[1-11] und einer kooperativen Promoti

Hochauflösendes Tunnelmikroskop für die Inspektion von Halbleitern
Kamera
Ringpolarisator
Blendenmodul
Filtermodul
Stativ
Lichtquelle
φx
Objektiv- z-, φx-, φyTransducerSensoren
Einheit
φy
Nahfeld
Computer
y
Probe
Probentisch
x
Ansteuerung
Piezo-Stelltechnik
Abbildung 1: Schematischer Aufbau des anwendungsorientierten simultanen optischen Nahfeldmikroskops
Im Rahmen mehrerer Diplomarbeiten [1-11] und einer kooperativen Promotion [12],
sowie in enger Zusammenarbeit mit der Firma Leica Microsystems, wurde ein
Verfahren zur Auflösungssteigerung der klassischen Auflichtmikroskopie durch
evaneszente Anregung im Nahfeld konzipiert und in Form eines Prototyps mit der
Bezeichnung Photonen-Tunnel-Mikroskop (PTM) bzw. simultanes optisches
Nahfeldmikroskop 1 (SONM) realisiert.
Für die Entwicklung des Prototyps wurde ein herkömmliches Auflichtmikroskop
modifiziert und mit speziell konstruierten Komponenten ausgestattet. Auf diese Weise
kann die bereits vorhandene Mikroskop-Infrastruktur erhalten bleiben und ein
kostengünstiger Umbau ermöglicht werden (Abb. 1).
Das Nahfeldobjektiv mit einer numerischen Apertur von NA=1,4 besteht im
Wesentlichen aus einem Standard-Immersionsobjektiv, in dessen Objektebene ein
optisches Bauteil, der sog. Transducer (TSD), adaptiert wurde. Der Transducer weist
eine zentrale Ausstülpung mit einem Durchmesser von einigen zehn Mikrometern
auf, in dessen Zentrum die optische Achse liegt. Diese Eigenschaft erlaubt eine
Annäherung ohne Kontamination oder Zerstörung der Probe bis auf wenige
Nanometer, auch bei verhältnismäßig großer Verkippung zwischen Probe und TSD.
Hochpräzise Stelltechnik ermöglicht eine Nivellierung und Feinjustage der Fokuslage.
Durch Modifikation des Beleuchtungsstrahlenganges wird an der Grenzfläche
zwischen TSD und Umgebung Totalreflexion erzeugt, wodurch im unteren Halbraum
ein evaneszentes Wellenfeld entsteht. Die Eindringtiefe dieses evaneszenten Feldes
hängt dabei vom Einfallswinkel, der Wellenlänge und dem Brechungsindexverhältnis
zwischen Transducer und Umgebung ab.
1
Als Synonym für PTM wurde die Bezeichnung SONM eingeführt, da es sich im Gegensatz zu anderen
etablierten Nahfeld-Verfahren (AFM, SNOM), um kein rasterndes, sondern ein simultanes, unmittelbar
bildgebendes Verfahren handelt.
Der bei diesem Verfahren genutzte Kontrastmechanismus beruht auf der gestörten inneren Totalreflexion (FTIR), die durch Einbringen einer Probe in das evaneszente Wellenfeld verursacht wird. Die sich im Nahfeld befindende Probe kann als
Bestandteil des Immersionssystems angesehen werden und wird deshalb mit voller
Apertur abgebildet. Aufgrund dessen ergibt sich eine Auflösungssteigerung um den
Brechungsindex des Transducers. Die daraus resultierende theoretisch erreichbare
Auflösung von Strukturen in der Größenordnung 80nm (Lines and Spaces) sind
experimentell verifiziert worden (Abb. 3).
Nach aktuellem Stand der Forschung verfügt das Labor für technische Optik der
Fachhochschule Südwestfalen mit dem SONM über eine hervorragende Infrastruktur
im Bereich der höchstauflösenden optischen Nahfeldmikroskopie, darunter auch ein
Reinstraum für optimale Messbedingungen. Darüber hinaus besitzt die FH-SWF die
Geräte und das technologische Know-how zur Fertigung und Justage der Transducer
als zentrales Bauelement des Mikroskops.
Das Forschungsprojekt ist bislang in Europa einzigartig und ist in einer Reihe
Abbildung 3: PMMA auf Si-Substrat, 80nm
(links) und 90nm (rechts) Lines &
Spaces, λ=436nm, rad. Pol.
von Vorträgen und Veröffentlichungen [13-25] in der Fachwelt auf große Resonanz
gestoßen. Das Verfahren zur Erzeugung eines optischen Kontrastes mittels des
Transducers ist bereits in Deutschland, Europa und den USA patentiert [26, 27, 28].
[1]
FLOR, T.: Aufbau und Inbetriebnahme eines PTM. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH),
Fachbereich Physikalische Technik, Diplomarbeit, 1995
[2] KRAMPE, C.: Entwicklung eines Photonen-Tunnel-Mikroskops für den kommerziellen Einsatz unter
Berücksichtigung von Justierbarkeit, Transducergeometrie und Bilddatenvisualisierung. Iserlohn,
Märkische Fachhochschule (MFH), Fachbereich Physikalische Technik, Diplomarbeit, 1997
[3]
BEYKIRCH, J.: Untersuchungen zur Auflösungssteigerung eines optischen Mikroskops mit Hilfe des
Tunnelkontrastes und digitaler Bildverarbeitung. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH), Fachbereich
Physikalische Technik, Diplomarbeit, 1998
[4]
EMERY, C.: Entwicklung eines Lasernivelliersystems zur Waferausrichtung für die Photonentunnelmikroskopie. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH), Fachbereich Physikalische Technik,
Diplomarbeit, 2000
[5] PELARGUS, C.: Konstruktion, Aufbau und Test einer Dunkelfeldanordnung für die simultan optische
Nahfeldmikroskopie. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH), Fachbereich Physikalische Technik,
Diplomarbeit, 2000
[6] HEYMANN, A.: Automatisierung der Probenannäherung im Photonentunnelmikroskop mit Laserautofokus
und adaptiver Bilderverarbeitung. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH), Fachbereich Physikalische
Technik, Fachbereich Physikalische Technik, Diplomarbeit, 2001
[7] SONJOTO, A.: Entwicklung einer Nanometer genauen Scaneinheit für ein optisches Nahfeldmikroskop mit
kombinierter Interferometrie und Bildverarbeitung. Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF),
Fachbereich I+N, Diplomarbeit, 2003
[8]
WIESNER, M.: Untersuchung und Optimierung des Beleuchtungsstrahlengangs zur Kontrastverbesserung
und der Steigerung der Beleuchtungseffizienz beim optischen Nahfeldmikroskop. Iserlohn, Fachhochschule
Südwestfalen (FH-SWF), Fachbereich I+N, Diplomarbeit, 2003
[9]
PIEPER, T.: Konzeption eines auf Bildverarbeitung basierenden Autofokus-Systems für ein optisches
Nahfeldmikroskop. Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF), Fachbereich I+N, Diplomarbeit,
2003
[10] LUCKAS, G.: Bestimmung der Streucharakteristik von Submikrometerpartikeln bei evanescenter Anregung.
Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF), Fachbereich I+N, Diplomarbeit, 2003
[11] PETERSEN, H.: Automatisierung des simultanen optischen Nahfeldmikroskops (SONM) zur Untersuchung
von verfahrensspezifischen Abbildungsparametern. Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF),
Fachbereich I+N, Diplomarbeit, 2004
[12] KRAMPE, C.: Erzeugung und Anwendung evaneszenter Wellenfelder und Untersuchung ihrer
Wechselwirkung mit dem Objekt bei der simultanen optischen Nahfeldmikroskopie. Halle-Wittenberg,
Martin-Luther-Universität,
Mathematisch-Naturwissenschaftlich
Technische
Fakultät
(Ingenieurwissenschaftlicher Bereich), Dissertation in Bearbeitung, 2004
[13] KRAMPE-ZADLER, C. ; NEUMANN, B.: Vorstellung verschiedener Kontrastverfahren (HF, DF, Pol) für die
Photonen-Tunnel-Mikroskopie. In: PHYSIKALISCH TECHNISCHE BUNDESANSTALT (Veranst.): Aktuelle
Entwicklungen der Mikroskopie. Braunschweig : Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB),
November 2003 (187. PTB-Seminar)
[14] KRAMPE-ZADLER, C. ; NEUMANN, B. ; LORENZ, H.: Anwendungsorientiertes, hochauflösendes, simultanes
optisches Nahfeldmikroskop für die zerstörungsfreie Untersuchung technischer Oberflächen, Iserlohn :
Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF), August 2003 (Abschlussbericht über Forschungsprojekt) –
Forschungsbericht
[15] KRAMPE-ZADLER. C.: Kontrastmechanismus und Anwendungen der simultanen optischen
Nahfeldmikroslopie, Halle-Wittenberg, Martin-Luther-Universität, eingeladener Vortrag am Institut für
Werkstoffwissenschaften, August 2002
[16] KRAMPE, C.: Kameras mit hohem Rauschabstand, Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF),
Symposium für Bildverarbeitung in verteilten Systemen, Juni 2002
[17] KRAMPE, C. ; NEUMANN, B.: Untersuchung der Streueigenschaften ebener Submikrometer-Strukturen mit
evanesctenen Wellen. In: DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ANGEWANDTE OPTIK (Veranst.): 103.
Jahrestagung. Innsbruck : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Juni 2002 (103.
Jahrestagung der DGaO)
[18] KRAMPE, C. ; NEUMANN, B.: Die Photonen-Tunnel-Mikroskopie (PTM) – eine Möglichkeit zur
Auflösungssteigerung der klassischen Auflichtmikroskopie. Zwickau, Westsächsische Hochschule, 4.
Symposium „Brennpunkt Messtechnik“, September 2001
[19] KRAMPE, C. ; NEUMANN, B.: Informationsgewinnung über dielektrische und metallische Oberflächen mit
dem Photonen-Tunnel-Mikroskop. In: DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ANGEWANDTE OPTIK (Veranst.):
102. Jahrestagung. Göttingen : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Juni 2001 (102.
Jahrestagung der DGaO)
[20] KRAMPE, C. ; NEUMANN, B.: Anwendungsmöglichkeiten der simultanen optischen Nahfeldmikroskopie in
der Mikrooptik, Hagen, Fernuniversität, Workshop des Arbeitskreises Mikrooptik der Deutschen
Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), August 2000
[21] KRAMPE, C. ; PELARGUS, C. ; NEUMANN, B.: Vorstellung einer Dunkelfeldmethode zur simultanen
optischen Nahfeldmikroskopie (SONM). In: DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ANGEWANDTE OPTIK
(Veranst.): 101. Jahrestagung. Jena : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Juni 2000
(101. Jahrestagung der DGaO)
[22] KRAMPE, C. ; NEUMANN, B.: Über die Kontratsentstehung im simultanen optischen Nahfeldmikroskop
(SONM). In: DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ANGEWANDTE OPTIK (Veranst.): 101. Jahrestagung. Jena :
Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Juni 2000 (101. Jahrestagung der DGaO)
[23] KRAMPE, C. ; NEUMANN, B.: Optimierungsmöglichkeiten von Transducern für die simultane PhotonenTunnel-Mikroskopie mit Hilfe der Mikrooptik. In: DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ANGEWANDTE OPTIK
(Veranst.): 100. Jahrestagung. Berlin : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Mai 1999
(100. Jahrestagung der DGaO)
[24] KRAMPE, C. ; BEYKIRCH, J. ; NEUMANN, B.: Untersuchung zur Auflösungssteigerung mit einem PhtotonenTunnel-Mikroskop auf Basis klassischer Auflichtmikroskope. In: DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR
ANGEWANDTE OPTIK (Veranst.): 99. Jahrestagung. Bad Nenndorf : Deutsche Gesellschaft für angewandte
Optik (DGaO), Mai 1998 (99. Jahrestagung der DGaO)
[25] KRAMPE, C. ; NEUMANN, B.: Photonen-Tunnel-Mikroskopie auf Basis klassischer Auflichtmikroskopie. In:
DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ANGEWANDTE OPTIK (Veranst.): 98. Jahrestagung. Staffelstein : Deutsche
Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Juni 1997 (98. Jahrestagung der DGaO)
[26] NEUMANN, B. (Erfinder) ; KRAMPE, C. (Erfinder) ; LEICA MICROSYSTEMS GMBH (Anmelder): Transducer
zur Erzeugung optischer Kontraste. Deutschland, 13.9.2001 – Patenterteilung, DP 19923295
[27] NEUMANN, B. (Erfinder) ; KRAMPE, C. (Erfinder) ; LEICA MICROSYSTEMS GMBH (Anmelder): Transducer
zur Erzeugung optischer Kontraste. Europa, 13.9.2001 – Patenterteilung, EP 00108758
[28] NEUMANN, B. (Erfinder) ; KRAMPE, C. (Erfinder) ; LEICA MICROSYSTEMS GMBH (Anmelder): Transducer
for generating optical contrasts. USA, 22.6.2004 – Patenterteilung, US 6753970