СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ БЛИЖНЕГО ПОЛЯ СВЕТА В ОБЛАСТИ ОБРАЗЦА НА ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01N21/00 

Изобретение относится к способам определения свойств ближнего поля света в области образца на поверхности, заключающимся в генерировании исчезающего поля, смежного с поверхностью образца, путем выполнения границы раздела между первым и вторым веществами с различными показателями преломления.

До недавнего времени разрешающая способность применяемых для осуществления указанных способов оптических микроскопов была ограничена длиной волны применяемого света. Частицы, меньшие половины длины волны, не могли быть различимы. Просвечивающая и растровая электронные системы микроскопии (ТЕМ и SEM) были разработаны для разрешения структур, меньших длины волны видимого света, но они были ограничены предварительным условием наличия электропроводящего образца.

Усовершенствование способов определения свойств ближнего поля света в зоне образца на поверхности, базирующихся на сканирующей туннельной микроскопии, позволило разрешать структуры, которые малы настолько же, насколько малы отдельные атомы.

В применяемом для осуществления указанного способа определения свойств ближнего поля света сканирующем туннельном микроскопе используют туннельные электроны в качестве сигнального источника внутри микроскопа, что требует электропроводящего образца для передачи электронов.

Было осуществлено много попыток использования для излучения поля в ближней зоне фотонов видимого света. Посредством сканирующих микроскопов ближнего поля (NFSM) cвет направляли на отверстие с размером длины парциальной волны, соединенное с датчиком. Ближнее поле генерировалось у отверстия, которое взаимодействовало с образцом для образования модулированного ближнего поля, в то время как отверстие было выдвинуто на ближайшее расстояние к образцу. Затем регистрировали фотоны из модулированного ближнего поля.

Таким образом, во время продвижения отверстия вдоль образца будет регистрироваться модуляция ближнего поля. Растровая развертка образца у отверстия воспроизводит изображение образца в сканируемой зоне. Для реализации подобных способов были разработаны различные модификации микроскопов, но в каждом случае ближнее поле возникало вблизи отверстия с размером длины парциальной волны и полезный размер ближнего поля обычно составлял порядка длины волны по всем направлениям. Из-за небольшого размера ближнее поле обычно сканируют поперек образца.

До сир пор применяли три метода поддержания отверстия близко к образцу во время сканирования. Применяли обратную связь, обусловленную электронным туннельным эффектом, для поддержания отверстия у отдельных частей образца менее 1 нм. Этот метод требует покрытия как образца (если образец непроводящий), так и отверстия тонким (около 20 нм) слоем проводящего материала (например, золота).

Во втором методе применяют режим постоянной высоты. Отверстие придвигают ближе и ближе к образцу до тех пор, пока не будет получена желательная разрешающая способность. Этот метод пригоден только для гладких образцов или гладких зон шершавых образцов.

В третьем методе применяют контактный режим. Отверстие придвигают до тех пор, пока оно не соприкоснется с поверхностью, измеряют туннельный поток фотонов и отверстие уводят. Эту процедуру повторяют во время сканирования отверстия поперек образца без какого-либо источника обратной связи. В этом способе образец должен быть идеально гладим и способным переносить контакт с отверстием.

Существует множество типов образцов, например биологические образцы, которые не могут переносить механического давления, контакта в ближнем поле сканирующих микроскопов или покрытия образца проводящей поверхностью. Кроме того, при использовании электронной туннельной обратной связи для поддержания приближенности к образцу требуются вакуумные условия для лучшего воздействия электронного туннельного эффекта.

Наиболее близким к изобретению является способ генерирования исчезающего поля, смежного с поверхностью образца [1] путем выполнения границы раздела между первым и вторым веществами с различными показателями преломления и направления излучения через первое вещество таким образом, чтобы излучение пересекало поверхность раздела под углом, большим угла полного внутреннего отражения, и создавало поле, прилежащее к поверхности раздела, во втором веществе, являющемся образцом, контроля излучения исчезающего поля и получения выходного сигнала, пропорционального соответствующим свойствам этого поля, прилежащего к поверхности образца.

Задачей изобретения является создание такого способа определения свойств ближнего поля света в зоне образца на поверхности, который за счет генерирования исчезающего ближнего поля с увеличивающейся интенсивностью обеспечил бы оптическую микроскопию множества типов образцов, включая непроводящие, не гладкие или с тонким структурным составом, с высокой разрешающей способностью, а также в различных условиях окружающей среды.

Эта задача решается за счет того, что, согласно изобретению, генерируют ближнее исчезающее поле с увеличивающейся интенсивностью в направлении, перпендикулярном к поверхности, имеющее постоянную интенсивность при постоянном расстоянии от поверхности, а контроль излучения исчезающего ближнего поля выполняют с помощью зонда, расположенного в области этого поля.

Кроме того, в способе, согласно изобретению, используют явление туннельного прохождения фотонов, модулированных образцом в ближнем поле для выработки информации об образце.

При этом образец устанавливают внутри ближнего поля, присутствие которого изменяет распределение интенсивности внутри ближнего поля. Интенсивность ближнего поля вокруг образца измеряют по меньшей мере в двух направлениях близких к образцу. Измерение воспроизводит изображение, соответствующее зоне измеряемого образца.

Согласно изобретению, при контроле ближнего поля осуществляют сканирование зонда в растре, прилежащем к зоне образца, с обеспечением постоянного расстояния от зонда до поверхности и регистрируют положение зонда и количество излучения, поступающего в зонд при его перемещении по растру в каждом его положении.

При этом при сканировании управляют положением зонда в области ближнего поля путем его перемещения в направлении, перпендикулярном к поверхности образца, и контролируют положение зонда и выходную информацию, соответствующую расстоянию между зондом и поверхностью во времени его сканирования, для обеспечения постоянного количества излучения ближнего поля, поступающего в зонд.

Зонд можно располагать на расстоянии от поверхности образца, меньшем удвоенной длины волны излучения.

При контроле ближнего поля можно осуществлять сканирование зонда в заранее определенном растре, прилегающем к зоне образца, и измерять излучение, поступающее в зонд во время сканирования, для выработки информации о распределении интенсивности излучения.

Для реализации способа предпочтительным источником ближнего поля является полностью внутренне отраженный (ТIR) cветовой пучок, который отражается от внутренней поверхности призмы. Это обеспечивает исчезающее поле, обладающее экспоненциально затухающей интенсивностью, нормальной к поверхности образца. Зонд вносят в исчезающее поле, при этом предпочтительно, чтобы зонд представлял собой заостренную оптическую кварцевую нить и имел наконечник, который заострен до небольшого размера, составляющего длину парциальной волны (т.е. менее 500 нм). Наличие зонда позволяет фотонам проникать через поверхность к зонду.

Таким образом, структура поверхности будет модулировать ближнее поле. Интенсивность ближнего поля будет колебаться вместе с изменениями и дефектами на поверхности. Согласно данному способу, микроскопия может быть использована для измерения поверхности по меньшей мере в двух направлениях при разрешающей способности длины парциальной волны.

Согласно предлагаемому способу, наконечник сканируют по образцу на постоянной высоте над поверхностью и измеряют интенсивность света, полученного с помощью наконечника. С помощью сканирования зонда по растру при постоянной высоте над поверхностью получается двухмерная картина интенсивности ближнего поля.

Измерение уровня интенсивности при сканировании наконечника обеспечит информацию об образце, которая модулируется ближним полем, или о самой поверхности.

Способ, согласно изобретению, базируется на принципе полного внутреннего отображения (ТIR) пучка света, падающего на границу раздела между материалами с различными коэффициентами преломления (n_i и n_t) в случае, когда падающий пучок находится в среде с более высоким показателем (n₁). Призма является оптическим прибором с поверхностью полного внутреннего отражения (поверхность ТIR). Полное внутреннее отражение происходит в случае, если угол падения θ (по отношению к нормали) превышает критический угол, определяемый как
θ_c arcsin (n_i/n_t) При θ_i > θ исчезающее ближнее поле возникает в среде с меньшим показателем. Интенсивность этого поля уменьшается экспоненциально с уменьшением расстояния от границы раздела в соответствии с равенством
I K_exр-2kn_tZ[(n_i/n_t)² sin² θ _i 1]^1/2} (1) где K коэффициент пропорциональности, k модуль вектора волны падающего света, Z расстояние от поверхности границы раздела. (Используемый здесь и далее термин ближнее поле является обобщенной категорией, к которой принадлежат исчезающие поля). Ближним полем является поле, влияние которого становится значительным на расстоянии около 1-2 длин волны от источника. Исчезающее поле определяется как поле, интенсивность которого описана в равенстве (1). Если другая среда с показателем, большим чем n_t вносится в исчезающее ближнее поле, такая как наконечник заостренной оптической нити, происходит туннельный проход, который очень приблизительно напоминает туннельный проход электронов через конечный барьер в квантовой механике.

Экспоненциальная природа исчезающего ближнего поля приводит к "эффективной заостренности" наконечника зонда. На любом расстоянии Z от поверхности около 90% фотонов концентрируются в области, составляющей 10% площади наконечника. Соответственно, наконечник радиусом R будет обладать "эффективным" радиусом R/10.

Фотоны падающего света совершают туннельный переход через зону между наконечником и образцом и могут быть собраны с помощью подходящей детекторной системы. Наличие образца на поверхности будет модулировать разновидность исчезающего ближнего поля, и эта модуляция будет проявлять себя как пространственные изменения интенсивности ближнего поля при данной высоте над поверхностью образца. Эти изменения интенсивности обеспечивают топографическую информацию о поверхности образца, также как и информацию об оптических свойствах образца (например, пространственных изменениях коэффициента преломления или оптической абсорбции образца). На пространственную разрешающую способность влияет длина затухания исчезающего ближнего поля и размер и форма наконечника.

Призма и окружающая среда, такая как воздух, являются первым и вторым веществами, обладающими различными коэффициентами преломления. Поверхность призмы, на которую устанавливается образец, определяет плоскостную границу раздела между первой и второй поверхностями, а ближнее поле генерируется близко к этой плоскостной границе раздела.

На фиг.1 показана принципиальная блок-схема фотонного сканирующего туннельного микроскопа; на фиг.2 схема части поля образца, показанная во взаимодействии волоконного оптического наконечника с исчезающим ближним полем, модулированным образцом; на фиг. 3 пример установки для предпочтительного осуществления способа по изобретению; на фиг.4 и 5 в изометрии зонд и зоны образца, причем на фиг.5 вид, повернутый на 45^опо часовой стрелке, и с угла, приподнятого приблизительно на 30^о по отношению к виду на фиг.4.

Фотонный сканирующий туннельный микроскоп 1 состоит из призмы 2, в которую направляется лазерный луч 3 под углом падения θ_i таким, что луч 3 полностью внутренне отражается (ТIR) от поверхности 4.

На фиг.2 так же, как на фиг.1, исчезающее ближнее поле 5 генерируются с помощью луча 3, который полностью отражается от поверхности 4. Образец 6 занимает зону образца 7 на поверхности 4. Исчезающее ближнее поле 5 значительно больше, чем зона образца 7, а наличие образца 6 на поверхности 4 будет модулировать исчезающее ближнее поле 5.

Эта модуляция будет проявлять себя как пространственные изменения интенсивности ближнего поля при данной высоте над поверхностью образца. Волоконный оптический наконечник 8 зонда вводится в исчезающее ближнее поле 5 так, чтобы фотоны проходили благодаря туннельному эффекту между лучом 3 у поверхности 4 и наконечником 8 зонда. Наконечник 8 имеет окончание 9, которое может (но необязательно) быть меньше, чем длина волны света пучка 3. Наконечник зонда 8, в отличие от зондов, применяющихся в общепринятых сканирующих микроскопах ближнего поля, не должен быть покрыт непроницаемым материалом с целью достижения разрешающей способности длины парциальной волны. Выполнение наконечника 8 с окончанием 9, меньшим определенной ширины, дает разрешающую способность, по меньшей мере, такую же хорошую, как отверстие этой ширины в зондах общепринятых сканирующих микроскопов ближнего поля. Наконечник 8 зонда находится на одном конце кварцевой нити 10. Этот конец кварцевой нити 10 образует зонд 11. Зонд 11 прикреплен к пьезоэлектрическому преобразователю 12 так, чтобы зондом 11 можно было провести по образцу 6. Преобразователь 12 передвигает зонд 11 горизонтально над образцом 6 с использованием стандартного растрового сканирования. Конец, противоположный концу зонда (кварцевой нити 10), соединен с фотоэлектронным умножителем 13, который регистрирует фотоны, полученные зондом 11. Умножитель 13 вырабатывает выходной сигнал, который пропорционален числу фотонов, полученных зондом 11.

Выход фотоэлектронного умножителя 13 приводится в движение по осях ХYZ c помощью цепи 14 обратной связи. Цепь 14 подает сигналы к пpеобразователю 12 для растрового сканирования образца 6 с помощью зонда 11. Цепь 14 обладает регуляторами х-, y-направлений для выработки сигналов в х- и y-направлениях. Кроме того, цепь 14 контролирует выход фотоэлектронного умножителя 13 для установки постоянной величины интенсивного исчезающего ближнего поля 5. При движении зонда 11 по образцу 6 интенсивность исчезающего ближнего поля 5 будет изменяться вместе с положением сканирующего зонда 11. При изменении интенсивности цепь 14 обратной связи будет вырабатывать сигнал в z-направлении от регулятора z-направления для передвижения зонда 11 вертикально по отношению к образцу 6 и поверхности 4. Если цепь обратной связи получает сигнал от фотоэлектронного умножителя 13, показывающего меньшее количество фотонов, получаемых зондом 11, то цепь 14 будет направлять преобразователь 12 на передвижение конца 11 ближе к образцу 6 и поверхности 4. Зонд 11 будет удаляться от образца 6 и поверхности 4, если фотоэлектронный умножитель зарегистрирует большее количество фотонов. Устройство движения по осям XYZ и цепь 14 обратной связи подают информацию о положении к компьютерному органу управления и к схеме 15 воспроизведения изображения. Эта схема 15 определяет относительное положение сканирования и относительное вертикальное положение зонда 11 по отношению к поверхности 4 и образцу 6.

Изображение затем генерируется при вертикальном положении зонда 11 по отношению к положению сканирования зонда 11. Например, положение Х-Y (положение сканирования) зонда 11 соответствует пиксельному положению Х-Y в стандартном видеоизображении, а положение Z (вертикальное положение) зонда 11 соответствует пиксельной интенсивности. Альтернативно, положение Z соответствует пиксельному цвету, так что видеоизображение становится топографической картой, закодированной в цвете.

Альтернативно, сигнал Z-направления от цепи 14 обратной связи может быть обойден. Зонд 11 выдвигается в направлении поверхности 4 до тех пор, пока не будет зарегистрирован подходящий фотонный ток.

Затем зонд 11 проводится по образцу 6 на постоянном расстоянии Z от поверхности 4. Выходной сигнал фотоэлектронного умножителя 13 посылается к схеме 15 воспроизведения изображения. И снова относительное горизонтальное положение определяется так же, как и относительный фотонный ток. Изображение затем генерируется на основании растрового положения зонда 11 и выходного сигнала умножителя 13.

В соответствии с фиг.1 и 3, лазерный луч 3 от 7-мВТ гелий-неонового лазера 16 направляется на внутреннюю поверхность 17 призмы 2 под углом, меньшим критического угла так, чтобы получалось ТIR. Пучок 3 вырабатывает исчезающее ближнее поле 5, интенсивность которого определяется наличием образца 6 и оптически волоконным наконечником 8 зонда. Оптическое волокно 18 передает световой сигнал к фотоэлектронному умножителю 13, который выдает сигнал электрического тока, пропорциональный интенсивности света. Этот сигнал приводит в действие электронную схему обратной связи, которая регулирует расстояние между наконечником зонда 8 и образцом 6. Электроника обратной связи и другие электронные органы управления расположены в пульте управления 19.

Движение зонда 11 контролируется и управляется компьютером 20, который также служит для сбора и обработки информации, вырабатываемой благодаря сканированию зонда 11 по образцу 6. Во время сканирования наконечника сбоку над образцом схема обратной связи воспринимает ток от фотоэлектронного умножителя 13 и регулирует зону, отделяющую наконечник 8 от образца 6 так, чтобы установить постоянный фотоэлектронный ток. Высота наконечника в каждой точке сканирования контролируется и сохраняется компьютером 20 и дает координаты для конструирования трехмерной видовой реплики поверхности образца. Компьютер 20 в дальнейшем используется для обработки данных и формирования изображения в приемлемом масштабе образца, которое выводится на графический монитор.

Из фиг.4 видно, что изобретение включает в себя пьезоэлектрический биморфный сканер 22 для обеспечения движения наконечника вдоль трех ортогональных осей. Сканер 22 выполнен из PZТ-5Н пьезоэлектрических керамических биморфных элементов и обладает минимальной резонансной частотой 1,75 кГц. Сканер обеспечивает три взаимно перпендикулярных движения, по одному для х-, y- и z-направлений. Сканер 22 обладает диапазоном 10 мкм в направлении, параллельном поверхности, и 6 мкм перпендикулярно к ней. Зонд 11 прикреплен к сканеру 22, а остальная часть кварцевой нити вытянута к фотоэлектронному умножителю 13.

Образец размещается на поверхности 4 призмы 2 и оптически соединен с ней с помощью вещества с подобранным коэффициентом преломления. Весь узел образца крепко закреплен на месте с помощью зажимов 23. Грубая регулировка пространства между наконечником 11 и образцом 6 осуществляется с помощью винтов 24 микрометра, тонкая регулировка осуществляется с помощью дополнительных винтов 25 микрометра. Пружины 26 служат для механической стабилизации аппарата и обеспечивают необходимое управления относительного положения наконечника 8 над образцом 6.

В соответствие с фиг.5, электрическое подсоединение к пульту управления 19 производится посредством соединительной штепсельной вилки 27. Направленный лазерный луч 3 претерпевает полное внутреннее отражение от образца 6 в призме 2, причем зеркальный узел 28 используют так, чтобы угол отражения ( θ на фиг.1) был больше или равен критическому углу, необходимому для достижения ТIR. Положение волоконного оптического наконечника 11 регулируется над образцом 5 с помощью регулировочных винтов 24, 25 микрометра, а затем он вводится в область исчезающего ближнего поля с помощью сканера 22.

Использование: фотонная сканирующая туннельная микроскопия. Сущность изобретения: генерируют ближнее исчезающее поле, смежное с поверхностью образца, путем выполнения границы раздела между первым и вторым веществами с различными показателями преломления, направляют излучение через первое вещество таким образом, чтобы излучение пересекало поверхность раздела под углом, большим угла полного внутреннего отражения, и создавало поле, прилежащее к поверхности раздела во втором веществе, являющемся образцом.Контролируют излучение исчезающего ближнего поля с помощью зонда, расположенного в области этого поля, для получения излучения этого поля. Получают выходной сигнал, пропорциональный соответствующим свойствам этого поля. Ближнее исчезающее поле генерируют с увеличивающейся интенсивностью в направлении, перпендикулярном поверхности образца, обеспечивая его постоянную интенсивность при постоянном расстоянии от поверхности. Контроль ближнего поля можно осуществлять путем сканирования зонда в растре, прилежащем к зоне образца. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВОЙСТВ БЛИЖНЕГО ПОЛЯ СВЕТА В ОБЛАСТИ ОБРАЗЦА НА ПОВЕРХНОСТИ, состоящий в генерировании исчезающего поля смежного с поверхностью образца путем выполнения границы раздела между первым и вторым веществами с различными показателями преломления и направления излучения через первое вещество так, чтобы излучение пересекало поверхность раздела под углом, большим угла полного внутреннего отражения, и создавало поле, прилежащее к поверхности раздела, во втором веществе, являющемся образцом, контроле излучения исчезающего поля и получении выходного сигнала, пропорционального соответствующим свойствам этого поля, прилежащего к поверхности образца, отличающийся тем, что генерируют ближнее исчезающее поле с увеличивающейся интенсивностью в направлении, перпендикулярном к поверхности, имеющее постоянную интенсивность при постоянном расстоянии от поверхности, контроль излучения исчезающего ближнего поля выполняют с помощью зонда, расположенного в области этого поля, для получения излучения этого поля. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при выполнении контроля ближнего поля осуществляют сканирование зонда в растре, прилежащем к зоне образца, с обеспечением постоянного расстояния от зонда до поверхности и регистрируют положение зонда и количество излучения, поступающего в зонд при его перемещении по раствору в каждом его положении. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при выполнении контроля ближнего поля осуществляют сканирование зонда в растре, прилежащем к зоне образца, при этом при сканировании управляют положением зонда в области ближнего поля путем его перемещения в направлении, перпендикулярном к поверхности образца, и контролируют положение зонда и выходную информацию, соответствующую расстоянию между зондом и поверхностью во время его сканирования, для обеспечения постоянного количества излучения ближнего поля, поступающего в зонд. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что зонд располагают на расстоянии от поверхности образца меньше удвоенной длины волны излучения. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при выполнении контроля ближнего поля осуществляют сканирование зонда в заранее определенном растре, прилежащем к зоне образца, и измеряют излучение, поступающее в зонд во время сканирования, для выработки информации о распределении интенсивности излучения.