Stand der Technik 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.

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.

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.

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).

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.

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 VF und Vs. Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten : Gemäß Figur 1b kommt der lonenstrahl VF von 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.

Gemäß Fig. 1 c 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.

Als weitere Nachteile der gezogenen/geätzten NFO Proben können genannt werden : Die Proben leiden unter hohen Licht-Intensitatsverlusten, 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.

(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 lonen-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 Intensitat und Auflösungsverluste.

Eine Array-förmige Anordnung von Mehrfachspitzen scheidet mit dieser Technik aus.

Grundsätzlich sind die Herstellungskosten zu hoch.

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, Mihalcea 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..

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.

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 Sub- Wellenlängen 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.

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.

Darstellung der Erfindung 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.

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-Lichtwellenlangenbereich, 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.

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.

Sie zeigt eine gut definierte Polarisation Eigenschaft durch eine symmetrische Geometrie der Apertur und des Wellenleiters im Bereich und in der Apertur.

Sie zeigt darüberhinaus eine NFO Struktur mit flacher Front und erlaubt ein Annähern der Apertur an die zu bearbeitende Flache bis in den Nahfeldbereich (<10nm) mit hoher Auflösung und hoher Intensität.

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.

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-Wellenlangen 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.

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.

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,...).

Die Struktur verbindet die zwei wichtigsten Anforderungen für die oben genannten Anwendungen : 1. hohe Intensität des Lichtes (dies ist wichtig für eine hohe Signalgüte in Mikroskopie, und für eine hohe Dosis bei Photolack-Strukturierungsprozessen, 2. eine kleine Apertur (für eine hohe laterale Auflösung).

Vorteilhafte Eigenschaften der Sondenspitze sind folgende : -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.

-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.

Das Verfahren zur Herstellung einer lichttransparenten Sondenspitze ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet : -Ausbilden einer die räumliche Gestalt des lichtleitenden Körpers bestimmenden Form, -Abscheiden einer lichtabsorbierenden Schicht auf der Formoberflache, -Einbringen von Durchgangsöffnungen in die auf der Formoberflache abgeschiedenen, lichtabsorbierende Schicht, -Ausfüllen der Form mit, zu einem lichtleitenden Körper erstarrenden Material und -Isolieren des erstarrten lichtleitenden Körpers mit der lichtabsorbierenden Schicht aus der Form.

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).

Kurze Beschreibung der Erfindung 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 Technik Fig. 2 a-d Alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen lichttransparenten Sondenspitze, Fig. 3 Lichttransparente Sondenspitze an flexiblen Balken und Fig. 4 Sequenzbilder zum Herstellungsverfahren Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit Bezüglich Figur 1 wird auf das Vorstehende in der Beschreibungseinleitung zur Würdigung des Standes der Technik hingewiesen.

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 Ahnlichem gefertigt ist. Ferner sind lichtemittierende Polymere (OLED = organic light emitting diodes) als aktive Lichtquellen denkbar, die das Licht durch die Blende emittiert.

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 Oberflache der Metallschicht 2 und die Durchgangsöffnung sind zur Seite der Oberfläche 6 bündig gefertigt.

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 Offnungswinkel 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 (<l0nm). Die Struktur kombiniert somit eine hohe Intensität mit extrem hoher lateraler Auflösung. Das"cut-off"Problem tritt hier praktisch nicht mehr auf.

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.

Eine weitere Variation ist in Fig. 2c dargestellt. Hier ist der lichtleitende Körper 5 halbkreisförmigausgebildet.

In Figur 2d weist der Körper 5 sowie die Metallschicht 2 mehrere Durchgangsöffnungen 3 auf, die auch array-förmig angeordnet sein können.

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.

Der Herstellungsprozess ist in Fig. 4 gezeigt. Er zeichnet sich durch folgende Schritte aus : Schritt 1 : Ätzen einer Mulde mit der (negativen) Form der späteren Struktur Schritt 2 : Deposition des Metall Films 2 ; die zu bedampfende Flache ist planar (im Gegensatz zu geätzten Spitzen). Somit wird hier eine verbesserte 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 : PolimerisationNerhärtung des Materials und Entfernen der Struktur aus der Mulde Wiederverwenden der Mulde/Form.

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.

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'.

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)