Wie der Name schon andeutet, greift das Konzept des sogenannten "Sensor-Objektivs" unmittelbar die direkte Verknüpfung eines Mikroskopobjektivs mit einem Sensor auf, wobei der Sensor in diesem Fall nach einem rastersondenmikroskopischen Messprinzip arbeitet. Die Besonderheit dieser Sensorkopfentwicklung liegt in der Nutzung von vorhandenen optischen Standardmikroskopen: aufgrund der kompakten Geometrie und des speziellen Designs kann das Sensor-Objektiv (bestehend aus SPM-Modul und Abbildungsoptik) direkt in den Revolver eines optischen Mikroskops eingeschraubt werden. Auf diese Weise gelingt es, zwei Mikroskopiewelten in idealer Ergänzung miteinander zu verbinden.

Im Messbetrieb werden die Vorteile des kombinierten Systems deutlich. So wird die bewährte konventionelle Lichtmikroskopie zur schnellen und großflächigen Oberflächenuntersuchung eingesetzt. Dabei erstreckt sich das Aufgabenspektrum von der Orientierung auf dem Messobjekt bis hin zu quantitativen optischen Messungen (siehe Messkopf zur kombinierten Rastersonden- und Interferenzmikroskopie). Im Anschluss daran geschieht die lokale Messung mit den langsameren, seriellen Rastersondenverfahren nur in dem definierten Messbereich der Kalibrierprobe oder, generell, an denjenigen Probenstellen, an denen eine hohe Auflösung gefordert ist.
Das Bild 2 zeigt eine Version des in ein Standardmikroskop eingeschraubten Sensor-Objektivs. Die Rasterbewegung des Messobjekts erfolgt in diesem Fall über einen mit kapazitiven Sensoren positionsgeregelten Piezoscantisch. In dieser Bauform des Objektivs besteht der optische Teil des Messkopfes aus einer Kombination von Spiegeloptiken. Diese ermöglichen den gleichzeitigen Blick auf den Cantilever mit der integrierten Messspitze sowie auf die Probenoberfläche, welches zu einer deutlichen Verbesserung der Benutzerfreundlichkeit bzgl. Justage und Messbereichsauswahl führt. Die gleiche Optik kann, im optionalen Betrieb als optisches Nahfeldmikroskop, für die Einkopplung und gegebenenfalls Einsammlung der optischen Strahlung in bzw. aus der Nahfeldsonde genutzt werden. Auf diese Weise können sehr lokale optische Untersuchungen bis hin zu spektroskopischen Objektcharakterisierungen selbst an submikroskopischen Strukturen durchgeführt werden.
Im Topographie-Modus (SFM-Modus) sind mit diesem Messaufbau trotz des großen Messzirkels (Messobjektiv, Mikroskopkörper, Granitstativ, Positioniertische - vgl. Bild 2) sogar einzelne atomare Ebenen eines GaAs-Substratwafers (Stufenhöhe: ca. 0,28 nm) aufgelöst worden. Diese Messungen erfolgten in einem dynamischen SFM-Modus mit konventionellen Silizium-Cantileversonden. Für die Auslenkungsdetektion des Cantilevers wurde dabei die traditionelle Lichtzeigertechnik angewendet. Da zum Zeitpunkt der Konstruktion dieser Messkopfversion eine räumliche Integration der Lichtzeigereinheit bestehend aus Laserdiode, positionsempfindlicher Photodiode sowie deren Positioniermechaniken noch nicht vorgesehen war, sind die optoelektronischen Elemente außerhalb des Messkopfes angeordnet worden. Dieser Aufbau lässt sich besonders in dieser Hinsicht bzgl. mechanischer Stabilität optimieren. Das Ziel der PTB-Entwicklung ging allerdings über die Integration der Lichtzeigerdetektion in den Messkopf hinaus. Aus diesem Grund sind Messköpfe entwickelt worden, die auf Sonden mit monolithisch integrierter Auslenkungsdetektion basieren (siehe Sensor-Objektiv mit Piezolever-Modul, Sensor-Objektiv mit "tuning-fork"-Modul).

Bild 2: Konventionelles Standardmikroskop mit eingeschraubtem Sensor-Objektiv: Die hier gezeigte Version ermöglicht neben der Rasterkraft- und optischen Mikroskopie auch den Betrieb als optisches Nahfeldmikroskop. Der vergrößerte Bildausschnitt zeigt zusätzlich eine Prinzipdarstellung des Strahlverlaufs innerhalb der Objektivs.

Eine Möglichkeit, die Auslenkungsdetektion in die eigentliche Messsonde (d.h. möglichst nah an die Messspitze) zu integrieren, besteht durch die Ausnutzung des piezoresistiven Effekts des Cantilevermaterials (hier: Silizium). So kann vergleichbar mit dem Prinzip von Dehnungsmessstreifen die Bewegung des Federbalkens direkt in ein messbares elektrisches Signal umgewandelt werden. Dieses bedeutet, dass keine Justierung eines Lichtstrahls auf den Cantilever notwendig ist. Dadurch verbessert sich die Benutzerfreundlichkeit des Systems und mögliche Fehler durch eine ungenaue Justierung werden vermieden. Es hat sich beispielsweise bei Stufenhöhenmessungen gezeigt, dass beim Einsatz optischer Methoden zur Auslenkungsdetektion Streulicht oder Reflexe von der Oberfläche zu störenden Interferenzmustern führen können, oder dass die Rauheit der Cantileverrückseite die Messung beeinträchtigt. Diese Fehlerquellen werden durch eine monolithisch-integrierte Auslenkungsdetektion vermieden. Zur Realisierung der piezoresistiven Cantilever (kurz: "Piezolever") wurden in Kooperation mit der NanoSensors GmbH, dem Forschungszentrum Jülich und der Surface Imaging Systems (S.I.S.) GmbH die piezoresistiven Elemente in Form einer vollständigen Wheatstonebrücke angeordnet und durch Ionenimplantation in den Siliziumfederbalken eingebracht. Dieses System wird zusätzlich um einen elektrisch steuerbaren Widerstand ergänzt, der ein aktives Abgleichen der Messbrücke erlaubt. Bei der Entwicklung eines sehr kompakten SFM-Messkopfes auf der Basis dieser "Piezolever" wurde Wert auf eine lösbare Kontaktierung der Cantilever-Chips gelegt. In den bisher bekannten Realisierungen von Piezolever-SFMs wurden die Cantilever-Chips auf kleine Keramikplatinen geklebt und die Kontakte gebondet. Um diese aufwändigen zusätzlichen Prozessschritte zu umgehen, sollten die Cantilever-Chips direkt geklemmt und dabei gleichzeitig elektrisch kontaktiert werden. Die dabei eingesetzten dünnen Federkontakte bestehen aus vergoldetem Platin-Berillium (siehe Bild 3b). Diese "Finger" sind auf einer Stahlfeder angebracht, welche mit Hilfe eines sehr kleinen Exzenters angedrückt bzw. zurückgeklappt wird, um so das Austauschen der Sonden zu ermöglichen. Die ganze Halterung muss genau vorjustiert werden und spielfrei arbeiten, um die nur 50 µm weit auseinanderliegenden Kontakte auf der Rückseite des Chips mit den Fingern immer wieder genau zu treffen, genug Kraft auf den Chip auszuüben und eine gute Kontaktierung zu erreichen. Das gesamte SFM-Modul, das sowohl die dynamische Anregung des Cantilevers per Piezoelement als auch die elektrischen Anschlüsse für die Sensorsignale beinhaltet, wurde in seinen Abmessungen auf nur noch 4 mm x 3,5 mm x 35 mm reduziert (siehe Bild 3c). Diese kompakte Bauweise ermöglicht den Einsatz in den unterschiedlichsten Messköpfen und Messobjektiven. Topographische Messergebnisse dieses Piezolever-Moduls sind gemeinsam mit den interferenzoptischen Messungen (Bild 6) dargestellt. Ein großer Vorteil der Spiegeloptiken in der zuvor beschriebenen Version des Sensor-Objektivs war die Tatsache, dass diese sich bzgl. der Dimensionierung und optischen Parameter durch Optik-Rechenprogramme berechnen und mit Diamantdrehmaschinen fertigen lassen. Letztendlich war somit der Entwurf und der Aufbau des gesamten Messobjektivs nach unseren eigenen Wünschen möglich. Auf diese Weise konnte der Platzbedarf für SFM-Modul und Positioniermechanik berücksichtigt werden. Bei den integrierten Messsystemen ist der Platzbedarf, wie beschrieben, nicht mehr so groß. Daher treten diese Aspekte in den Hintergrund und die Verknüpfung mit einem kommerziellen Mikroskopobjektiv, wie es in Bild 3a gezeigt ist, bietet sich als wesentlich universellere Lösung an. Diese Kombination Mikroskopobjektiv und SPM-Modul wurde für alle bisher erarbeiteten Messkopfversionen realisiert (vgl. auch Bild 4a).

Bild 3: Piezolever-Modul kombiniert mit einem Standardmikroskopobjektiv
In Bild 3b) sind die Fingerkontakte zur Befestigung und elektrischen Kontaktierung zu sehen.

Eine weitere Möglichkeit der Integration der Auslenkungsdetektion in die eigentliche Messsonde besteht in dem Einsatz eines Cantilever-Hebelarms aus Quarz. In der dynamischen Betriebsweise wird dieser Quarz, wie der Schwingquarz (engl.: tuning fork) in einer Quarzuhr, durch Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Schwingung angeregt. Die Messung des Abstandes zwischen Sonde und Oberfläche und damit die Abtastung der Oberfläche geschieht durch das Auslesen des Stromsignals am Quarz. Dieses Signal ist proportional zur Hebelarmschwingung und reagiert sehr empfindlich auf die Dämpfung der Schwingung, wenn sich der Abstand zwischen Spitze und Oberfläche ändert. An diese Schwingquarze werden in der PTB entwickelte Diamantspitzen befestigt, um eine lateral hochauflösende Messung (Spitzenradien < 100 nm) zu ermöglichen. In Bild 4b ist die Quarzsonde mit der Spitze dargestellt. Die Auswahl von Diamant als Spitzenmaterial beruht sowohl auf den mechanischen Eigenschaften (Stabilität und Abriebfestigkeit) als auch auf den optischen Eigenschaften, welche für einen zukünftigen Einsatz als Sonden für die optische Nahfeldmikroskopie wichtig sind. Um die Leistungsfähigkeit des "tuning fork"-Messkopfes zu testen, wurden topographische Messungen an Strukturen mit Dimensionen im Nanometerbereich durchgeführt. Die hierbei verwendeten Proben bestehen aus selbstorganisierten, punktförmigen InAs Quantenpunkten auf einem GaAs-Substrat. Bei den Quantenpunkten handelt es sich um sehr flache Pyramiden, die ungefähr 2030 nm breit und 4-6 nm hoch sind. Die mechanische Stabilität des gesamten Mikroskops ist ausreichend hoch, um solche Nanostrukturen abzubilden. Untersuchungen bzgl. des Rauschens ergaben Werte von weniger als 0,6 nm ("root mean square"-Wert) auf einem 2 µm langen Profil. Aufgrund der extrem schlanken Bauweise der "tuning fork"-Sensoren und ihrer justagefreien Auslenkungsdetektion lassen sich diese problemlos relativ zur Oberfläche verkippen. Auf diese Weise sind Messungen auch an schwer zugänglichen Objektbereichen wie Strukturkanten oder geneigten Flächen möglich. Durch diese Eigenschaften lassen sich diese und auch die Piezolever-Sensoren als empfindliche Taster in einem Koordinatenmessgerät einsetzen. Entwicklungen hierzu sind bereits in der PTB begonnen worden.

Bild 4a: "Tuning fork"-Modul mit Positioniermechanik und Adapterring für das Mikroskopobjektiv
4b: Mikroskopische Aufnahme des Schwingquarzhebelarms mit der Diamantspitze

Bisher diente die Abbildungsoptik in den SFM-Messköpfen zur qualitativen Visualisierung als Hilfe zur Bestimmung des aktuellen Messbereichs für das SFM. In der Messkopf-Realisierung, die in diesem Kapitel beschrieben wird, gehen die Arbeiten in der PTB einen wesentlichen Schritt weiter. So kann durch die Kombination von SFM und Interferenzmikroskop eine auf die SI-Einheit "Meter" rückführbare optische Messtechnik in den Messkopf integriert werden.

Dieses Messsystem basiert auf den bisher beschriebenen Entwicklungen von kompakten SFM-Messköpfen und ist so konzipiert, dass es in verschiedenen Interferenzmikroskopen betrieben werden kann. Für den PTB-Messaufbau wurde ein kommerzielles Interferenzmikroskop (MicroMap, Nikon) als Basisgerät ausgewählt. Der neu entwickelte Sensorkopf ersetzt aufgrund der gleichen mechanischen Anschlussplatte lediglich das auswechselbare Interferenzobjektiv (siehe Bild 5). Sowohl die Auswertesoftware als auch die Verschiebemechanik für die phasenschiebende Interferometrie bzw. Weisslichtinterferometrie werden von dem Basisgerät genutzt.

Bild 5: Ansicht eines kombinierten SFM und Interferenzmikroskops; bestehend aus dem Sensorkopf und dem kommerziellen Basisgerät

Bei der Realisierung des Sensorkopfes kamen zwei Möglichkeiten in Frage:

1. Modifikation eines kommerziellen Interferenzobjektivs durch Ergänzung um ein SFM-Modul mit Hilfe eines Adapterrings oder
2. Eigenentwicklung des gesamten interferentiellen Sensorkopfes mit zusätzlichem SFM-Modul.

Eine Lösung nach 1) ist durch Anpassung des Adapterrings des Sensor-Objektivs mit Piezolever-Modul bzw. Bild 3a unmittelbar möglich. Im Zusammenhang mit einer geplanten Verbesserung der optischen Eigenschaften des Objektivs, die im Folgenden erläutert wird, ist jedoch die Eigenentwicklung des Messkopfes vorgezogen worden.
Das Herzstück des neu entwickelten Sensorkopfes ist ein Michelson-Interferometer, bei dem die Beleuchtung anstatt über die interne, gefilterte Mikroskop-Weisslichtlampe über Lichtwellenleiter gekoppelte, externe Laserquellen erfolgt. Auf diese Weise wird eine wesentliche Wärmequelle vom Messaufbau entfernt und es verbessert sich die mechanische Stabilität. Noch wichtiger ist die Tatsache, dass aufgrund der kleinen Beleuchtungsapertur des Lichtwellenleiters eine Aperturkorrektur bei der interferenzmikroskopischen Auswertung vernachlässigbar wird. Dieses führt zu einer deutlichen Reduktion der Messunsicherheit.
Als externe Laserquellen sind in dem Messaufbau zurzeit wahlweise ein HeNe-Laser (λ= 632,80 nm) oder ein frequenzverdoppelter Nd:Yag-Laser (λ= 532,26 nm) einsetzbar. Auf diese Weise kann, wenn gewünscht, im Modus der Mehrwellenlängen-Interferometrie gearbeitet werden, wodurch sich der Eindeutigkeitsbereich des Interferenzmikroskops im Vergleich zum Betrieb mit nur einer Wellenlänge erweitert. Zur Kombination mit einem Rastersondenmikroskop ist am Sensorkopf unterhalb des Strahlteilerwürfels das bereits beschriebene, kompakte SFM-Modul mit den Piezolevern angebracht worden.

Bild 6: Topographie-Bilder eines 80 nm-Stufenhöhennormals (H80);
linkes Bild: Aufgenommen im interferenzoptischen Modus (Bereich 900 µm x 900 µm, in der Kreismarkierung oben links ist der SFM-Cantilever zu sehen)
rechtes Bild: Ausschnitt gemessen mit dem integrierten SFM-Modul (Bereich: 40 µm x 40 µm)

Der Cantilever ist im Bildausschnitt des optischen Mikroskops (sowohl im "Live-Bild" als auch im interferenzmikroskopischen Bild; siehe Bild 6: oben links) zu sehen, so dass die
Messbereichsauswahl für das SFM sehr benutzerfreundlich ist. Im eigentlichen Messmodus erfolgt die interferenzoptische Messung (z.B. im Phasenverschiebungs-Modus) über den gesamten Bildausschnitt simultan, wobei der optische Messbereich in der augenblicklichen Konfiguration etwa 900 µm x 900 µm beträgt. Dieser kann aber durch den Einsatz unterschiedlicher Optiken variiert werden. Bei einer höheren optischen Vergrößerung ist allerdings zu berücksichtigen, dass sich die Schärfentiefe reduziert und der Vorteil eines optischen Übersichtsbildes verschwindet. In einem zweiten Schritt wird der zu untersuchende Objektbereich mit Hilfe eines manuellen x-, y-Lineartisches unter die SFM-Messspitze bewegt. Nach erfolgreicher Annäherung der Oberfläche an die Spitze erfolgt die zeilenweise Bewegung des Messobjekts mit einem positionsgeregelten Piezoscantisch (max. Stellbereich: ca. 100 µm x 100 µm).
Der außerordentliche Vorteil dieses kombinierten Messsystems besteht in der Möglichkeit der direkten z-Kalibrierung des SFMs. Sobald nämlich SFM und Interferenzmikroskop an der gleichen Probenstelle messen, kann das interferenzoptische Ergebnis als Kalibrierwert für das SFM herangezogen werden. Spezielle Stufenhöhennormale eignen sich hierbei als präzise Maßverkörperungen für Höhen von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern.
Vergleichsmessungen mit dem neu aufgebauten Messsystem und dem interferenzoptischen Referenzmikroskop in der PTB, dessen geringe Messunsicherheit im Rahmen von internationalen Maßvergleichen bestätigt wurde, zeigen bei Stufenhöhenmessungen Abweichungen von weniger als einem Nanometer bei 80 nm- und 260 nm-Kalibriernormalen. In Bild 6 sind die Ergebnisse von Messungen im Interferenzmikroskop- und SFM-Modus an einem 80 nm-Normal gegenübergestellt.
Ein weiterer Vorteil dieses kombinierten Geräts kommt bei heterogenen Objekten zum Tragen. Sobald sich nämlich die optischen Konstanten von Substrat und Messstruktur unterscheiden, erfährt die optische Welle im Interferenzmikroskop unterschiedliche Phasensprünge bei der Reflexion. Dieses führt zu einem Messfehler solange die entsprechenden optischen Konstanten bei der Interferenzmikroskop-Auswertung nicht berücksichtigt werden. Die Bestimmung dieser Konstanten von dünnen Schichten im Nanometerbereich ist allerdings sehr aufwändig und oft ungenau, so dass diese Korrektur nur bedingt möglich ist. Anders bei dem vorliegenden Gerät - hier geschieht die Messwertkorrektur des Interferenzmikroskops durch das vorher kalibrierte SFM-Modul. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass, wie bereits beschrieben, die SFM-Kalibrierung mit dem gleichen Interferenzmikroskop - allerdings an einer Probe mit einer homogenen Oberfläche erfolgte. Dieses Beispiel zeigt die komplementären Eigenschaften der beiden in einem Messgerät vereinten, voneinander unabhängigen Messprinzipien.

Bild 1: Der ACP-Mikrotaster misst die vertikale Flanke eines Mikrozahnrades. Dabei wird die Bewegung des Tasters optisch ausgelesen. Auf dem Bild ist der Haltechip mit dem Cantilever und dem senkrechten Tasterschaft mit der Messspitze zu sehen.

Zur dreidimensionalen Erfassung der Topographie von Messobjekten (z.B. Mikrozahnrädern oder anderen komplexen Bauteilen der Mikrosystemtechnik) sind in der PTB verschiedene Designvarianten von sogenannten zusammengesetzten Cantilever-Tastspitzen (Assembled Cantilever Probes – ACPs) entwickelt worden. Diese ACPs bestehen aus einem horizontalen SFM-Cantilever (L1), an dem mittels Kleben ein oder mehrere vertikale Cantilever (L2, L3, ...) befestigt werden (vereinfachte Darstellung im Bild 2). Als Cantilever können kommerziell erhältliche Rastersondenmikroskopsonden eingesetzt und diese bei Bedarf um weitere Mikrobauteile wie Mikrodrähte und -kugeln ergänzt werden.

	b)
Bild 2: Beispielhafter Aufbau einer ACP a: Konstruktionsprinzip; b: Rasterelektronenmikroskop(SEM)-Aufnahme einer montierten Tastspitze

Dieses Design hat gegenüber konventionellen SFM-Tastspitzen zwei wichtige Vorteile, die z.B. beim Einsatz für die Seitenwand-Charakterisierung sichtbar werden:

1. Die Tastspitze wird entscheidend in horizontaler Richtung verlängert. Seitenwände können somit in ihrer Normalrichtung angetastet werden, was zu einer erhöhten Messempfindlichkeit und Wiederholbarkeit führt.
2. Die Verlängerung von L1 durch L2 erlaubt Messungen an Seitenwänden mit Tiefen von einigen Hundert Mikrometern (abhängig von der Länge von L2), ohne dass der Cantilever L1 auf der Oberfläche des Messobjektes aufsetzt.

Im Unterschied zu konventionellen Koordinatenmessgeräten (KMG) und Mikro-KMG ist die laterale Auflösung der ACP-Spitze bei Seitenwandmessungen bedingt durch ihren viel kleineren Spitzenradius (r ungefähr 20 nm) bedeutend höher. Durch die Auswahl spezieller Cantilevertypen für L2, wie z.B. von SFM-Spitzen mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen ("nanotubes") oder von durch Ionenstrahlabtrag geschärften Spitzen (z.B.  SuperSharpSilicon™ der Fa. NanoWorld), kann die Auflösung bei der Messung an Strukturen mit großem Aspektverhältnis weiter erhöht werden.
Die geringen Auflagekräfte, die bei der SFM-Messtechnik selbst im Kontaktmodus nur wenige Nanonewton betragen, verhindern ein Zerkratzen der Oberfläche bei weichen Materialien. Das ACP-Detektionssystem kann als rasternder Sensor oder im Berührungstrigger-Modus (wie bei "schaltenden Tastern" in KMGs) betrieben werden. Innerhalb des Regelsystems ist es möglich, die im normalen SFM-Betrieb verwendete Lageregelung für das Detektionssystem von der z-Achse auf eine der lateralen Achsen umzuschalten. Somit ist eine korrekte Messung an den Seitenflächen möglich, d.h. der Abtastvorgang geschieht senkrecht zu den vertikalen Oberflächen. Im Berührungstrigger-Modus wird die ACP an jedem diskreten Messpunkt an die Oberfläche des Messobjektes angenähert. Ein Kontakt mit der Oberfläche löst ein Triggersignal aus, durch das die Messwerte von den einzelnen Sensoren synchron eingelesen werden. Anschließend findet die nächste Positionsmessung an einem anderen Ort des Objekts statt. Die Detektion der Verbiegung bzw. Verdrehung des ACP-Sondensystems erfolgt mittels des aus der SFM-Technik bekannten Lichtzeiger-Prinzips am Cantilever L1.