgenommenen Struktur vorgeschlagen.

Description

BESTIMMUNG DER POSITION EINES OBJEKTES MITTELS EINES RÄUMLICHEN INTERFERENZGITTERS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position und/oder der Bewegung wenigstens eines Objektes im Raum, insbesondere relativ zu einem Bezugspunkt.
Bei vielen Anwendungen besteht die Notwendigkeit der Kenntnis über die genaue Position bzw. Bewegung bzw. den zurückgelegten Weg eines Objektes im Raum. Als ein Beispiel aus der makroskopischen Welt ist die Orts- und Wegbestimmung von Kraftfahrzeugen zu nennen, um z.B. eine Navigation zu einem Zielort durchführen zu können.
Ein Anwendungsbeispiel aus der mikroskopischen Welt stellt die Rastersondenmikroskopie dar. Hier werden mikrometer- oder nanometergenaue Positionsund Weg- bzw. Bewegungsinformationen der Sonde benötigt, die z.B. durch hysteresebehaftete und nur unzulänglich linear arbeitende Piezoelemente bewegt wird. Um hier Positionsfehler zu vermeiden ist es bekannt, die Messsonde als bewegtes Objekt als Teil eines Planspiegelinterferometers auszubilden, wobei für jede Dimension ein Interferometer benötigt wird. Ein solcher Aufbau ist kompliziert und justierungsempfindlich. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen eine genaue Bestimmung der Position und/oder Bewegungsweite eines wie auch immer gearteten Objektes im dreidimensionalen Raum sowohl im mikroskopischen als auch im makroskopischen Bereich möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens drei, insbesondere kohärente Wellen einander überlagert werden, wodurch sich im Überlagerungsbereich der Wellen durch Interferenz eine räumliche Intensitätsmodulation der verwendeten Strahlung ergibt.
Weiterhin ist erfindungsgemäß an einem Objekt, dessen Position und/oder Bewegungsweite zu bestimmen ist, wenigstens ein Intensitätsdetektor angeordnet, mit dem die Intensität am Ort des Objektes im Überlagerungsbereich gemessen wird.
Durch die Messung der Intensität am Ort des Objektes und/oder der Messung von Intensitätsänderungen bei einer Bewegung des Objektes innerhalb des Überlagerungsbereiches lässt sich auf die Position des Objektes, insbesondere relativ zu einem Bezugspunkt, zurückschliessen.
Eine derartige Lösung hat den Vorteil, dass aufgrund des interferometrischen Prinzips eine Bestimmung des Ortes und/oder der Bewegungsweite des Objektes mit einer Genauigkeit im Bereich der Wellenlänge der verwendeten Strahlung möglich ist. Als Strahlung können sowohl elektromagnetische Wellen, als auch akustische Wellen eingesetzt werden. Grundsätzlich können auch Materiewellen zur Anwendung kommen, wie es z.B. aus der Elektronenholografie bekannt ist. Bevorzugt kann für nanometer- oder mikrometergenaue Positionierung Laserlicht eingesetzt werden. Das Messprinzip beruht auf der Ausnutzung der Erscheinungen der konstruktiven und destruktiven Interferenz, die bei der Überlagerung von insbesondere kohärenten Wellen auftreten.
Überlagert man nun wenigstens drei insbesondere kohärente Wellen von bevorzugt gleicher Wellenlänge, deren Ausbreitungsrichtung jeweils einen Winkel zueinander aufweisen, so ergibt sich ein Überlagerungsbereich aller Wellen, in dem eine Intensitätsmodulation in allen drei Raumrichtungen aufgrund der Interferenzen auftritt. Es entsteht somit ein dreidimensionales Intensitätsgitter, dessen Gitterkonstante in den jeweiligen Raumrichtungen sowohl von der Wellenlänge Lambda als auch von den Ausbreitungsrichtungen der Wellen, bzw. der Winkel, die die Wellen zueinander einnehmen, abhängt.
Der Uberlagerungsbereich sämtlicher verwendeter Wellen definiert somit den Bereich, in welchem die Position bzw. Bewegungsweite eines Objektes festgestellt werden kann.
Befindet sich ein Objekt innerhalb des Überlagerungsbereiches, so ist die vorherrschende Intensität der Strahlung aller Wellen an diesem Ort charakteristisch für diesen Ort bzw. eine Schar von Orten, so dass die Position und/oder Bewegungsrichtung eines Objektes im Überlagerungsbereich der Wellen aus einer gemessenen Intensität und/oder einer Intensitätsänderung ermittelt werden kann. Insbesondere aufgrund einer Intensitätsänderung bei einer Bewegung des Objektes im Intensitätsgitter kann auf die Position, bevorzugt relativ zu einem Bezugspunkt, geschlossen werden.
Um die Intensität am Ort des Objektes im Intensitätsgitter messtechnisch erfassen zu können, ist es vorgesehen, dass ein Objekt wenigstens einen Intensitätsdetektor umfasst, mit dem die Intensität am Ort des Objektes im räumlichen Überlagerungsbereich der Wellen messbar ist. Bei einer Bewegung des Objektes innerhalb des Überlagerungsbereiches z.B. in einer Dimension werden die messtechnisch erfassten Intensitäten bzw. die Intensitätsänderung eine periodische Charakteristik aufweisen, die für die Bewegungsweite und/oder Bewegungsrichtung typisch ist, so dass aus den aufgenommenen Messwerten auf die Position zurückgeschlossen werden kann.
Insbesondere lässt sich der absolute Weg eines Objektes, der bei einer Bewegung zurückgelegt wurde sehr genau bestimmen, da bei messtechnischer Erfassung von z.B. zwei aufeinanderfolgender Intensitätsmaxima sichergestellt ist, dass sich das Objekt um den einfachen Betrag der Gitterkonstanten des Intensitätsgitters in dieser Richtung bewegt hat, wobei die Gitterkonstante als feste Größe bekannt ist, und anhand des Aufbaus der Apparatur, insbesondere der Wellenlänge der Strahlung und der Überlagerungswinkel gegeben ist. Das durch Interferenz erzeugte Intensitätsgitter bildet somit ein direktes absolutes Längenmaß.
Ausgehend von einem definierten Startpunkt des Objektes besteht somit die Möglichkeit, z.B. die Trajektorie des Objektes und/oder Lage, Rotation oder Torsion im Raum anhand der erfassten Intensitätsmesswerte zu bestimmen bzw. zu verfolgen.
Das Intensitätsgitter kann durch Überlagerung der Wellen so gewählt sein, dass die Gitterkonstante in allen drei Raumrichtungen gleich ist. Schon dies kann ausreichend sein, um die Position des Objektes im Raum zu bestimmen, wenn die Bewegungsrichtung in x,y oder z-Richtung vorgegeben und somit bekannt ist. Aus der Abfolge z.B. der Intensitätsmaxima oder -minima kann dann auf die Bewegungsweite in der vorgegebenen Richtung geschlossen werden bzw. eine vorgegebene Bewegung des Objektes durch Vergleich mit den gemessenen Intensitätswerten geeicht werden.
In einer alternativen Ausbildung kann es auch vorgesehen sein, die Gitterkonstante in allen drei Raumrichtungen unterschiedlich einzustellen. Es kann dann z.B. auch die Bewegungsrichtung aus der Abfolge der Maxima oder Minima ermittelt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann es vorgesehen sein, nicht nur einen, sondern mehrere Intensitätsdetektoren am Objekt vorzusehen, so dass zeitgleich mehrere Messungen durchgeführt werden können. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn je ein Detektor für die Messung der Intensität in einer der drei Raumrichtungen vorgesehen ist. Da hierdurch die Bewegung des Objektes in allen drei Raumrichtungen separat erfassbar ist, ergibt sich eine besonders einfache und genaue Möglichkeit der Bestimmung von Position und/oder Bewegungsweite pro Richtung.
Um die einzelnen Intensitätsmaxima und/oder -minima räumlich auflösen zu können, ist es vorgesehen, dass die Aperturgröße eines Intensitätsdetektors in einer Raumrichtung kleiner gleich der Periode der Intensitätsmodulation in dieser Raumrichtung ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass ein Intensitätsdetektor maximal ein Intensitätsmaximun bzw -minimum erfassen kann. Einfacherweise ist eine Apertur mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet, wobei der Durchmesser kleiner ist als die kleinste Periode der Intensitätsmodulation im Intensitätsgitter.
Um bei der Bestimmung der Position bzw. Bewegungsweite eines Objektes eine Genauigkeit im Mikrometer- bzw. Nanometerbereich zu erhalten, kann es vorgesehen sein, dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, die wenigstens eine Laserlichtquelle und Strahlteiler umfasst, mittels denen aus dem wenigstens einen erzeugten Laserstrahl wenigstens drei Teilstrahlen erzeugbar sind, die zur Ausbildung des räumlichen Bereiches, insbesondere unter unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen, überlagert werden.
Die Verwendung nur einer Laserlichtquelle und anschliessende Aufspaltung in mehrere Teillichtbündel oder Teilstrahlen hat den Vorteil, dass die Bedingungen, die hinsichtlich der Kohärenz gefordert sind, besonders gut erfüllt werden. Sowohl bei der Verwendung von Laserstrahlen, als auch allgemein kann es vorgesehen sein, wenigstens einen Strahl bzw. eine Welle in der Intensität zu modulieren. Hierdurch kann z.B. die Auflösung gesteigert werden, da Umgebungseinflüsse wie z.B. statisches Streulicht, insbesondere in der Kombination mit Lock-in-Techniken, reduziert werden können.
Das Objekt, dessen Position oder Bewegungsweite erfasst werden soll umfasst bevorzugt wenigstens einen Photodetektor, insbesondere eine Photodiode und/oder einen Photomultiplier. Mit diesen Intensitätsdetektoren lässt sich besonders leicht die Lichtintensität des Lasers am Ort des Objektes innerhalb des Intensitätsgitters messtechnisch erfassen.
Auch hier ist sicherzustellen, dass die Apertur eines Intensitätsdetektors kleiner ist als die Gitterkonstante des Intensitätsgitters. In einer bevorzugten Ausführung kann dies dadurch erreicht werden, dass die Apertur des Photodetektors durch das Ende einer sich insbesondere verjüngenden und bevorzugt beschichteten Glasfaser gebildet ist. Somit lassen sich Aperturgrößen von z.B. 50 nm erreichen. Die Glasfaser selbst kann dann eingesetzt werden, um das gesammelte Licht einer Detektionsvorrichtung zuzuführen, z.B. einem Photomultiplier oder einer Photodiode.
In einer bevorzugten Anwendung werden die zuvor beschriebene Vorrichtung und das Verfahren bei einem Rastersondenmikroskop eingesetzt, um die Position und/oder Bewegungsweite und/oder -richtung der Messsonde zu bestimmen.
Ein Ausführungsbeispiel dieser Anwendung ist in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 : Die prinzipielle Darstellung der Überlagerung von 3 Laserstrahlen zur Ausbildung eines Intensitätsgitters mit darin angeordnetem Objekt, dessen Position zu bestimmen ist; Figur 2: Die prinzipielle Darstellung des apparativen Aufbaus mit einer Laserlichtquelle;
Figur 3: Die berechnete Intensitätsverteilung in der xz-Ebene;
Figur 4: Die berechnete Intensitätsverteilung in der xy-Ebene;
Figur 5: Die gemessene Intensitätsverteilung in der xy-Ebene;
Figur 6: Die Ausschnittsdarstellung eines beschichteten sich verjüngenden Glasfaserendes als Apertur eines Photodetektors;
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die konkrete Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung am Beispiel der Rastersondenmikroskopie erläutert. Dieses Beispiel ist nicht beschränkend, da sich Verfahren und Vorrichtung auf eine Vielzahl von Anwendungen in anderen Bereichen adaptieren lassen, in denen Probleme der dreidimensionalen Positionierung beziehungsweise Navigation bestehen.
In der Rastersondenmikroskopie wird allgemein eine mikroskopische Messsondenspitze mit Hilfe von Piezotranslatoren über die zu analysierende Oberfläche gerastert. Aufgrund der Hystereseeigenschaften der Piezostellelemente, thermischen und zeitlichen Drittens ist die Position der Messsonde mit einem Fehler behaftet, so dass die Positionierung auf einen gewünschten Bereich und die Vermessung in dem gewählten Bereich relevant beeinflusst wird.
Für die Korrektur dieses Positionsfehlers der Messsonde werden bei den bisherigen Rastersondenmikroskopen verschiedenartigste sogenannte Linearisierungsmethoden angewendet, wobei man prinzipiell Software und Hardware basierte Techniken unterscheidet. Bei den Hardware basierten Techniken werden die einzelnen Verfahrrichtungen der Piezostellelemente getrennt erfasst und ausgewertet. Für diese sogenannte Hardware- Linearisierung der Rastersondenmikroskope werden allgemein kapazitive, induktive, resistive und interferometrische Messmethoden verwendet, die die Ausdehnung der einzelnen Richtungen mit getrennten Messsystemen erfassen.
Anders als bei der hier beschriebenen Erfindung, verwenden die existierenden interferometrischen Messmethoden für jede Verfahrrichtung jeweils ein separates Positionsmesssystem, so dass bei der Inbetriebnahme für die separierten Verfahrrichtungen eine aufwendige Justierung erforderlich ist. Da bei den bisher verwendeten interferometrischen Messmethoden im allgemeinen für jede Verfahrrichtung Spiegeloberflächen an dem bewegten Objekt vorhanden sind, kommt es aufgrund der gegebenen Unebenheit dieser Oberflächen beim Verfahren quer zu der betrachteten Richtung zu Positionsfehlern. Weiterhin ist mit fortschreitender Miniaturisierung des bewegten Objektes die Justierung der drei Messsysteme in die einzelnen Richtungen mit einem erheblichen Aufwand verbunden.
Analog hierzu bestehen ähnliche Probleme auch bei den anderen genannten resistiven, induktiven und kapazitiven Messmethoden. Bei diesen Verfahren kann es weiterhin zu einer relevanten Wechselwirkung zwischen dem bewegten Objekt und den statischen Referenzpunkten kommen, so dass speziell für mikroskopische Objekte ein Einfluß auf die Bewegung beziehungsweise Position des Objektes erfolgt. Auch ist ein direktes absolutes Längenmaß, wie bei den interferometrischen Methoden die Wellenlänge, nicht unmittelbar vorhanden.
Erfindungsgemäß wird ein Interferenzfeld mit einer determinierten dreidimensionalen Struktur verwendet, die einem dreidimensionalen Intensitäts- Referenzgitter entspricht und somit eine inkrementale quantitative Streckenbestimmung in den drei Dimensionen ermöglicht.
Figur 1 zeigt, dass durch die Überlagerung von mindestens drei zueinander kohärenter elektromagnetischer Wellen 1 , 2 und 3 ein räumliches Intensitätsgitter IG erzeugt wird, das die Größe des Bewegungsbereiches von dem bewegten Objekt 4 definiert. Dieses Interferenzgitter IG kann in der Figur 1 nur 2-dimensional dargestellt werden, erstreckt sich jedoch aufgrund der Ausdehnung und Ausbreitung der Wellen 1 ,2 und 3 auch ausserhalb der Darstellungsebene. Aufgrund der geometrischen Anordnung der zueinander kohärenten elektro-magnetischen Wellen 1 , 2 und 3 ergibt sich somit in allen drei Raumrichtungen x, y und z eine periodische Modulation oder Struktur der Intensität der verwendeten Strahlung.
Eine oder mehrere zueinander angeordnete Detektoren 5, die an dem zu navigierenden Objekt 4 befestigt sind und hinsichtlich der Detektionsfläche bzw. Aperturgröße an die gewählte Wellenlänge Lambda angepasst sind, erfassen die zu der Position zugehörige Intensität des Interferenzgitter IG. Hierzu kann ein Detektor 5 die Intensität messen und über eine Verbindung 6 einer Auswertelogik 7 zuleiten. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Lichtintensität an der Detektoröffnung 5 erfasst und über eine insbesondere abbildende Glasfaser 6 einem Messvorrichtung, z.B. einem Photomultiplier oder einer Photodiode zugeführt wird zur weiteren Auswertung.
Eine Bewegung des Objektes 4, also z.B. der Sonde eines Rastersondenmikroskops führt zu einer Intensitätsänderung an dem oder den Detektoren 5, so dass mit Hilfe eines Auswertungsalgorithmusses auf den Verfahrweg in die bewegte Richtung geschlossen werden kann.
Die Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Ortsbestimmung eines Objektes 4, welches hier schematisch dargestellt ist und z.B. dem Messsondenhalter zur Befestigung einer Sonde eines Rastersondenmikroskops entsprechen kann. Hier ist zu erwähnen, dass in dieser Anwendung sich nicht notwendigerweise die Sonde selbst innerhalb des Uberlagerungsbereiches der drei Wellen befinden muss. Es reicht, wenn ein Bereich z.B. des Messsondenhalters oder des Cantilevers, dessen Bewegung mit der Sondenbewegung übereinstimmt sich im Überlagerungsbereich der Wellen befindet und in diesem Bereich ein Intensitätsdetektor angeordnet ist. Es ist ein Laser 8 vorgesehen, um einen Laserstrahl 9 zu erzeugen, der durch zwei Strahlteiler 11 und 12 in insgesamt 3 verschiedenen Laserstrahlen 1 , 2 und 3 aufgespalten wird. Diese drei Laserstrahlen werden mit Hilfe der Spiegel 13 und 14 unter einem bestimmten Winkel überlagert, so dass im Überlagerungsbereich das Intensitätsgitter IG entsteht, welches die Figur 1 prinzipiell zeigt.
Mit einem HeNe-LASER mit einer Wellenlänge von 633 nm und den Winkeln der drei Strahlen 1 , 2 und 3 zueinander, ergibt sich z.B. eine Wegdifferenz von 1 ,5 Mikrometern bis 6,7 Mikrometern zwischen zwei Intensitätsmaxima, je nach betrachteter räumlicher Richtung. Durch Variierung der Winkel zwischen den Laserstrahlen lassen sich auch andere Abstände einstellen.
Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die theoretische Intensitätsverteilung und die Figur 5 eine zugehörige linearisierte Vergleichsmessung für die xy-Ebene, die mittels einer erfindungsgemässen Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren aufgenommen wurde.
Hier ist erkennbar, dass sich in x- und y-Richtung jeweils etwa Abstände von ca. 1 ,5 Mikrometern und in z-Richtung von ca. 6,7 Mikrometern zwischen zwei Intensitätsmaxima ergeben.
Bei der Figur 5 wären die Abstände zwischen zwei Maxima am linken Rand der Figur normalerweise grösser als am rechten Rand. Dieser Unterschied ergibt sich durch eine Nichtlinea tät bei der Bewegung der Messsonde mittels Piezotranslatoren. Um den Effekt der Nichtlinearität zu vermeiden wurde die Figur 5 mit einer kapazitiven Hardware-Linearisierung aufgenommen, so dass die Figuren 4 und 5 eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und tatsächlicher Messung der Intensität in der x-y-Ebene nach Linearisierung zeigen. Da im gleichmässigen Intensitätsgitter IG der Abstand zwischen zwei Maxima definitiv konstant ist, lässt sich eine solche Linearisierung der Bewegung der Messsonde auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisieren, um somit die Position der Messsonde exakt zu bestimmen. Für die Erfassung der Intensität wird im konkreten Anwendungsfall ein Photodetektor mit submikroskopischer Apertur verwendet, der eine hohe Positionsauflösung bei kleinen Wellenlängen zulässt und die Erfassung der Intensität ohne Verletzung des örtlichen Abtasttheorems ermöglicht.
Da die Detektoren an dem bewegten Objekt angebracht sind und mit heutiger Technologie eine Fertigung der Detektoren bis in den submikroskopischen Bereich möglich ist, könnte das Verfahren auch für die dreidimensionale simultane Positionsbestimmung vieler voneinander unabhängiger mikroskopischer Objekte in Betracht gezogen werden.
Für den Bereich der Rastersondenmikroskopie und auch anderer Anwendungsgebiete könnte somit die Position vieler Messsonden bzw. Objekte simultan erfasst werden, welches für die Optimierung der Messzeiten eine signifikante Verbesserung darstellen würde.
Die Erfassung der lokalen Intensität des Interferenzmusters kann mit einem Photodetektor erfolgen, der eine dem Referenzmuster angepasste kleine Apertur besitzt, so dass keine örtlichen Abtastfehler beziehungsweise Moire-Effekte entstehen.
Die Abtastung des Intensitätsreferenzmusters im geschilderten Ausführungsbeispiel erfolgt z.B. mit einem SNOM-Photodetektor (Scanning- Nearfield-Optical- icroscopy), der eine submikroskopische Apertur 15 besitzt. Basis des SNOM-Photodetektors ist das spitze Ende einer gezogenen Glasfaser 16, das mit einem dünnen Metallfilm 17 beschichtet und in der Figur 6 dargestellt ist. Aufgrund des Transmissions- und Reflexionsverhaltens wird für die dünne Beschichtung 17 bei kommerziell erhältlichen SNOM-Messsonden im allgemeinen Aluminium verwendet. In einem Ätzprozess wird das Ende der Glasfaser 16 freigelegt, so dass eine submikroskopische Apertur 15 entsteht.
Mit dieser submikroskopischen Apertur 15 wird lokal die Intensität des interferenz-holographischen Referenzmusters abgetastet und über die Glasfaser 16 zu einem Photodetektor 7 geleitet, der die Intensität in ein elektrisches Signal umwandelt. Im allgemeinen sind auch andere dem Referenzmuster angepasste Photodetektoren verwendbar, so dass der SNOM-Photodetektor nur eine optionale Realisierungsmöglichkeit darstellt, die speziell für den mikroskopischen Bereich geeignet ist.
Für die Implementierung in das Rastersondenmikroskop ist der SNOM- Photodetektor an dem bewegten Messsondenhalter 4 angebracht, der gleichzeitig die Befestigung des sogenannten Cantilevers für die Topographieabtastung darstellt.
Für andere Wellenlängen einer allgemeinen elektromagnetischen Strahlung sind andere Detektoren zu verwenden.
Die Theorie des Interferenzfeldes geht von drei homogenen ebenen elektromagnetischen Wellen aus, die linear polarisiert sind. Den Ursprung der drei Laserstrahlen stellt die genannte kohärente HeNe-Laserstrahlquelle dar, so dass die erforderliche Kohärenzbedingung erfüllt ist.
Nach der elektromagnetischen Feldtheorie kann die Überlagerung der elektrischen Feldkomponenten in der komplexen Wellenbeschreibung erfolgen. Da die Gewichtung der einzelnen Strahlen bei der Interferenzmessung nicht nur von der Intensität, sondern auch von der Ausrichtung der Apertur abhängig ist, wird dieser Einfluss durch die Einführung der Richtungsvektoren J ,r2 ,r3 berücksichtigt.
E(x,t) = (Eλ - e kn' x +E2 - ejkTh--x' +E3 -ejk"~>-s}e~jω'
U(x,t) = (i? - r -elkTl^ +E2 -r2 - elkrh +E3 - r3 - e]k^x)-e'j
U (x,t) = ({Jl - ejkr 'x + U2 - ejk" X + U3 . e jk"^ ). e~ja"
Mit den normierten Ausbreitungsrichtungen der drei Wellen n ,n2 ,n3 und 2π der Wellenzahl k = — , bei einer Wellenlänge λ = 633 nm des HeNe-Lasers.
Ä
Somit kann das elektrische Ausgangssignal, das proportional zur Intensität ist, bestimmt werden.
I(x) ~ U(x, t) • U* (x, t) = || £/, • ejt' Ϊ + U2 ■ ejk^x + U3 ■ ejk"~>-χ
Die auf dieser Theorie basierenden Simulationen sind für die xy- und xz- Schnittebenen in den zuvor beschriebenen Figuren 3 und 4 dargestellt. Die Ausbreitungsrichtungen der drei Laserstrahlen sind so gewählt, dass das berechnete Interferenzfeld mit den Messungen verglichen werden kann.
Ein hinreichendes Kriterium für die Erzeugung eines dreidimensionalen Interferenzfeldes sind drei voneinander linear unabhängige Ausbreitungsrichtungen der Laserstrahlen. Bei dem geschilderten Ausführungsbeispiel stehen die durch die Strahlrichtungen 1-2 und 2-3 aufgespannten Ebenen senkrecht aufeinander, so dass ein orthogonales Referenzmuster entsteht.
Für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens und die Messung des Rastersondenmikroskopes wird der Messsondenhalter 4 über die Probenoberfläche gerastert.
Bei dieser Rasterung des Messsondenhalters 4 wird jeder Position eine Intensität des interferenz-holographischen Referenzmusters (Interferenzgitter IG) zugeordnet, so dass mit Hilfe dieser inkremental erfassten Intensität und der Verfahrrichtung die Abmessung der abgebildeten Struktur bestimmt werden kann.
Die exemplarisch in den Figuren 3, 4 und 5 dargestellten Interferenzmuster je einer Ebene des Interferenzgitters IG liegen in allen drei Dimensionen in ähnlicher periodischer Struktur vor, so dass eine Kalibrierung der Messung in jede Bewegungsrichtung erfolgen kann. Im Vergleich zu den bestehenden Methoden in der Rastersondenmikroskopie bietet die interferenz-holographische Wegbestimmung hier weiterhin den Vorteil, dass die Justierung des Messsystems im Vergleich zu anderen verwendeten interferometrischen Methoden mit einem verhältnismäßig geringen Justieraufwand in Betrieb genommen werden kann.
Speziell für den Einsatz in der Rastersondenmikroskopie kann das Verfahren bisherige Methoden der Abstandsdetektion substituieren im Hinblick auf die vorher genannten Vorteile. Abgesehen von der Anwendung in der Rastersondenmikroskopie kann dieser Vorteil auch in anderen mikroskopischen und makroskopischen Bereichen genutzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder der Bewegungweite und/oder der Bewegungsrichtung wenigstens eines Objektes im Raum, insbesondere relativ zu einem Bezugspunkt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei, insbesondere kohärente Wellen einander überlagert werden, wodurch sich im Überlagerungsbereich der Wellen durch Interferenz eine räumliche Intensitätsmodulation ergibt und dass an einem Objekt wenigstens ein Intensitätsdetektor angeordnet ist, mit dem die Intensität am Ort des Objektes im Überlagerungsbereich gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Position und/oder Bewegungsweite eines Objektes im Überlagerungsbereich der Wellen aus einer gemessenen Intensität und/oder einer Intensitätsänderung ermittelbar ist.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass akustische und/oder elektromagnetische Wellen, insbesondere Laserlicht, verwendet werden.
4. Vorrichtung mit einem räumlichen Bereich und wenigstens einem Objekt, dessen Position und/oder Bewegung innerhalb des räumlichen Bereiches, insbesondere relativ zu einem Bezugspunkt, bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der räumliche Bereich eine räumliche Intensitätsmodulation, insbesondere elektromagnetischer und/oder akustischer Strahlung aufweist und dass ein Objekt wenigstens einen Intensitätsdetektor umfasst, mit dem die Intensität am Ort des Objektes im räumlichen Bereich messbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Intensitätsmodulation im räumlichen Bereich durch eine Überlagerung von wenigstens drei, insbesondere kohärenten Wellen der verwendeten Strahlung entsteht.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und/oder Bewegungsrichtung eines Objektes in dem räumlichen Bereich durch die Messung der Intensität und/oder Intensitätsänderung am Ort des Objektes ermittelbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturgröße eines Intensitätsdetektors in einer Raumrichtung kleiner gleich der Periode der Intensitätsmodulation in dieser Raumrichtung ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Laserlichtquelle und Strahlteiler umfasst, mittels denen aus dem wenigstens einen erzeugten Laserstrahl wenigstens drei Teilstrahlen erzeugbar sind, die zur Ausbildung des räumlichen Bereiches insbesondere unter unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen überlagert und/oder überlagerbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt einen Photodetektor, insbesondere eine Photodiode und/oder einen Photomultiplier umfasst.
10.Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Apertur des Photodetektors durch das Ende einer sich insbesondere verjüngenden Glasfaser gebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Laserstrahlen intensitätsmoduliert ist.
12. Rastersondenmikroskop umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche zur Bestimmung der Position und/oder Bewegungsrichtung der Messsonde.
13. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche zur Bestimmung der Position und/oder Bewegungsrichtung der Messsonde eines Rastersondenmikroskops und/oder zur Bestimmung der Abmessung einer rastermikroskopisch aufgenommenen Struktur.
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