WO2000072076A1 - Probe tip that is transparent to light and method for producing the same - Google Patents

Probe tip that is transparent to light and method for producing the same Download PDF

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WO2000072076A1
WO2000072076A1 PCT/EP2000/004655 EP0004655W WO0072076A1 WO 2000072076 A1 WO2000072076 A1 WO 2000072076A1 EP 0004655 W EP0004655 W EP 0004655W WO 0072076 A1 WO0072076 A1 WO 0072076A1
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WO
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light
probe tip
passage opening
layer
absorbing layer
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Application number
PCT/EP2000/004655
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Jürgen BRUGGER
Niek Van Hulst
Original Assignee
Brugger Juergen
Niek Van Hulst
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    • G01QSCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
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    • GPHYSICS
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    • G11B11/10Recording on or reproducing from the same record carrier wherein for these two operations the methods are covered by different main groups of groups G11B3/00 - G11B7/00 or by different subgroups of group G11B9/00; Record carriers therefor using recording by magnetic means or other means for magnetisation or demagnetisation of a record carrier, e.g. light induced spin magnetisation; Demagnetisation by thermal or stress means in the presence or not of an orienting magnetic field
    • G11B11/105Recording on or reproducing from the same record carrier wherein for these two operations the methods are covered by different main groups of groups G11B3/00 - G11B7/00 or by different subgroups of group G11B9/00; Record carriers therefor using recording by magnetic means or other means for magnetisation or demagnetisation of a record carrier, e.g. light induced spin magnetisation; Demagnetisation by thermal or stress means in the presence or not of an orienting magnetic field using a beam of light or a magnetic field for recording by change of magnetisation and a beam of light for reproducing, i.e. magneto-optical, e.g. light-induced thermomagnetic recording, spin magnetisation recording, Kerr or Faraday effect reproducing
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    • G11B7/00Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
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    • G11B7/135Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1387Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector using the near-field effect

Definitions

  • the invention relates to a light-transparent probe tip and to a method for producing one for targeted light emission and / or for receiving light for use in an optical analysis or processing system for examining and / or processing surfaces with an optical resolution in the sub-light wavelength range which has a body made of a light-conducting material and has a surface which is covered by a light-absorbing layer which is interrupted by at least one passage opening through which light passes.
  • STM scanning tunneling microscope
  • AFM atomic force microscope
  • SNOM near-field optical microscope
  • the success of the AFM is due, among other things, to the fact that the so-called tips, samples or tips required for this were already available in excellent quality and inexpensively in the early development phase. This has promoted wide and rapid - almost avalanche-like - dissemination of the instrument, and has also triggered new techniques and methods. Near-field optical methods would even be superior to the AFM in some aspects, since in addition to topographical properties, optical properties of surfaces can also be examined. This factor plays an important role especially in biology, since light acts "without power" and the structure is not touched and changed.
  • Cut-off is an exponential loss of the intensity of a wave along the direction of propagation as soon as the lateral dimensions of the conductor become equal to or less than the wavelength, with visible light at approx. 500 nm.
  • the drawn or etched probes are already to the last micrometer very tight, so on this last one Path section in the waveguide 3-4 orders of magnitude "cut off” and limit the amount of light that can be carried out.
  • the ion beam V F comes from the front.
  • the beam V s comes from the side.
  • the aperture size varies depending on the film thickness of the metal film 2 and the approach plane of the beam Vs.
  • the metal layer is vapor-deposited after glass drawing / etching, and is therefore not of optimal quality (grain formation, narrow .: grains) and not of homogeneous thickness (small radius at the free-standing glass tip)), as already mentioned.
  • the NFO samples have an aperture that is produced at the end of the manufacturing process, for example by ion beam or etching. This is a complex and not 100% reproducible step, since each sample has to be processed individually “by hand”. Furthermore, the samples mostly suffer from poor light Polarization properties because the opening does not have a well-defined geometry. In addition, they have no "flat" end of the probe. This prevents the aperture from being brought sufficiently close to the near field, for example at distances of approximately 10 nm and below. This results in intensity and loss of resolution.
  • probe tip An alternative to the aforementioned construction of the probe tip is its manufacture from etched light-conducting material (glass, quartz, silicon dioxide / nitride) using microfabrication methods and subsequent metal vapor deposition. See here: Cantilever probes for SNOM applications with Single and double aperture tips Oesterschulze E, Rudow O, Mihaicea C, Scholz W, Werner SULTRAMICROSCOPY 71: (1-4) 85-92 MAR 1998.
  • the aperture is defined here by means of etching techniques which only provide insufficient precision in the required range ( ⁇ 10nm), due to edge effects, timing, no etching stop, etc.
  • Hollow NFO samples do not have a waveguiding material with a high refractive index (> 1.45) in which the light is guided, which in turn leads to losses (intensity, diffraction, polarization properties ).
  • devices for probe tips or samples for subwavelengths for optical lithography are also known, which are based on optical glass fibers or solid immersion lenses. See also: Surface modification in the optical near field Krausch G, Mlynek J MICROELECTRONIC ENGINEERING 32: (1-4) 219-228 SEP 1996; Near-field photolithography with a solid immersion lens, LPGhislain et al., Applied Physics Letters Vol. 74, Number 4, January 25, 1999.
  • the optical intensity is limited by the 'cut-off' problem, which requires slow raster speeds in order to irradiate the photoresist with the necessary dose of light. This in turn is too slow as an alternative to existing methods.
  • Solid immersion lens (SIL) is faster because a much higher light dose is applied to the paint.
  • the technology is currently (and probably in principle) limited to approximately 100 nm lateral resolution. Line widths below 100 nm and even 10 nm will be required in the future.
  • the invention has for its object a light-transparent probe tip for targeted light emission and / or for receiving light for use in an optical analysis or processing system for examining and / or processing surfaces with an optical resolution in the sub-light wavelength range, which is made of a light-conducting material existing body with a surface that is covered by a light-absorbing layer, which is interrupted by at least one passage opening through which light passes, in such a way that the above-mentioned disadvantages are eliminated. Furthermore, an inexpensive manufacturing process is to be described, with which it is possible to obtain probe tips with high precision.
  • the solution to the problem on which the invention is based is specified in claims 1 and 15.
  • Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the light-transparent probe tip according to the invention for targeted light emission and / or for light reception for use in an optical analysis or processing system for examining and / or processing surfaces with an optical resolution in the sub-light wavelength range which has a body consisting of a light-conducting material with a Surface which is covered by a light-absorbing layer, which is interrupted by at least one passage opening through which light passes, is formed in that the passage opening through the layer is completely filled with the light-conducting material, and in that the light-conducting material is flush with the light-absorbing material Completes the layer or towers over it.
  • the new NFO structure shows a significantly higher light intensity (-1000 times) due to the geometry significantly reducing the "cut-off", with a constant aperture (resolution) and thus increases the signal quality of optical microscopy and the throughput in photoresist lithography applications.
  • NFO structure with a flat front and allows the aperture to be brought closer to the surface to be processed down to the near field ( ⁇ 10nm) with high resolution and high intensity.
  • the probe tip according to the invention can also be used in high-resolution optical lithography with high resolution and light intensity at the same time and thus increases the throughput. This technology will become increasingly important in future (nano) electronic components with ever smaller dimensions.
  • the probe tip according to the invention has a novel structure that can be used in high-resolution near-field optical methods beyond the diffraction-related limits of light, for example in microscopy or in optical photolithography.
  • the light beam is guided through a small aperture, through opening or aperture with an opening width of approx. 10-50 nm, which is filled with light-conducting material.
  • the lateral resolution of the light wave in the near field area (working area) behind the aperture largely corresponds to the size of the through opening.
  • the layer thickness of the light-absorbing layer is only a few 10 nm in order to shield the light from the side of the diaphragm.
  • the through opening is just as long, i.e. the layer thickness, at least in the area of the through opening, is so thick that the cut-off problem does not occur.
  • the probe tip is formed shortly before the through opening in such a way that the light-conducting material provides a greater lateral spatial expansion than is specified by the clear width of the through opening itself. This ensures that lateral light wave narrowing takes place exclusively through the geometry of the passage opening itself and not through other means limiting the lateral light wave guidance, as is the case, for example, with conically tapering optical waveguides which are surrounded by a metal jacket.
  • the probe tip is used in all areas of optical microscopy (life science, biology, single molecular detection, DNA analysis, etc.), in integrated optics, in magnet-optical data storage, and in optical lithography applications (for microelectronic circuits, VLSI, nanoelectronics, Structuring on a molecular scale, ).
  • the structure combines the two main requirements for the above applications:
  • the neighboring region around the through opening is sufficiently flat or flat and thus forms a sufficiently large acceptance angle for the incident light without loss of intensity occurring.
  • the structure is produced by a new 'nano-molding' process, the aperture being made beforehand in a suitable light-repellent material and then being conformally filled with waveguiding material.
  • the structure can be produced inexpensively, in large quantities, and reproducibly with the above microtechnical method, since the shape is reusable.
  • the method is also suitable for the production of 'arrays' which can be used in parallel optical processing / analysis of surfaces. A high throughput is achieved with constant maximum resolution (wafer lithography).
  • Fig. 3 light transparent probe tip on flexible bars
  • FIG. 2a shows a probe tip which essentially consists of a body 5 which has a flat surface 7 and which is made of light-conducting material, for example PDMS, SU8, glass or the like.
  • OLED organic light-emitting diodes
  • a metal layer 2 is applied to the flat surface and provides a through opening 3, the so-called aperture.
  • the passage opening 3 is completely filled with the light-conducting material.
  • the surface of the metal layer 2 and the through opening are made flush with the surface 6.
  • the through opening has a diameter A of approximately between 10 and 50 nm.
  • the thickness of the metal layer is D -10-30 nm.
  • the aperture of the through opening has a large opening angle of approximately 90 degrees for incident light.
  • the metal layer 2 and the light-conducting material in the passage opening are on the same level on the side facing the work surface 6; therefore, the light guide can be approximated to the surface to be processed in the near field ( ⁇ 10nm).
  • the structure thus combines high intensity with extremely high lateral resolution. The "cut-off" problem practically no longer occurs here.
  • FIG. 2b A variation of the probe tip is shown in Fig. 2b. It has the shape of an inverted inverted pyramid, or a truncated cone. This ensures access to rough surfaces (such as AFM). In this case, the area is kept to a minimum.
  • the light-conducting material of the body 5 has been filled conformally into the metal layer 2 up to the through opening 3.
  • Fig. 2c Another variation is shown in Fig. 2c.
  • the light-guiding body 5 is semicircular.
  • the body 5 and the metal layer 2 have a plurality of through openings 3, which can also be arranged in an array.
  • FIG. 3 Another variation of the probe tip is shown in FIG. 3.
  • the probe tip is located on a flexible membrane 7 or bending beam (such as AFM) to compensate for height differences.
  • the manufacturing process is shown in FIG. 4. It is characterized by the following steps:
  • Step 1 etching a well with the (negative) shape of the later structure
  • Step 2 deposition of the metal film 2; the area to be vaporized is planar
  • Step 3 opening aperture 3 (lithography, lift-off, focused ion beam)
  • Step 4 conformally filling aperture 3 with waveguiding material 5 (polymer, PDMS, SU8, glass ...); these materials conform geometrically to geometries down to the nanometer range.
  • Step 5 Polymerization / hardening of the material and removal of the structure from the well, reusing the well / mold.
  • a variation uses a sacrificial layer between the metal and the trough, which is selectively removed at the end. This process is preferably carried out between steps 3 and 4.
  • the removal of the light-guiding body with the light-absorbing layer is facilitated by providing a corresponding sacrificial layer, in that a so-called 'de-adhesion layer' is introduced between the working surface and the double layer of light-absorbing and light-guiding material to be removed.
  • a so-called 'de-adhesion layer' is introduced between the working surface and the double layer of light-absorbing and light-guiding material to be removed.
  • This depends on the material and the process, and sub-nanometer thicknesses are possible.
  • This layer forms a kind of carpet on which the following layers can be built Due to the extremely thin layer thicknesses, surface structures are mapped with nanometers, which is important here in order not to 'round off' the probe geometry.
  • Another variation uses an already free-standing metal aperture and fills it with light-conducting material; surface chemical effects are used (surface tension of polar materials and capillary effects) to optimally fill the aperture)

Abstract

The invention relates to a probe tip that is transparent to light, for emitting and/or receiving light in a specific manner, for use in an optical analyzing or processing system for examining and/or processing surfaces with an optical resolution in the sub-light wavelength range. The inventive probe tip has a body (5) consisting of a light-conductive material, with a surface that is coated with a light-absorbing layer (2). Said layer is interrupted by at least one through opening (3), through which the light passes. The invention also relates to a method for producing the probe tip. The invention is characterized in that the through opening in the layer is completely filled with the light conductive material and in that said light-conductive material finishes flush with the light-absorbing layer or protrudes beyond said layer. The inventive probe tip can be used in the fields of near field microscopy, optical photolithography and in magnetic/optical memories

Description

Lichttransparente Sondenspitze sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen Light-transparent probe tip and method for producing one
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf eine lichttransparente Sondenspitze sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen zur gezielten Lichtemission und/oder zum Lichtempfang für den Einsatz in einem optischen Analyse- oder Bearbeitungssystem zur Untersuchung und/oder Bearbeitung von Oberflächen mit einer optischen Auflösung im sub-Lichtwellenlängenbereich, die einen aus einem lichtleitenden Material bestehenden Körper aufweist mit einer Oberfläche, die von einer lichtabsorbierenden Schicht überzogen ist, die durch wenigstens eine Durchtrittsöffnung unterbrochen ist, durch die Licht hindurchtritt.The invention relates to a light-transparent probe tip and to a method for producing one for targeted light emission and / or for receiving light for use in an optical analysis or processing system for examining and / or processing surfaces with an optical resolution in the sub-light wavelength range which has a body made of a light-conducting material and has a surface which is covered by a light-absorbing layer which is interrupted by at least one passage opening through which light passes.
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung des Rastertunnelmikroskops (STM) im Jahre 1982 hat eine rasante Entwicklung von artverwandten Rasterprobenmikroskopen nach sich gezogen, zum Beispiel das Rasterkraftmikroskop (AFM) oder das Nahfeld-Optische Mikroskop (SNOM). Am weitverbreitetsten ist mittlerweile das AFM, weil es die Analyse und Bearbeitung von beliebigen auch nichtleitenden Materialen ermöglicht.The invention of the scanning tunneling microscope (STM) in 1982 led to the rapid development of related scanning sample microscopes, for example the atomic force microscope (AFM) or the near-field optical microscope (SNOM). AFM is now the most widespread because it enables the analysis and processing of any non-conductive material.
Der Erfolg des AFM ist u.a. darauf zurückzuführen, daß die dazu benötigten sogenannten Tips, Proben oder Spitzen bereits in der frühen Entwicklungsphase in ausgezeichneter Qualität und günstig zur Verfügung standen. Dies war einer weiten und schnellen - fast lawinenartigen - Verbreitung des Instruments förderlich, und hat außerdem neue Techniken und Methoden ausgelöst. Nahfeldoptische Methoden wären dem AFM in einigen Aspekten sogar überlegen, da neben topographischen auch optische Eigenschaften von Oberflächen untersucht werden können. Dieser Faktor spielt speziell in der Biologie eine wichtige Rolle, da Licht 'kraftlos' einwirkt und die Struktur nicht berührt und verändert wird.The success of the AFM is due, among other things, to the fact that the so-called tips, samples or tips required for this were already available in excellent quality and inexpensively in the early development phase. This has promoted wide and rapid - almost avalanche-like - dissemination of the instrument, and has also triggered new techniques and methods. Near-field optical methods would even be superior to the AFM in some aspects, since in addition to topographical properties, optical properties of surfaces can also be examined. This factor plays an important role especially in biology, since light acts "without power" and the structure is not touched and changed.
Der Grund warum SNOM noch nicht so verbreitet ist wie das AFM liegt u.a. am Mangel an qualitativ hochwertigen und kostengünstigen SNOM Spitzen. Verbesserte und günstigere SNOM Spitzen würde den Stand der Technik vieler Bereiche verbessern, so zum Beispiel die Nahfeld-Mikroskopie in Bereichen wie Biologie, Medizin, Materialkunde, aber auch Methoden der magneto-optischen Datenspeicherung und in Verfahren von Photolack-Strukturierungen der Halbleiterfertigung.The reason why SNOM is not yet as widespread as the AFM is lack of high quality and low cost SNOM tips. Improved and cheaper SNOM tips would improve the state of the art in many areas, for example near-field microscopy in areas such as biology, medicine, materials science, but also methods of magneto-optical data storage and in the process of photoresist structuring in semiconductor production.
Die heutigen meistverwendeten Sonden für die Nahfeldmikroskopie sind gezogene bzw. geätzte Glasfasern 1 (siehe Figur 1a) mit einem Metallmantel 2 und nachgefertigter Apertur 3, die typischerweise mittels folgender Prozeß-Schritte hergestellt werden: Die Form der Sondenspitze wird aus einer Glasfaser 1 gezogen und/oder geätzt (siehe Figur 1 a Schritt 1 ). Anschließend wird die Glasfaser 1 mit einer Metallschicht, bspw. Alu, bedampft (Schritt 2). Schließlich erfolgt eine Öffnung der Metallschicht 1 an der Spitze der Sonde, wodurch eine Durchgangsöffnung oder Apertur 3 erhalten wird (Schritt 3). Derartige NFO-Proben haben derzeit die höchste Auflösung. (Siehe hierzu auch: BETZIG E, TRAUTMAN JK, HARRIS TD, WEINER JS, KOSTELAK RL; BREAKING THE DIFFRACTION BARRIER - OPTICAL MICROSCOPY ON A NANOMETRIC SCALE; SCIENCE 251 : (5000) 1468-1470 MAR 22 1991 ).Today's most widely used probes for near-field microscopy are drawn or etched glass fibers 1 (see FIG. 1a) with a metal jacket 2 and a manufactured aperture 3, which are typically produced using the following process steps: the shape of the probe tip is drawn from a glass fiber 1 and / or etched (see Figure 1 a step 1). The glass fiber 1 is then vapor-coated with a metal layer, for example aluminum (step 2). Finally, the metal layer 1 is opened at the tip of the probe, as a result of which a through opening or aperture 3 is obtained (step 3). Such NFO samples currently have the highest resolution. (See also: BETZIG E, TRAUTMAN JK, HARRIS TD, WEINER JS, KOSTELAK RL; BREAKING THE DIFFRACTION BARRIER - OPTICAL MICROSCOPY ON A NANOMETRIC SCALE; SCIENCE 251: (5000) 1468-1470 MAR 22 1991).
Allerdings ist die Geometrie der Spitze ungünstig im Bezug auf die durch die Apertur erreichbare Lichtintensität. Grund hierfür ist das sogenannte cut-off Problem. Cut-off ist ein expontieller Verlust der Intensität einer Welle längs der Ausbreitungsrichtung, sobald die lateralen Dimensionen des Leiters gleich groß oder kleiner als die Wellenlänge wird, bei sichtbarem Licht bei ca. 500 nm. Die gezogenen oder geätzten Sonden sind auf den letzten Mikrometer bereits sehr eng, so dass auf diesem letzten Wegstück im Wellenleiter 3-4 Größenordnung an Intensität „abgeschnitten" werden und so die durchführbare Lichtmenge limitieren.However, the geometry of the tip is unfavorable in relation to the light intensity that can be achieved through the aperture. The reason for this is the so-called cut-off problem. Cut-off is an exponential loss of the intensity of a wave along the direction of propagation as soon as the lateral dimensions of the conductor become equal to or less than the wavelength, with visible light at approx. 500 nm. The drawn or etched probes are already to the last micrometer very tight, so on this last one Path section in the waveguide 3-4 orders of magnitude "cut off" and limit the amount of light that can be carried out.
Beim Aufdampfen eines Metallfilms kann man aufgrund der freistehenden Spitze keine hochqualitativen Schichten erreichen, wie es bspw. auf planaren Oberflächen möglich ist. Es bilden sich vor allem Körner 4 an der Metallschicht 2 aus, wodurch die Dicke inhomogen wird. Das Öffnen der Apertur erfolgt mittels Fokussiertem lonenstrahl V und Vs. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten:When a metal film is vapor-deposited, high-quality layers cannot be achieved due to the free-standing tip, as is possible, for example, on planar surfaces. Grains 4 in particular form on the metal layer 2, as a result of which the thickness becomes inhomogeneous. The aperture is opened by means of a focused ion beam V and V s . There are two ways to do this:
Gemäß Figur 1 b kommt der lonenstrahl VFvon vorne. Hier hat man keine Kontrolle über die genaue Tiefe des Lichtleiters hinter der Apertur 3 (was an sich bereits ein gravierender Nachteil ist). Ferner werden Körner 4, die ein Annähern der Apertur 3 an eine Arbeitsfläche verhindern, nicht entfernt.According to FIG. 1 b, the ion beam V F comes from the front. Here you have no control over the exact depth of the light guide behind the aperture 3 (which in itself is a serious disadvantage). Furthermore, grains 4, which prevent the aperture 3 from approaching a work surface, are not removed.
Gemäß Fig. 1c kommt der Strahl Vs von der Seite. Hier sind die vorherigen Probleme zwar behoben, allerdings variiert die Aperturgrösse je nach Filmdicke des Metallfilms 2 und Ansatzebene des Strahls Vs.1c, the beam V s comes from the side. Although the previous problems have been eliminated here, the aperture size varies depending on the film thickness of the metal film 2 and the approach plane of the beam Vs.
Als weitere Nachteile der gezogenen/geätzten NFO Proben können genannt werden: Die Proben leiden unter hohen Licht-Intensitätsverlusten, da sich das Licht auf dem Weg im Wellenleiter zur Apertur hin bereits über eine Distanz von mehreren Wellenlängen im dem sogenannten "cut-off Bereich" befindet. Dies ist mit exponentiellem Abfall der Intensität, typische Verluste von 3-4 Größenordnungen, verbunden.Further disadvantages of the drawn / etched NFO samples can be mentioned: The samples suffer from high light intensity losses, since the light on the way in the waveguide to the aperture already extends over a distance of several wavelengths in the so-called "cut-off area" located. This is associated with an exponential drop in intensity, typical losses of 3-4 orders of magnitude.
(Die Metallschicht wird nach dem Glasziehen/ätzen aufgedampft, und ist somit nicht von optimaler Qualität (Körnerbildung, eng.: grains) und nicht von homogener Dicke (kleiner Radius an freistehender Glasspitze)), wie bereits erwähnt. Die NFO Proben besitzen eine Apertur, die am Ende des Herstellungsverfahrens hergestellt wird, z.B. durch Ionen-Strahl oder Ätzen. Dies ist ein aufwendiger und nicht 100% reproduzierbarer Schritt, da jede Probe einzeln „von Hand" bearbeitet werden muß. Ferner leiden die Proben meistens unter schlechten Licht- Polarisationseigenschaften, da die Öffnung keine wohldefinierte Geometrie aufweist. Sie weisen überdies kein „flaches" Ende der Sonde auf. Dies verhindert, dass die Apertur genügend nah in den Nahfeldbereich gebracht werden kann, beispielsweise auf Distanzen von ca. 10 nm und darunter. Daraus resultieren Intensität und Auflösungsverluste.(The metal layer is vapor-deposited after glass drawing / etching, and is therefore not of optimal quality (grain formation, narrow .: grains) and not of homogeneous thickness (small radius at the free-standing glass tip)), as already mentioned. The NFO samples have an aperture that is produced at the end of the manufacturing process, for example by ion beam or etching. This is a complex and not 100% reproducible step, since each sample has to be processed individually “by hand”. Furthermore, the samples mostly suffer from poor light Polarization properties because the opening does not have a well-defined geometry. In addition, they have no "flat" end of the probe. This prevents the aperture from being brought sufficiently close to the near field, for example at distances of approximately 10 nm and below. This results in intensity and loss of resolution.
Eine Array-förmige Anordnung von Mehrfachspitzen scheidet mit dieser Technik aus. Grundsätzlich sind die Herstellungskosten zu hoch.An array-shaped arrangement of multiple tips is eliminated with this technique. The manufacturing costs are generally too high.
Eine Alternative zum vorgenannten Aufbau der Sondenspitze ist ihre Herstellung aus geätztem lichtleitendem Material (Glas, Quarz, Silizium-Dioxid/Nitride) mittels Mikrofabrikationsmethoden und anschließendem Bedampfen von Metall. Siehe hierzu: Cantilever probes for SNOM applications with Single and double aperture tips Oesterschulze E, Rudow O, Mihaicea C, Scholz W, Werner SULTRAMICROSCOPY 71 : (1-4) 85-92 MAR 1998.An alternative to the aforementioned construction of the probe tip is its manufacture from etched light-conducting material (glass, quartz, silicon dioxide / nitride) using microfabrication methods and subsequent metal vapor deposition. See here: Cantilever probes for SNOM applications with Single and double aperture tips Oesterschulze E, Rudow O, Mihaicea C, Scholz W, Werner SULTRAMICROSCOPY 71: (1-4) 85-92 MAR 1998.
Mikrofabrizierte NFO Spitzen aus geätztem Glas, Silizium Dioxide/Nitride leiden jedoch ebenfalls unter dem geometrisch bedingten , weiter oben definierten, 'cut-off Phänomen. Die Apertur wird hierbei mittels Ätztechniken definiert, die im erforderten Bereich (~10nm) nur eine ungenügende Präzision liefern, aufgrund von Randeffekten, Timing, kein Ätzstop, etc..Microfabricated NFO tips made of etched glass, silicon dioxide / nitride, however, also suffer from the geometrically determined 'cut-off phenomenon' defined above. The aperture is defined here by means of etching techniques which only provide insufficient precision in the required range (~ 10nm), due to edge effects, timing, no etching stop, etc.
Auch sind hohle NFO Proben aus Silizium-Nitrid hergestellt mittels Abformungsprozess (wie Standard AFM -Spitzen) und nachgefertigter Apertur bekannt, siehe hierzu „Microfabrication of near-field optical probes Ruiter AGT, Moers MHP, vanHulst NF, deBoer MJOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY B 14: (2) 597-601 MAR-APR 1996.Hollow NFO samples made of silicon nitride using an impression process (such as standard AFM tips) and a refined aperture are also known, see “Microfabrication of near-field optical probes Ruiter AGT, Moers MHP, vanHulst NF, deBoer MJOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY B 14: (2) 597-601 MAR-APR 1996.
Hohle NFO Proben haben aber kein wellenleitendes Material mit hohem Brechungsindex (>1.45), in dem das Licht geführt wird, was wiederum zu Verlusten (Intensität, Beugung, Polarisationseigenschaften ...) führt. Schließlich sind auch Vorrichtungen für Sondenspitzen bzw. Proben für SubWellenlängen für die optische Lithographie bekannt, die auf der Basis optischer Glasfasern oder Solid-immersion-lenses beruhen. Siehe hierzu : Surface modification in the optical near field Krausch G, Mlynek J MICROELECTRONIC ENGINEERING 32: (1-4) 219-228 SEP 1996; Near-field photolithography with a solid immersion lens, L.P.Ghislain et al., Applied Physics Letters Vol. 74, Number 4, 25 January 1999.Hollow NFO samples do not have a waveguiding material with a high refractive index (> 1.45) in which the light is guided, which in turn leads to losses (intensity, diffraction, polarization properties ...). Finally, devices for probe tips or samples for subwavelengths for optical lithography are also known, which are based on optical glass fibers or solid immersion lenses. See also: Surface modification in the optical near field Krausch G, Mlynek J MICROELECTRONIC ENGINEERING 32: (1-4) 219-228 SEP 1996; Near-field photolithography with a solid immersion lens, LPGhislain et al., Applied Physics Letters Vol. 74, Number 4, January 25, 1999.
Bei der Verwendung optischer Glasfasern ist die optische Intensität durch das 'cut- off'-Problem limitiert, was langsame Rastergeschwindigkeiten erfordert, um den Fotolack mit der notwendigen Dosis Licht zu bestrahlen. Dies wiederum ist zu langsam als Alternative zu bestehenden Methoden. Solid-immersion-lens (SIL) ist schneller, da eine viel höhere Lichtdosis auf den Lack gebracht wird. Die Technik ist derzeit (und wahrscheinlich prinzipiell) bei ca. 100 nm lateraler Auflösung limitiert. In Zukunft werden Linienbreiten unter 100 nm und sogar von 10 nm erforderlich sein.When using optical glass fibers, the optical intensity is limited by the 'cut-off' problem, which requires slow raster speeds in order to irradiate the photoresist with the necessary dose of light. This in turn is too slow as an alternative to existing methods. Solid immersion lens (SIL) is faster because a much higher light dose is applied to the paint. The technology is currently (and probably in principle) limited to approximately 100 nm lateral resolution. Line widths below 100 nm and even 10 nm will be required in the future.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine lichttransparente Sondenspitze zur gezielten Lichtemission und/oder zum Lichtempfang für den Einsatz in einem optischen Analyse- oder Bearbeitungssystem zur Untersuchung und/oder Bearbeitung von Oberflächen mit einer optischen Auflösung im sub- Lichtwellenlängenbereich, die einen aus einem lichtleitenden Material bestehenden Körper aufweist mit einer Oberfläche, die von einer lichtabsorbierenden Schicht überzogen ist, die durch wenigstens eine Durchtrittsöffnung unterbrochen ist, durch die Licht hindurchtritt, derart auszubilden, daß die obengenannten Nachteile behoben werden. Ferner soll ein kostengünstiges Herstellungsverfahren beschrieben werden, mit dem es möglich ist Sondenspitzen von hoher Präzision zu erhalten.The invention has for its object a light-transparent probe tip for targeted light emission and / or for receiving light for use in an optical analysis or processing system for examining and / or processing surfaces with an optical resolution in the sub-light wavelength range, which is made of a light-conducting material existing body with a surface that is covered by a light-absorbing layer, which is interrupted by at least one passage opening through which light passes, in such a way that the above-mentioned disadvantages are eliminated. Furthermore, an inexpensive manufacturing process is to be described, with which it is possible to obtain probe tips with high precision.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 15 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße lichttransparente Sondenspitze zur gezielten Lichtemission und/oder zum Lichtempfang für den Einsatz in einem optischen Analyse- oder Bearbeitungssystem zur Untersuchung und/oder Bearbeitung von Oberflächen mit einer optischen Auflösung im sub-Lichtwellenlängenbereich, die einen aus einem lichtleitenden Material bestehenden Körper aufweist mit einer Oberfläche, die von einer lichtabsorbierenden Schicht überzogen ist, die durch wenigstens eine Durchtrittsöffnung unterbrochen ist, durch die Licht hindurchtritt, ist dadurch ausgebildet, daß die Durchtrittsöffnung durch die Schicht mit dem lichtleitenden Material vollständig gefüllt ist, und dass das lichtleitende Material bündig mit der lichtabsorbierenden Schicht abschließt oder diese überragt.The solution to the problem on which the invention is based is specified in claims 1 and 15. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. The light-transparent probe tip according to the invention for targeted light emission and / or for light reception for use in an optical analysis or processing system for examining and / or processing surfaces with an optical resolution in the sub-light wavelength range, which has a body consisting of a light-conducting material with a Surface which is covered by a light-absorbing layer, which is interrupted by at least one passage opening through which light passes, is formed in that the passage opening through the layer is completely filled with the light-conducting material, and in that the light-conducting material is flush with the light-absorbing material Completes the layer or towers over it.
Die neuartige NFO Struktur zeigt eine wesentlich höhere Lichtintensität (-1000 fach) durch eine den „cut-off" wesentlich reduzierende Geometrie, bei gleichbleibender Apertur (Auflösung) und steigert somit die Signalgüte von optischer Mikroskopie sowie den Durchsatz bei Photolack-Lithographie Anwendungen.The new NFO structure shows a significantly higher light intensity (-1000 times) due to the geometry significantly reducing the "cut-off", with a constant aperture (resolution) and thus increases the signal quality of optical microscopy and the throughput in photoresist lithography applications.
Sie zeigt eine gut definierte Polarisation Eigenschaft durch eine symmetrische Geometrie der Apertur und des Wellenleiters im Bereich und in der Apertur.It shows a well-defined polarization property through a symmetrical geometry of the aperture and the waveguide in the area and in the aperture.
Sie zeigt darüberhinaus eine NFO Struktur mit flacher Front und erlaubt ein Annähern der Apertur an die zu bearbeitende Fläche bis in den Nahfeldbereich (<10nm) mit hoher Auflösung und hoher Intensität.It also shows an NFO structure with a flat front and allows the aperture to be brought closer to the surface to be processed down to the near field (<10nm) with high resolution and high intensity.
Die erfindungsgemäße Sondenspitze kann ferner in höchstauflösender optischer Lithographie einsatz finden mit gleichzeitig hoher Auflösung und Lichtintensität und steigt somit den Durchsatz. Diese Technik wird in zukünftigen (nano)elektronischen Bauteilen mit immer kleiner werdenden Ausmassen von immer größerer Bedeutung.The probe tip according to the invention can also be used in high-resolution optical lithography with high resolution and light intensity at the same time and thus increases the throughput. This technology will become increasingly important in future (nano) electronic components with ever smaller dimensions.
Die erfindungsgemäße Sondenspitze weist eine neuartige Struktur, die einsetzbar ist in höchstauflösenden Nah-feld-Optischen Methoden jenseits der beugungsbedingten Grenzen von Licht, zum Beispiel in Mikroskopie oder in optischer Photolithographie. Um eine Auflösung in sub-Wellenlängen zu erreichen, wird der Lichtstrahl durch eine kleine Apertur, Durchgangsöffnung oder Blende mit einer Öffnungsweite von ca. 10- 50 nm, geführt, die mit lichtleitendem Material gefüllt ist. Die laterale Auflösung der Lichtwelle im Nahfeldbereich (Arbeitsbereich) hinter der Apertur entspricht weitgehend der Größe der Durchgangsöffnung. Damit eine hohe Lichtintensität hinter der engen Durchgangsöffnung erzielt wird, ist diese so kurz wie nötig ausgebildet, d.h. die Schichtdicke der lichtabsorbierenden Schicht beträgt nur wenige 10 nm, um das Licht seitlich der Blende abzuschirmen.The probe tip according to the invention has a novel structure that can be used in high-resolution near-field optical methods beyond the diffraction-related limits of light, for example in microscopy or in optical photolithography. In order to achieve resolution in sub-wavelengths, the light beam is guided through a small aperture, through opening or aperture with an opening width of approx. 10-50 nm, which is filled with light-conducting material. The lateral resolution of the light wave in the near field area (working area) behind the aperture largely corresponds to the size of the through opening. In order for a high light intensity to be achieved behind the narrow passage opening, it is made as short as necessary, ie the layer thickness of the light-absorbing layer is only a few 10 nm in order to shield the light from the side of the diaphragm.
Die Durchgangsöffnung ist dabei gerade so lang, d.h. die Schichtdicke, zumindest im Bereich der Durchgangsöffnung so dick ausgebildet, dass das cut-off-Problem nicht auftritt. Hierbei ist die Sondenspitze kurz vor der Durchgangsöffnung derart ausgebildet, dass das lichtleitende Material eine größere laterale räumliche Ausdehnung vorsieht als dies durch die lichte Weite der Durchgangsöffnung selbst vorgegeben ist. Auf diese ist sichergestellt, dass eine laterale Lichtwelleneinengung ausschließlich durch die Geometrie der Durchgangsöffnung selbst erfolgt und nicht durch andere, die laterale Lichtwellenführung begrenzende Mittel, wie es beispielsweise bei konisch spitz zulaufenden Lichtwellenleitern der Fall ist, die von einem Metallmantel umgeben sind.The through opening is just as long, i.e. the layer thickness, at least in the area of the through opening, is so thick that the cut-off problem does not occur. Here, the probe tip is formed shortly before the through opening in such a way that the light-conducting material provides a greater lateral spatial expansion than is specified by the clear width of the through opening itself. This ensures that lateral light wave narrowing takes place exclusively through the geometry of the passage opening itself and not through other means limiting the lateral light wave guidance, as is the case, for example, with conically tapering optical waveguides which are surrounded by a metal jacket.
Die Sondenspitze findet Anwendung im allen Bereichen der optischen Mikroskopie (life science, Biologie, Einzelmolekulare Detektion, DNA Analyse, etc.), in integrierter Optik, in Magnet-optische Datenspeicher, sowie in optischen Lithographie Anwendungen (für Mikroelektronik Schaltkreise, VLSI, Nanoelektronik, Strukturierung auf molekularer Skala,...).The probe tip is used in all areas of optical microscopy (life science, biology, single molecular detection, DNA analysis, etc.), in integrated optics, in magnet-optical data storage, and in optical lithography applications (for microelectronic circuits, VLSI, nanoelectronics, Structuring on a molecular scale, ...).
Die Struktur verbindet die zwei wichtigsten Anforderungen für die oben genannten Anwendungen:The structure combines the two main requirements for the above applications:
1. hohe Intensität des Lichtes (dies ist wichtig für eine hohe Signalgüte in Mikroskopie, und für eine hohe Dosis bei Photolack-Strukturierungsprozessen,1. high intensity of the light (this is important for a high signal quality in microscopy, and for a high dose in photoresist structuring processes,
2. eine kleine Apertur (für eine hohe laterale Auflösung). Vorteilhafte Eigenschaften der Sondenspitze sind folgende:2. a small aperture (for a high lateral resolution). Advantageous properties of the probe tip are the following:
- die Nachbarregion um die Durchgangsöffnung ist genügend flach bzw. eben ausgebildet und bildet somit einen genügend großen Akzeptanzwinkel für das einfallende Licht, ohne dass Intensitätsverluste auftreten.- The neighboring region around the through opening is sufficiently flat or flat and thus forms a sufficiently large acceptance angle for the incident light without loss of intensity occurring.
- die Struktur ist durch ein neuartiges 'nano-molding' Verfahren hergestellt, wobei vorab zuerst die Apertur in geeignetem lichtabweisendem Material hergestellt und danach mit wellenleitendem Material konformal aufgefüllt wird.- The structure is produced by a new 'nano-molding' process, the aperture being made beforehand in a suitable light-repellent material and then being conformally filled with waveguiding material.
Das Verfahren zur Herstellung einer lichttransparenten Sondenspitze ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:The process for producing a light-transparent probe tip is characterized by the following process steps:
Ausbilden einer die räumliche Gestalt des lichtleitenden Körpers bestimmenden Form,Forming a shape determining the spatial shape of the light-guiding body,
Abscheiden einer lichtabsorbierenden Schicht auf der Formoberfläche,Depositing a light-absorbing layer on the mold surface,
Einbringen von Durchgangsöffnungen in die auf der Formoberfläche abgeschiedenen, lichtabsorbierende Schicht,Introducing through openings into the light-absorbing layer deposited on the mold surface,
Ausfüllen der Form mit, zu einem lichtleitenden Körper erstarrenden Material undFilling out the form with, solidifying material and a light-guiding body
Isolieren des erstarrten lichtleitenden Körpers mit der lichtabsorbierendenIsolate the solidified light-guiding body with the light-absorbing body
Schicht aus der Form.Layer from the mold.
Die Struktur kann mit dem vorstehend mikrotechnischen Verfahren kostengünstig, in großen Mengen, und reproduzierbar hergestellt werden, da die Form wiederverwendbar ist. Das Verfahren ist auch geeignet für die Herstellung von 'arrays', die einsetzbar sind in paralleler optischer Bearbeitung/Analyse von Oberflächen. Dabei wird bei gleichbleibender Höchstauflösung ein hoher Durchsatz erreicht (Wafer lithographie).The structure can be produced inexpensively, in large quantities, and reproducibly with the above microtechnical method, since the shape is reusable. The method is also suitable for the production of 'arrays' which can be used in parallel optical processing / analysis of surfaces. A high throughput is achieved with constant maximum resolution (wafer lithography).
Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 a-c Lichttransparente Sondenspitze gemäß dem Stand der TechnikThe invention is described below by way of example without limitation of the general inventive concept using exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it: Fig. 1 ac light transparent probe tip according to the prior art
Fig. 2 a-d Alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen lichttransparenten Sondenspitze,2 a-d alternative embodiments of the light-transparent probe tip according to the invention,
Fig. 3 Lichttransparente Sondenspitze an flexiblen Balken undFig. 3 light transparent probe tip on flexible bars and
Fig. 4 Sequenzbilder zum HerstellungsverfahrenFig. 4 sequence pictures of the manufacturing process
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY
Bezüglich Figur 1 wird auf das Vorstehende in der Beschreibungseinleitung zur Würdigung des Standes der Technik hingewiesen.With regard to FIG. 1, reference is made to the above in the introduction to the description in order to appreciate the prior art.
In Figur 2a ist eine Sondenspitze dargestellt, die im wesentlichen aus einem, eine ebene Oberfläche 7 aufweisenden Körper 5 besteht, der aus lichtleitendem Material, bspw. PDMS, SU8, Glas oder Ähnlichem gefertigt ist. Ferner sind lichtemittierende Polymere (OLED = organic light emitting diodes) als aktive Lichtquellen denkbar, die das Licht durch die Blende emittiert.FIG. 2a shows a probe tip which essentially consists of a body 5 which has a flat surface 7 and which is made of light-conducting material, for example PDMS, SU8, glass or the like. Furthermore, light-emitting polymers (OLED = organic light-emitting diodes) are conceivable as active light sources which emit the light through the diaphragm.
An der ebenen Oberfläche ist eine Metallschicht 2 aufgebracht, die eine Durchgangsöffnung 3, die sogenannte Apertur vorsieht. Die Durchgangsöffnung 3 ist vollständig mit dem lichtleitendem Material befüllt. Die Oberfläche der Metallschicht 2 und die Durchgangsöffnung sind zur Seite der Oberfläche 6 bündig gefertigt.A metal layer 2 is applied to the flat surface and provides a through opening 3, the so-called aperture. The passage opening 3 is completely filled with the light-conducting material. The surface of the metal layer 2 and the through opening are made flush with the surface 6.
Die Durchgangsöffnung weist einen Durchmesser A ca. zwischen 10 und 50 nm auf. Die Dicke der Metallschicht beträgt dabei D -10-30 nm. Die Apertur der Durchgangsöffnung weist einen großen Öffnungswinkel von ca. 90 Grad für einfallendes Licht auf. Die Metallschicht 2 und das lichtleitende Material in der Durchgangsöffnung befinden sich auf der der Arbeitsfläche 6 zugewandten Seite auf gleicher Ebene; daher kann der Lichtleiter bis in den Nahfeldbereich an die zu bearbeitende Oberfläche angenähert werden (<10nm). Die Struktur kombiniert somit eine hohe Intensität mit extrem hoher lateraler Auflösung. Das "cut-off" Problem tritt hier praktisch nicht mehr auf.The through opening has a diameter A of approximately between 10 and 50 nm. The thickness of the metal layer is D -10-30 nm. The aperture of the through opening has a large opening angle of approximately 90 degrees for incident light. The metal layer 2 and the light-conducting material in the passage opening are on the same level on the side facing the work surface 6; therefore, the light guide can be approximated to the surface to be processed in the near field (<10nm). The structure thus combines high intensity with extremely high lateral resolution. The "cut-off" problem practically no longer occurs here.
Eine Variation der Sondenspitze ist in Fig. 2b dargestellt. Sie besitzt die Form einer geköpften umgestülpten Pyramide, bzw. eines Kegelstumpfes. Damit wird Zugang zu rauhen Oberflächen gewährleistet (wie AFM). In diesem Fall wird die Fläche minimal gehalten. Das lichtleitende Material des Körpers 5 ist konformal in die Metallschicht 2 bis zur Durchgangsöffnung 3 eingefüllt worden.A variation of the probe tip is shown in Fig. 2b. It has the shape of an inverted inverted pyramid, or a truncated cone. This ensures access to rough surfaces (such as AFM). In this case, the area is kept to a minimum. The light-conducting material of the body 5 has been filled conformally into the metal layer 2 up to the through opening 3.
Eine weitere Variation ist in Fig. 2c dargestellt. Hier ist der lichtleitende Körper 5 halbkreisförmig ausgebildet.Another variation is shown in Fig. 2c. Here, the light-guiding body 5 is semicircular.
In Figur 2d weist der Körper 5 sowie die Metallschicht 2 mehrere Durchgangsöffnungen 3 auf, die auch array-förmig angeordnet sein können.In FIG. 2d, the body 5 and the metal layer 2 have a plurality of through openings 3, which can also be arranged in an array.
Eine weitere Variation der Sondenspitze ist in Fig. 3 dargestellt. Die Sondenspitze befindet sich auf einer flexiblen Membrane 7 oder Biegebalken (wie AFM), um Höhenunterschiede ausgleichen zu können.Another variation of the probe tip is shown in FIG. 3. The probe tip is located on a flexible membrane 7 or bending beam (such as AFM) to compensate for height differences.
Der Herstellungsprozess ist in Fig. 4 gezeigt. Er zeichnet sich durch folgende Schritte aus:The manufacturing process is shown in FIG. 4. It is characterized by the following steps:
Schritt 1 : Ätzen einer Mulde mit der (negativen )Form der späteren Struktur Schritt 2: Deposition des Metall Films 2; die zu bedampfende Fläche ist planarStep 1: etching a well with the (negative) shape of the later structure Step 2: deposition of the metal film 2; the area to be vaporized is planar
(im Gegensatz zu geätzten Spitzen). Somit wird hier eine verbesserte(in contrast to etched tips). So here is an improved one
Qualität mit wohldefinierter Schichtdicke erreicht. Schritt 3: Öffnen der Apertur 3 (lithographie, lift-off, focussed ion beam) Schritt 4: Konformales füllen der Apertur 3 mit wellenleitendem Material 5 (polymer, PDMS, SU8, glass...); diese Materialien formen Geometrien bis in den Nanometer Bereich konformal ab. Schritt 5: Polimerisation/Verhärtung des Materials und Entfernen der Struktur aus der Mulde Wiederverwenden der Mulde / Form.Quality achieved with a well-defined layer thickness. Step 3: opening aperture 3 (lithography, lift-off, focused ion beam) Step 4: conformally filling aperture 3 with waveguiding material 5 (polymer, PDMS, SU8, glass ...); these materials conform geometrically to geometries down to the nanometer range. Step 5: Polymerization / hardening of the material and removal of the structure from the well, reusing the well / mold.
Eine Variation benutzt eine Opferschicht zwischen Metall und Mulde, die am Schluß selektiv entfernt wird. Dieser Vorgang wird vorzugsweise zwischen Schritt 3 und 4 durchgeführt.A variation uses a sacrificial layer between the metal and the trough, which is selectively removed at the end. This process is preferably carried out between steps 3 and 4.
Das Herausloesen des lichtleitenden Koerpers mit der lichtabsorbierenden Schicht wird durch ein Vorsehen einer entsprechenden Opferschicht erleichtert, indem zwischen der Abeitsflaeche und der zu entfernenden Doppelschicht aus lichtabsorbierenden und lichtleitenden Material eine sogenannte 'De- Adhaesionsschicht' eingebracht wird. Diese wird z.B. mittels selbsorganisierenden organischen Molekuelen, sogenannten „self-assembled monolayer" ohne Aufwand eingebracht. Die Dicke haengt von dem Material und dem Prozess ab, wobei sub- nanometer Schicktdicken moeglich sind. Diese Schicht bildet eine Art Teppich, auf die die folgenden Schichten aufgebaut werden können. Durch die extrem duenne Schichtdicken, werden Oberflaechen-structuren Nanometer genau abgebildet. Dies ist hier wichtig um die Sondengeometrie nicht 'abzurunden'.The removal of the light-guiding body with the light-absorbing layer is facilitated by providing a corresponding sacrificial layer, in that a so-called 'de-adhesion layer' is introduced between the working surface and the double layer of light-absorbing and light-guiding material to be removed. This is e.g. by means of self-organizing organic molecules, so-called “self-assembled monolayers”. The thickness depends on the material and the process, and sub-nanometer thicknesses are possible. This layer forms a kind of carpet on which the following layers can be built Due to the extremely thin layer thicknesses, surface structures are mapped with nanometers, which is important here in order not to 'round off' the probe geometry.
Eine weitere Variation benutzt eine bereits freistehende Metallapertur und füllt sie mit lichtleitendem Material; dabei werden Oberflächenchemische Effekte ausgenutzt (Oberflächenspannung polarer Materialen sowie Kapillareffekte) um die Apertur optimal zu füllen) Another variation uses an already free-standing metal aperture and fills it with light-conducting material; surface chemical effects are used (surface tension of polar materials and capillary effects) to optimally fill the aperture)

Claims

Patentansprüche claims
1. Lichttransparente Sondenspitze zur gezielten Lichtemission und/oder zum Lichtempfang für den Einsatz in einem optischen Analyse- oder Bearbeitungssystem zur Untersuchung und/oder Bearbeitung von Oberflächen mit einer optischen Auflösung im sub-Lichtwellenlängenbereich, die einen aus einem lichtleitenden Material bestehenden Körper aufweist mit einer Oberfläche, die mit einer lichtabsorbierenden Schicht überzogen ist, die durch wenigstens eine Durchtrittsöffnung unterbrochen ist, durch die Licht hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung durch die Schicht mit dem lichtleitenden Material vollständig gefüllt ist, und dass das lichtleitende Material bündig mit der lichtabsorbierenden Schicht abschließt oder diese überragt.1. Light-transparent probe tip for targeted light emission and / or for receiving light for use in an optical analysis or processing system for examining and / or processing surfaces with an optical resolution in the sub-light wavelength range, which has a body consisting of a light-conducting material with a Surface covered with a light-absorbing layer which is interrupted by at least one passage opening through which light passes, characterized in that the passage opening through the layer is completely filled with the light-conducting material, and in that the light-conducting material is flush with the light-absorbing layer completes or towers over them.
2. Lichttransparente Sondenspitze nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich der Schichtoberfläche unmittelbar um die Durchtrittsöffnung angrenzend eben ausgebildet ist.2. Light-transparent probe tip according to claim 1, characterized in that a region of the layer surface immediately adjacent to the passage opening is flat.
3. Lichttransparente Sondenspitze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist mit einem Durchmesser zwischen 10 und 50 nm.3. Light-transparent probe tip according to claim 1 or 2, characterized in that the passage opening has a circular cross section with a diameter between 10 and 50 nm.
4. Lichttransparente Sondenspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht eine Schichtdicke von etwa 10 - 30 nm aufweist.4. Light-transparent probe tip according to one of claims 1 to 3, characterized in that the light-absorbing layer has a layer thickness of about 10 - 30 nm.
5. Lichttransparente Sondenspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eben um die Durchtrittsöffnung ausgebildete Bereich wenigstens eine 100 nm breit ist. 5. Light-transparent probe tip according to one of claims 1 to 4, characterized in that the area just formed around the passage opening is at least one 100 nm wide.
6. Lichttransparente Sondenspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtabsorbierende Schicht als Metallfilm ausgebildet ist.6. Light-transparent probe tip according to one of claims 1 to 5, characterized in that the light-absorbing layer is designed as a metal film.
7. Lichttransparente Sondenspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung einen Öffnungswinkel von 90° für durch die Durchtrittsöffnung hindurchtretendes Licht aufweist.7. Light-transparent probe tip according to one of claims 1 to 6, characterized in that the passage opening has an opening angle of 90 ° for light passing through the passage opening.
8. Lichttransparente Sondenspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Körper kegelstumpfartig ausgebildet ist und eine Kegelstumpffläche vorsieht, in der wenigstens eine Durchtrittsöffnung durch die lichtabsorbierende Schicht vorgesehen ist.8. Light-transparent probe tip according to one of claims 1 to 7, characterized in that the light-conducting body is frustoconical and provides a truncated cone surface in which at least one passage opening is provided through the light-absorbing layer.
9. Lichttransparente Sondenspitze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung zentrisch in der Kegelstumpffläche angeordnet ist.9. Light transparent probe tip according to claim 8, characterized in that the passage opening is arranged centrally in the truncated cone surface.
10. Lichttransparente Sondenspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtleitende Körper halbkreis- oder halbbogenförmig ausgebildet ist, und daß die lichtabsorbierende Schicht mittig zur Halbkreis- oder Halbbogenform wenigstens eine Durchtrittsöffnung aufweist.10. Light-transparent probe tip according to one of claims 1 to 7, characterized in that the light-guiding body is semicircular or semicircular, and that the light-absorbing layer has at least one passage opening in the center of the semicircular or semicircular shape.
11. Lichttransparente Sondenspitze nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Halbkreis- bzw. der Halbbogenform wenigstens im Bereich der Durchtrittsöffnung flach verläuft.11. Light-transparent probe tip according to claim 10, characterized in that the curvature of the semicircular or semicircular shape runs flat at least in the region of the passage opening.
12. Lichttransparente Sondenspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der lichttransparent Körper eine ebene Oberfläche aufweist, und daß die lichtabsorbierende Schicht eine Vielzahl nebeneinander, vorzugsweise arrayförmig angeordnete Durchgangsöffnungen vorsieht. 12. Light-transparent probe tip according to one of claims 1 to 7, characterized in that the light-transparent body has a flat surface, and that the light-absorbing layer provides a plurality of side openings, preferably arrayed, through openings.
13. Lichttransparente Sondenspitze nach einem der Ansprüche 1 bis12, dadurch gekennzeichnet, daß der lichttransparente Körper an einem flexiblen Biegebalken befestigt ist und somit wie ein AFM Topographien der Oberfläche abbildet.13. Light-transparent probe tip according to one of claims 1 to 12, characterized in that the light-transparent body is attached to a flexible bending beam and thus images topographies of the surface like an AFM.
14. Lichttransparente Sondenspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtleitende Material vor der Durchtrittsöffnung eine größere laterale räumliche Ausdehnung aufweist als die lichte Weite des Öffnungsdurchmessers der Durchtrittsöffnung.14. Light-transparent probe tip according to one of claims 1 to 13, characterized in that the light-conducting material in front of the passage opening has a larger lateral spatial extent than the clear width of the opening diameter of the passage opening.
15. Verfahren zur Herstellung einer lichttransparenten Sondenspitze nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:15. A method for producing a light-transparent probe tip according to one of claims 1 to 14, characterized by the following method steps:
Ausbilden einer die räumliche Gestalt des lichtleitenden Körpers bestimmenden Form,Forming a shape determining the spatial shape of the light-guiding body,
Abscheiden einer lichtabsorbierenden Schicht auf der Formoberfläche,Depositing a light-absorbing layer on the mold surface,
Einbringen von Durchgangsöffnungen in die auf der Formoberfläche abgeschiedenen, lichtabsorbierende Schicht,Introducing through openings into the light-absorbing layer deposited on the mold surface,
Ausfüllen der Form mit, zu einem lichtleitenden Körper erstarrenden MaterialFilling out the form with material that solidifies into a light-guiding body
undand
Isolieren des erstarrten lichtleitenden Körpers mit der lichtabsorbierenden Schicht aus der Form.Isolate the solidified light-guiding body with the light-absorbing layer from the mold.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Formoberfläche mittels Ätzprozeß hergestellt wird. 16. The method according to claim 15, characterized in that the mold surface is produced by means of an etching process.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß als lichtabsorbierende Schicht Metall im Rahmen eines Abscheideprozesses auf der Formoberfläche mit einer homogenen Verteilung abgeschieden wird.17. The method according to claim 15 or 16, characterized in that metal is deposited as a light-absorbing layer in a deposition process on the mold surface with a homogeneous distribution.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Metall im Rahmen eines Aufdampf- oder Sputterprozesses aufgetragen wird.18. The method according to claim 17, characterized in that metal is applied in the course of a vapor deposition or sputtering process.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Durchgangsöffnungen mittels Ätz- Verfahren erfolgt.19. The method according to any one of claims 15 to 18, characterized in that the through openings are introduced by means of the etching method.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der lichtabsorbierenden Schicht und der Formoberfläche eine Zwischenschicht eingebracht wird, die nach der Isolation des lichtleitenden Körpers aus der Form von der lichtabsorbierenden Oberfläche entfernt wird.20. The method according to any one of claims 15 to 19, characterized in that an intermediate layer is introduced between the light-absorbing layer and the mold surface, which is removed from the mold after the insulation of the light-conducting body from the light-absorbing surface.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine Schicht aus selbstorganisierenden organischen Molekuelen ist, die sich in Art einer Mono- oder Multilayerschicht mit einer Schichtdicke von bis zu einigen Nanomtern auf der Formoberfläche abscheiden.21. The method according to claim 20, characterized in that the intermediate layer is a layer of self-organizing organic molecules which deposit in the manner of a mono- or multilayer layer with a layer thickness of up to a few nanometers on the mold surface.
22. Verwendung der lichttransparente Sondenspitze in der Raster-Nahfeld- optischen Mikroskopie oder der Photolack-Lithographie. 22. Use of the light-transparent probe tip in scanning near-field optical microscopy or photoresist lithography.
PCT/EP2000/004655 1999-05-21 2000-05-22 Probe tip that is transparent to light and method for producing the same WO2000072076A1 (en)

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