DE10024366C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schichtcharakterisierung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Massenbelegung einer Probe (9) auf einem mit einer metallischen Beschichtung versehenen, schwingfähigen Substrat (10) beschrieben, wobei einerseits eine elektrische Anregung von Hochfrequenzschwingungen des Substrats (10) und eine Messung der massenbelegungsabhängigen Resonanzfrequenz des Substrats (10) erfolgen und aus der Resonanzfrequenz die akustische Dicke der Probe (9) ermittelt wird, und andererseits an der mit der Probe (9) belegten metallischen Beschichtung die Koppelbedingung der Anregung von optischen Resonazen durch eine Reflektivitäts- und/oder eine Streulichtmessung bestimmt und aus der Koppelbedingung die optische Dicke der Probe (9) ermittelt wird. Es werden auch eine Vorrichtung und ein Schwingquarz zur Umsetzung des Verfahrens beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung einer Massenbelegung auf einem Substrat, insbesondere zur Messung von Schichtdicken, Flächendichten, Massenbelegungen oder davon abgeleiteten Großen oder von viskoelastischen Ei­ genschaften, wie z. B. ein Schermodul oder eine Viskosität, mit einer Schwingquarz-Mikrowaage, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einen Schwingquarz für eine Schwingquarz-Mikrowaage.

Die Verwendung von Schwingquarz-Mikrowaagen zur Messung von Schichtdicken oder Massenbelegungen ist allgemein bekannt (DE 299 21 039 U1). Der Sensor einer solchen Mikrowaage besteht aus einem piezoelektrischen Schwingquarz-Kristall in Form eines Plättchens mit beidseitig aufgedampften, metallischen Elekt­ rodenschichten. Durch Beaufschlagung der Elektrodenschichten mit einer elektrischen Wechselspannung wird der Kristall zu einer Dicken-Scherschwingung angeregt, die typischerweise im MHz-Bereich eine akustische Resonanzfrequenz besitzt. Bei der Resonanzfrequenz besitzen die Amplitude und die Wechselstrom- Leitfähigkeit ein scharfes Maximum. Dieses wird zur Messung der Resonanzfrequenz auf elektrischem Wege genutzt. Befindet sich auf der Oberfläche des Schwingquarzes eine dünne Schicht, so erhöht diese die mitschwingende Masse. Mit zuneh­ mender Masse des einen Resonator bildenden Schwingquarzes er­ niedrigt sich dessen Resonanzfrequenz. Aus der Messung der Resonanzfrequenzverschiebung bei Schichtaufbringung kann die auf dem Schwingquarz abgeschiedene Masse bzw. die Schichtdi­ cke sehr genau bestimmt werden.

Schwingquarz-Mikrowaagen werden typischerweise zur Dickenmes- Sung bei Dampfabscheidungsvorgängen verwendet, können aber auch zur Messung in flüssigen Medien eingesetzt werden. Dabei ergibt sich das folgende Problem. Wenn das aus dem flüssigen Medium auf den Schwingquarz als Adsorbat abgeschiedene Mate­ rial im flüssigen Medium (Lösungsmittel) gequollen ist oder eine rauhe Oberfläche besitzt, so besteht die apparente Mas­ se, die die Resonanzfrequenz des Schwingquarzes bildet, zum Teil aus der Masse des Adsorbats und zum anderen Teil aus der Masse des quellenden, in die Schicht eingelagerten Lösungs­ mittels. Mit dem Adsorbat werden bei der Schwingung des Schwingquarzes auch Teile des Lösungsmittels mitbewegt. Da die Massenanteile nicht ohne Zusatzannahmen trennbar sind, ist die Messung der Adsorbatbelegung im flüssigen Medium feh­ lerbehaftet. Die mit einer Schwingquarz-Mikrowaage im flüssi­ gen Medium gemessene Schichtdicke oder Massenbelegung wird auch als "akustische Dicke" bezeichnet.

Es ist auch allgemein bekannt, Schichtdicken optisch, z. B. durch Absorptions- oder Brechungsindex-Messungen, zu erfas­ sen. Die optische Dickenmessung an Adsorbaten im flüssigen Medium sind weniger durch das genannte Problem der Adsorbat­ quellung betroffen. Das gequollene Adsorbat besitzt in der Regel einen entsprechend verringerten Brechungsindex, wodurch die Zunahme an Schichtdicke durch Quellung ungefähr kompen­ siert wird. Das Produkt aus Brechungsindex-Inkrement und geo­ metrischer Dicke bzw. das Integral des Brechungsindex- Inkrements über die Schichtdicke wird als "optische Dicke" bezeichnet.

Aus der Publikation von W. Knoll in "MRS Bulletin", Juli 1991, Seite 29 ff., sind Verfahren zur optischen Charakteri­ sierung organischer dünner Schichten und Grenzflächen mit evaneszenten Wellen bekannt. Bei der Totalreflektion von Licht an der Grenzfläche zwischen einem optisch dichteren Medium zu einem optisch dünneren Medium, das untersucht werden soll, treten evaneszente Wellen in das optisch dünnere Medium ein. Die Wechselwirkung der evaneszenten Wellen mit dem zu unter­ suchenden Medium liefert eine Aussage über dessen Absorpti­ onseigenschaften.

Von besonderem Interesse ist die Kombination der Messung eva­ neszenter Wellen mit der Anregung von Oberflächenplasmonen- Resonanzen (auch als "Surface Plasmon Resonances", SPR, oder Plasmonen bezeichnet). An der Grenzfläche zwischen einer Me­ tallschicht und einem Dielektrikum kommt es unter bestimmten Resonanzbedingungen zu einer an die Grenzfläche gebundenen optischen Feldverstärkung, dem Oberflächenplasmon. Oberflä­ chenplasmonen sind optische Resonanzen mit einem bestimmten Wellenvektor k_x. Bei Aufbringen von dünnen Schichten auf eine Metalloberfläche verschiebt sich der Wellenvektor k_x sehr empfindlich mit der Dicke der aufgebrachten Schicht. Aus dem Wellenvektor k_x kann man mit einer Submonolagen-Genauigkeit die Schichtdicke ermitteln.

Da der Wellenvektor k_x des Plasmons größer als der Wellenvek­ tor des Lichts gleicher Frequenz im angrenzenden Dielektrikum ist, werden Oberflächenplasmonen bei Einstrahlung von Licht auf glatte Metalloberflächen nur unter bestimmten Bedingungen angeregt. Es wird beispielsweise die sog. Kretschmann-Konfi­ guration verwendet, bei der eine Metallschicht mit geringer Dicke (semitransparent) auf der langen Außenseite eines Pris­ mas mit der Grundfläche eines gleichschenkligen Dreiecks und auf der Metallschicht die zu untersuchende Schicht aufge­ bracht werden. Die Beleuchtung mit Totalreflektion und Erzeu­ gung evaneszenter Wellen erfolgt von einer kurzen Prismenseite her. Durch die Einstrahlung über das Prisma wird der Wel­ lenvektor erhöht und bei einem bestimmten Einstrahlwinkel, dem sog. Koppelwinkel, kommt es zur Anregung des Plasmons. Der Koppelwinkel wird anhand des zugehörigen Minimums der winkelabhängigen Reflektivität der Metallschicht mit der zu untersuchenden Schicht gemessen.

Bei Anregung unter optischen Resonanzbedingungen können an Stelle von Plasmonen analog auch Wellenleitermoden (WM) ange­ regt werden. Eine solche Resonanz kann mit einer dielektri­ schen Multischichtstruktur erzielt werden, bei der ein op­ tisch dichteres Medium entweder von zwei optisch dünneren Me­ dien oder von einem optisch dünneren Medium und einer Metall­ schicht begrenzt wird.

Zur Ermittlung der Schichtdicke einer Probe werden mit den evaneszenten Wellen in der Probe Oberflächenplasmonen (im Folgenden: OP) erzeugt. Der zur OP-Erzeugung erforderliche Einfalls- oder Koppelwinkel ist von der Schichtdicke abhän­ gig. Dies wird beispielsweise von I. Pockrand in "Surf. Sci.", Band 72, 1978, Seite 577 ff. erläutert. Die Schichtdi­ ckenbestimmung erfolgt durch Ermittlung des jeweiligen Kop­ pelwinkels zur OP-Erzeugung.

Die Umsetzung der Messprinzipien unter Verwendung evaneszen­ ter Wellen, insbesondere der OP-Spektroskopie in Kretschmann- Konfiguration, ist bisher an spezielle Laborbedingungen ge­ bunden. Die Kretschmann-Konfiguration ist an trockenen Schichten unter Raumluftbedingungen relativ einfach reali­ sierbar. Zur Untersuchung von Schichten in flüssigen Medien müssen spezielle Küvettenaufbauten verwendet werden, die e­ benfalls von W. Knoll in der genannten Publikation beschrie­ ben werden. Es besteht aber ein Interesse an einer möglichst universell einsetzbaren, nicht an spezielle Gefäßgeometrien gebundenen Messtechniken zur Bestimmung der optischen Dicke schichtförmiger Proben.

Aus der Publikation B. Fischer et al. in "J. Appl. Phys." Band 75, 1994, Seite 1577 ff., sind Untersuchungen zur Dis­ persion von Oberflächenplasmonen in verschiedenförmigen Git­ tern in Silberschichten bekannt. Es wurde eine Beziehung zwi­ schen dem Gitterprofil und der OP-Dispersion gefunden. Die Erzeugung von Gittern zur Anregung von Oberflächenplasmonen wird auch von X. Mai et al in "Appl. Opt.", Band 24, 1985, Seite 315 ff. beschrieben.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Dicken- und/oder Massenbestimmung an schichtförmigen Pro­ ben, insbesondere in flüssigen Medien, anzugeben. Das Verfah­ ren soll insbesondere einen erweiterten Anwendungsbereich be­ sitzen und mit herkömmlichen Dickenmesstechniken kompatibel sein. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Vorrichtungen zur Umsetzung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1, 14 bzw. 19 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Grundidee der Erfindung ist es, eine schichtförmige Probe auf einem schwingfähigen Substrat zu vermessen, das zur Be­ stimmung sowohl der akustischen als auch der optischen Dicke ausgelegt ist. Das Substrat ist eine piezoelektrische Schei­ be, die elektrisch mit mindestens einem Elektrodenpaar zu Hochfrequenzschwingungen anregbar ist und eine belegungsab­ hängige Resonanzfrequenz besitzt. Das Substrat trägt ferner auf mindestens einer Oberfläche eine metallische Beschichtung mit einem Gitter, das bei Lichtbestrahlung unter einer vorbe­ stimmten Koppelbedingung (z. B. Koppelwinkel oder eine Kop­ pelwellenlänge) zur Ausbildung einer optischen Resonanz aus­ gelegt ist. Der Koppelwinkel wird durch den Winkel zwischen der Bestrahlungsrichtung und der Gitterebene und/oder den Winkel zwischen der Einfallsebene der Bestrahlung und der Gitterrichtung gebildet. Wenn mit der Lichtbestrahlung die optische Koppelbedingung zur Erzeugung der optischen Resonanz erfüllt ist, so werden Oberflächenplasmonen (OP) oder Wellen­ leitermoden (WM) erzeugt. Bei Belegung des Substrats bzw. der metallischen Beschichtung mit der schichtförmigen Probe än­ dern sich sowohl die mechanische Resonanzfrequenz als auch die Koppelbedingung der optischen Resonanz. Dies ermöglicht, an einer Probe simultan oder auch aufeinanderfolgend die a­ kustische und die optische Dicke und ggf. davon abgeleitete Größen zu ermitteln. Für Anwendungen in der Sensorik besitzt die metallische Beschichtung vorzugsweise einen bindungsakti­ ven Überzug. Das Gitter ist beispielsweise ein Korrugationsgitter.

Die Erfindung wird vorzugsweise mit einer Schwingquarz- Mikrowaage mit modifiziertem Schwingquarz realisiert. Dies besitzt den Vorteil einer vollständigen Kompatibilität der erfindungsgemäßen Messtechnik mit bisherigen Einsatzbereichen herkömmlicher Schwingquarz-Mikrowaagen, insbesondere bei der Messung von Adsorbatschichten in flüssigen Medien. Mindestens eine Oberfläche des Schwingquarzes, eine darauf gebildete me­ tallische Elektrodenschicht und/oder eine strukturierte Zwi­ schenschicht besitzen die Form des gewünschten Korrugations­ gitters. Der Resonator der Schwingquarz-Mikrowaage wird als Target eines Oberflächenplasmonen- oder Wellenleitermoden- Spektrometers (OP- oder WM-Spektrometer) verwendet, das mit einer Auswertungs- oder Recheneinrichtung zur Ermittlung der optischen Dichte aus dem Koppelwinkel ausgestattet ist.

Gegenstand der Erfindung ist auch das piezoelektrische Sub­ strat, das zur Schwingungsanregung mit schichtförmigen Elekt­ roden und zur OP- oder WM-Anregung mit mindestens einem Kor­ rugationsgitter versehen ist.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Es wird erstma­ lig ein Verfahren zur simultanen akustischen und optischen Dickenbestimmung angegeben, das an schichtförmigen Proben un­ ter beliebigen Bedingungen angewendet werden kann. Die schichtförmigen Proben können geschlossene oder nichtge­ schlossene Schichten oder Schichten mit rauhen Oberflächen umfassen. Es können geringste Massenbelegungen oder Adsorbate bis hin zu Sub-Monolagen (mittlere Dicke: 1 Å) vermessen wer­ den. Die Dickenbestimmung kann in situ erfolgen. Es wird die Echtzeitbeobachtung von Schichtabscheidungs- oder Quellvor­ gängen, strukturellen Umwandlungen in der Probe oder spezifi­ schen Adsorptionsvorgängen an einem Substrat ermöglicht.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist mit der Ermittlung von Größen gegeben, die von den akustischen und optischen Di­ cken abgeleitet sind. Hierzu zählt insbesondere der Quellgrad einer im flüssigen Medium gebildeten Schicht. Durch die Mes­ sung der akustischen und der optischen Dicke an ein und der­ selben Probe kann aus dem Dickenverhältnis indirekt auf den Lösungsmittelgehalt in der Probe oder den Quellgrad des Ad­ sorbats rückgeschlossen werden.

Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus den beige­ fügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Substrats zur Dickenmessung,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Substrat­ oberfläche gemäß Fig. 1 im Bereich des Korru­ gationsgitters,

Fig. 3 eine Übersichtsdarstellung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens zur Messung des Quellgrades ei­ ner Probe, und

Fig. 4 Kurvendarstellungen zur Illustration der Ad­ sorption von Streptavidin an bindungsaktiven Monoschichten auf einem erfindungsgemäßen Sub­ strat.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf eine Vorrich­ tung beschrieben, deren Komponenten Schwingquarz-Mikrowaage und OP-Spektrometer jeweils an sich bekannt sind. Auf Einzel­ heiten dieser Komponenten wird, soweit sie von den herkömmli­ chen Techniken bekannt sind, hier nicht eingegangen. Die Er­ findung ist nicht auf die illustrierte Ausführungsform be­ schränkt. Die simultane Messung von optischer und akustischer Dicke ist auch in abgewandelten Messanordnungen möglich, die ein piezoelektrisches schwingfähiges Substrat enthalten, das zur OP- oder WM-Anregung ausgelegt ist.

Fig. 1 zeigt in schematischer Perspektivansicht vergrößert ein Substrat 10, das eine schwingfähige Scheibe oder Platte 1 mit einer oberen Elektrode 2 und einer unteren Elektrode 3 (verdeckt) aufweist, die jeweils über elektrische Anschluss­ leitungen 4, 5 mit einem Hochfrequenzgenerator und einer Steuer- und Auswertungseinheit (nicht dargestellt) verbunden sind. Die Steuer- und Auswertungseinheit enthält insbesondere einen Impedanzanalysator (siehe Fig. 3).

Die Platte 1 besteht bspw. aus Quarz mit einer Dicke von ca. 150 µm bis 400 µm. Die Elektroden 2, 3 bilden vorzugsweise geschlossene Schichten aus anwendungsabhängig gewählten Edel­ metallen (z. B. Gold, Silber oder dgl.). Die einander gegenü­ berliegende Elektrodenschichten sind vorzugsweise geschlosse­ ne Kreisflächen, können aber auch streifen- oder kreisflä­ chenförmige Unterbrechungen aufweisen. Die Elektrodendicke wird anwendungsabhängig und je nach den zur Schwingungserzeu­ gung erforderlichen Leistungsparametern gewählt und liegt bspw. im Bereich von 20 nm bis 200 nm. Auf der oberen Elekt­ rode 2 ist eine Probe 9 als Adsorbatschicht eingezeichnet. Alternativ zum Aufbau einer Platte mit beidseitig angeordne­ ten Elektrodenschichten ist auch ein Schwingquarzaufbau mit einseitig angebrachten, interdigitierten fingerförmigen E­ lektrodenanordnungen verwendbar. Bei derartigen, an sich be­ kannten Schwingquarzen (sog. "SAW-Anordnungen") wird mit den Elektrodenanordnungen eine akustische Oberflächenwelle auf nur einer Seite der piezoelektrischen Platte erzeugt. Die De­ tektion der optischen Resonanzen erfolgt in der oben be­ schriebenen Weise an einer anderen Stelle des Substrats (auf der selben Seite).

Für bevorzugte Anwendungen der Erfindung in der biologischen und der chemischen Sensorik ist vorgesehen, daß mindestens eine Elektrode, insbesondere die Elektrode mit dem Korruga­ tionsgitter, mit einer bindungsaktiven Substanz beschichtet ist. Bspw. sind zur Sensorik von DNA-Fragmenten als bindungs­ aktive Substanz die jeweils komplementären DNA-Stränge oder zur Sensorik von Antikörpern die jeweiligen Antigene vorgese­ hen. Wird ein derart präpariertes Substrat mit einer zu untersuchenden Lösung in Verbindung gebracht, so binden spezi­ fische Analyten aus der Lösung an die bindungsaktive Substanz und damit an die Elektrode an. Es entsteht die Adsor­ batschicht (z. B. Probe 9), deren Eigenschaften untersucht werden sollen.

Auf der in Fig. 1 oberen Seite der Platte 1 ist eine Struk­ turierung in Form eines Gitters 6 vorgesehen, dessen Einzel­ heiten in Fig. 2 illustriert sind. Das Gitter 6 (Korrugati­ onsgitter) ist ein eindimensionales Liniengitter. Alternativ könnte auch ein Gitter mit zweidimensionalem Raster vorgese­ hen sein. Bei Beugung von einfallendem Licht (z. B. Laser­ strahl 7) am Gitter 6 kann in der Oberfläche der metallischen Elektrodenschicht ein OP oder eine WM angeregt werden, falls der Einfallswinkel Θ des Lichts dem Koppelwinkel der opti­ schen Resonanz entspricht. Das einfallende Licht 7 wird auf der gitterförmigen Oberfläche der oberen Elektrode 2 reflek­ tiert. Die Menge des reflektierten Lichts 8 wird insbesondere durch die OP- oder WM-Anregung beeinflusst. Wenn der Beleuch­ tungswinkel oder Einfallswinkel Θ dem Koppelwinkel ent­ spricht, wird dem Licht durch die optische Resonanz Energie entzogen, so daß weniger Licht reflektiert wird. Die Einstel­ lung des Koppelwinkels äußert sich insbesondere durch ein scharfes Minimum der Reflektivität. Außerdem findet man bei Erfüllung der Koppelbedingung in der Regel ein stark erhöhtes Streulicht an der Probenoberfläche. Des Weiteren ist der Kop­ pelwinkel bei Vorliegen dielektrischer Deckschichten 9 (Pro­ be) auf der oberen Elektrode 2 empfindlich von der Schichtdi­ cke abhängig. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, simultan zur akustischen Dickenmessung eine optische Dickenmessung durch Variation des Einfallswinkels Θ, Feststellung des Koppelwin­ kels entsprechend dem Reflektivitätsminimum oder dem Streulichtmaximum und Ableitung der Schichtdicke aus dem Koppel­ winkel durchzuführen.

Alternativ zur Variation des Einfallwinkels kann zur Einstel­ lung der Koppelbedingung auch eine Variation der Wellenlänge des Anregungslichtes 7 und/oder eine Variation der Orientie­ rung der Einfallsebene des Anregungslichtes relativ zur Git­ terausrichtung vorgesehen sein. Für die Wellenlängenvariation wird beispielsweise bei festem Einfallswinkel breitbandig (z. B. mit einer Weißlichtlampe) eingestrahlt und das reflek­ tierte Licht spektral analysiert. Die Erfüllung der Koppelbe­ dingung äußert sich in einem Reflektivitätsminimum der Wel­ lenlängenabhängigkeit des reflektierten Lichtes. Aus der Wel­ lenlänge minimaler Reflektivität kann entsprechend die opti­ sche Dicke der Probe ermittelt werden. Die Wellenlängenvaria­ tion kann auch bei Verwendung einer Laserbestrahlung durch Maßnahmen zur Frequenzverschiebung erfolgen.

Die Ermittlung der Schichtdicke aus dem aktuellen Koppelwin­ kel (Einfallswinkel oder Orientierung der Einfallsebene rela­ tiv zum Gitter) erfolgt vorzugsweise nach dem Verfahren, das von W. Knoll in "Annu. Rev. Phys. Chem.", Band 49, 1998, Sei­ te 569 ff. beschrieben ist. Diese Publikation wird hiermit vollständig durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.

Am Substrat 10 können abweichend von der Darstellung in Fig. 1 auch eine Beleuchtung durch das Substrat (siehe unten) oder die Bereitstellung von mehreren Gittern vorgesehen sein. Die Gitter können auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Sub­ strats oder auch auf einer Oberfläche gemeinsam vorgesehen sein und sich jeweils durch Gitterparameter unterscheiden. Die Bereitstellung von mehreren Gittern mit verschiedenen Gitterparametern ist insbesondere bei der Messung in Küvetten von Vorteil, die eine Bestrahlung des Substrats nur in be­ stimmten Winkelbereichen erlauben. Bei Meßanordnungen mit be­ schränkter Bestrahlungszugänglichkeit ist es von Vorteil, mehrere Gitter mit verschiedenen Gitterkonstanten auf einem Substrat aufzubringen, so daß für jede beliebige Probe stets eines der Gitter zu einem Koppelwinkel in dem zugänglichen Beleuchtungsbereich führt.

Die Bestrahlung des Gitters 6 erfolgt vorzugsweise derart, daß die Projektion der Beleuchtungsrichtung 7 bzw. die Ein­ fallsebene des Anregungslichtes auf die Platte 1 im Wesentli­ chen senkrecht zu den Linien des Gitters 6 ausgerichtet ist. Zur Erfassung der Koppelbedingung wird dann der Einfallswin­ kel relativ zur Oberflächennormalen variiert.

Alternativ kann das Gitter aber auch gegenüber der Projektion der Beleuchtungsrichtung verdreht sein. Zur Ermittlung der Koppelbedingung ist es insbesondere möglich, bei festem Ein­ fallswinkel die Platte 1 mit der Probe 9 in der Ebene der Platte 1 zu drehen, bis das Reflektivitätsminimum bzw. das Streulichtmaximum detektiert wird. Dies hat den Vorteil, daß die Detektoreinrichtung zur Erfassung des reflektierten oder gestreuten Lichtes ortsfest angebracht werden kann. Bei Dre­ hung der Platte muß die Detektoreinrichtung nicht mitbewegt werden. Der Meßaufbau benötigt nur eine Drehachse.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt zur Ermittlung der Koppelbedingung eine Reflektivitätsmessung un­ ter gekreuzten Polarisatoren. Die Platte 1 mit der Probe 9 wird mit linear polarisiertem Licht beleuchtet. Es ist bei­ spielsweise eine Polarisation parallel zur Einfallsebene (p- Licht) vorgesehen. Die Detektoreinrichtung ist mit einem Analysator ausgestattet, der senkrecht zur Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichtes ausgerichtet ist. Der Analysator steht beispielsweise senkrecht zur Einfallsebene. Unter Normalbeleuchtung des Gitters gelangt kein Licht zur Detek­ toreinrichtung. Bei Beleuchtung eines gegenüber der Einfalls­ ebene verdrehten Gitters führt die Anregung von Plasmonen je­ doch zur Erzeugung von elliptisch polarisiertem Licht, das durch den Analysator detektiert werden kann. Die Einstellung der Koppelbedingung äußert sich in einem Maximum des Detek­ torsignals. Diese Verfahrensweise besitzt den Vorteil einer untergrundfreien Signalerfassung.

Fig. 2 illustriert einen vergrößerten Ausschnitt der Ober­ fläche des Substrats 10 senkrecht zur Ausrichtung des Gitters 6. Jede Linie des Gitters 6 gemäß Fig. 1 bildet in Fig. 2 eine Furche 61. Die Furchen 61 sind durch Stege 62 voneinan­ der getrennt. Die Modulationshöhe h des Gitters 6, d. h. die Tiefe der Furchen 61, wird anwendungsabhängig im Bereich von 5 nm bis 40 nm, z. B. bei 10 nm, gewählt. Die Gitterkonstante d, d. h. der Linien- oder Furchenabstand, entspricht in etwa der Wellenlänge des verwendeten Anregungslichts und liegt bspw. im Bereich von 500 nm bis 600 nm. Die Breite der Fur­ chen 61 beträgt bspw. 300 nm. Alternativ zu dem in Fig. 2 ge­ zeigten Rechteckgitter sind auch andere periodische Gitter­ formen (z. B. Sinusgitter) realisierbar.

Die in Fig. 2 illustrierte Struktur aus Furchen 61 und Ste­ gen 62 wird im Grundmaterial (z. B. Quarz) der Platte 1 aus­ gebildet. Das Gitter 6 wird bspw. durch Ionenätzen erzeugt, wie im folgenden erläutert wird.

Zur Ausbildung der Struktur in der Platte 1 wird beispiels­ weise ein RIBE-Verfahren ("Projective Ion Beam Etching") verwendet. Nach Aufbringung eines Photoresists mit einer Dicke von rund 120 nm auf das mit einer Cr-Haftschicht versehene Grundmaterial erfolgt eine Belichtung des Photoresists mit gekreuzten He:Cd-Laserstrahlen zur Erzeugung eines Interfe­ renzmusters. Die Musterstruktur wird auf das Grundmaterial durch Ionenätzen übertragen. Es wird beispielsweise eine Rechteckstruktur mit einer Tiefe von 40 nm erzeugt.

Andere Strukturierungstechniken, die an sich aus der Halblei­ tertechnologie bekannt sind, können alternativ verwendet wer­ den. Nach Ausbildung des Gitters 6 wird die Elektrodenschicht 2 (z. B. aus Gold) aufgebracht. Dies erfolgt in an sich be­ kannter Weise vorzugsweise durch Aufdampfen.

Alternativ ist es auch möglich, die Gitterstruktur nicht in der Platte, sondern durch eine strukturierte Zwischenschicht zwischen der Plattenoberfläche und der Elektrodenschicht aus­ zubilden. Die Zwischenschicht mit der Gitterstruktur besteht beispielsweise aus einem belichteten und entwickelten Photo­ lack oder einem gestempelten Polymerfilm. Die Elektroden­ schicht wird durch Aufdampfen auf die Zwischenschicht gebil­ det. Mit diesem Verfahren wird vorteilhafterweise das Ionenätzen vermieden.

Unter besonderen Versuchsbedingungen, z. B. bei Messung an stark streuenden Adsorbatschichten oder bei Messung von Schichten in trüben Medien, kann eine abgewandelte Beleuch­ tungsgeometrie verwendet werden, die in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet ist. Die Beleuchtung erfolgt entsprechend dem Lichtweg 7' von der Unterseite des Substrats 10 her. Die Re­ flektivität wird entsprechend auch auf der Unterseite gemes­ sen. Die untere Elektrode 3 besitzt bei dieser Ausführungs­ form eine schlitzförmige Ausnehmung oder sie besteht aus einem transparenten Material (z. B. ITO), so daß das Anregungs­ licht von der Rückseite auf die gitterförmig strukturierte obere Elektrode 2 fällt. Auch bei der rückseitigen Bestrah­ lung kann an der Grenzfläche zwischen oberer Elektrode 2 und Probenschicht 9 eine OP- oder WM-Anregung erfolgen.

Erfindungsgemäß können auch andere Gitterformen vorgesehen sein, wie sie bspw. in der o. g. Publikation von B. Fischer et al. beschrieben sind. Das Gitter kann alternativ auch ein Brechungsindex- oder ein Absorptionsgitter sein. Ein solches wird beispielsweise holographisch durch Bestrahlen eines mit einem Farbstoff dotierten Films mit gekreuzten Laserstrahlen erzeugt. Der Film besteht beispielsweise aus mit Azobenzol- Farbstoffen dotiertem Polymethylmethacrylat (PMMA) und be­ sitzt eine Dicke von 500 nm. Bei diesem Aufbau ist der Film der Träger einer Wellenleitermode (WM). Es ist auch die ho­ lographische Erzeugung eines Brechungsindexgitters in einer Silberschicht durch Bestrahlung mit UV-Licht möglich.

Fig. 3 illustriert eine Ausführungsform der Erfindung, die zur Bestimmung des Quellgrades einer Probe (Adsorbatschicht 9) mit einer Reflektivitätsmessung ausgelegt ist. Das Sub­ strat 10 mit der Platte 1, den oberen und unteren Elektroden 2, 3 und dem Gitter 6 sind in schematischer Schnittansicht dargestellt. Die Elektroden 2, 3 sind mit einem Impedanzana­ lysator 20 verbunden. Einzelheiten der Anbringung des Sub­ strates 10 in einer Halterung in einem Probenraum sind an sich von Schwingquarz-Mikrowaagen bekannt und daher in Fig. 3 nicht dargestellt. Die Schritte zur Justierung des Substra­ tes 10 relativ zur Beleuchtungsrichtung werden anwendungsab­ hängig gewählt. Die Justierung erfolgt unter Bezug auf eine Markierung auf der Substratoberfläche (siehe unten) oder durch eine optische Messung (zum Beispiel unter Verwendung gekreuzter Polarisatoren, siehe oben).

Das Anregungslicht 7 wird mit einer verschwenkbaren Licht­ quelle 30 auf das Substrat 10 gerichtet. Die Lichtquelle 30 ist vorzugsweise eine monochromatische Lichtquelle (z. B. Weißlichtquelle mit spektral-selektivem Element oder Laser). Die Lichtquelle 30 ist bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung relativ zum Substrat 10 verschwenkbar angeordnet. Es wird vorzugsweise eine goniometrische Drehteller- oder Dreharm-Anordnung verwendet, in deren Drehpunkt die Oberflä­ che des Substrats 10 positioniert ist. Bei alternativen Aus­ führungsformen ist die Lichtquelle relativ zum Substrat 10 fixiert. Die Reflektivität wird an der Probe mit festem Ein­ fallswinkel und fester Wellenlänge gemessen. Falls die Re­ flektivitätskurve aus Vergleichsmessungen (Referenzwerte) quantitativ bekannt ist, kann aus dem gemessenen Reflektivi­ tätswert der Koppelwinkel ermittelt werden. Die fixierte An­ ordnung wird auch bei Ermittlung der Koppelbedingung unter Wellenlängenvariation oder Drehung des Substrats 10 reali­ siert. Die Probe wird breitbandig mit einer Lampe beleuchtet und die Wellenlänge, die zur Kopplung und OP-Anregung führt, wird durch Spektralanalyse des reflektierten oder gestreuten Lichtes ermittelt. Die Bestimmung der Einfalls- bzw. Beobach­ tungswinkel bei der optischen Messung basiert auf der Ein­ stellung der Dreharm-Anordnung, ggf. unter Berücksichtigung des Brechungsgesetzes bei Messung in flüssigen Medien.

Das reflektierte Licht 8 wird mit einer Detektoreinrichtung 40 aufgenommen. Die Detektoreinrichtung 40 ist bei der Aus­ führungsform mit verschwenkbarer Lichtquelle 30 ebenfalls re­ lativ zum Substrat 10 in der gleichen Ebene wie die Licht­ quelle 30 verschwenkbar angeordnet. Es wird vorzugsweise eine weitere Schwenkeinrichtung (z. B. Drehtellereinrichtung) ver­ wendet, die mit der Schwenkeinrichtung der Lichtquelle 30 zu­ sammenwirkt, so daß bei Verschwenken der Lichtquelle 30 um einen Winkel ΔΘ die Detektoreinrichtung 40 um einen Winkel 2ΔΘ geschwenkt wird. Damit wird sichergestellt, daß der Ein­ fallswinkel Θ mit dem Detektionswinkel Θ' übereinstimmt. Bei den anderen Ausführungsformen kann auch mit feststehender Sektoreinrichtung gemessen werden. Ggf. ist eine Schwenkein­ richtung zur Verdrehung des Substrats in der Probenebene vor­ gesehen.

Die Detektoreinrichtung 40 ist ein optisches Reflektometer. Falls als Lichtquelle 30 eine Weißlichtquelle verwendet wird, ist die Detektoreinrichtung 40 zusätzlich mit einem Spektro­ meterteil zur spektral-selektiven Erfassung des reflektierten Lichtes ausgestattet.

Mit dem Impedanzanalysator 20 wird die Frequenzabhängigkeit der Impedanz des Resonators aus Elektroden und Platte aufge­ nommen. Es werden die Resonanzfrequenz f_res und ggf. weitere Parameter der Frequenzabhängigkeit aufgenommen. Aus der Reso­ nanzfrequenz wird die mit dem Substrat 10 mitbewegte Masse (akustische Dicke) des Adsorbats 9 ermittelt. Bei einer al­ ternativen Ausführungsform ist der Schwingquarz Teil einer Oszillatorschaltung, die auf der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes schwingt. Der Ausgang der Oszillatorschaltung wird einem Frequenzzähler zugeführt. Aus dem aktuellen Zähl­ ergebnis wird wiederum die akustische Dicke des Adsorbats (Probe 9) gemessen.

An der identischen Probe 9 wird simultan zur Frequenzmessung oder in unmittelbarer zeitlicher Nachbarschaft die Reflekti­ vität R in Abhängigkeit vom Einfallswinkel Θ aufgenommen und der Koppelwinkel Θ_c ermittelt. Aus diesem wird mit einer (nicht dargestellten) eine Auswertungseinrichtung (Rechenein­ richtung) die optische Dicke der Probe 9 berechnet. Aus den Werten der mitbewegten Masse bzw. akustischen Dicke und der optischen Dicke wird durch Quotientenbildung der Quellgrad der Probe 9 berechnet.

Bei der Auswertung der Frequenzabhängigkeit der Leitfähigkeit G kann auch die Messung der Resonanzbreite und/oder der ver­ schiedenen Obertöne der Resonanzfrequenz vorgesehen sein. Die Messung dieser Parameter ist an sich bekannt (siehe D. Jo­ hannsmann in "Macromol. Chem. Phys." Band 200, 1999, Seite 501 ff.) und dient der Gewinnung zusätzlicher Informationen über die Viskoelastizität und den Quellgrad des Adsorbats. Die genannte Publikation von D. Johannsmann wird hiermit vollständig in die vorliegende Beschreibung einbezogen.

Eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Substrats be­ steht in der Bereitstellung mindestens eines zweiten Elektro­ denpaares auf der gleichen Platte, die auch das Elektroden­ paar mit dem Gitter trägt. Dies erlaubt die Bereitstellung einer inneren Referenz, die im Gebrauchsmuster DE-GM 299 21 039 beschrieben ist. Dieses Gebrauchsmuster wird hier­ mit vollständig in die vorliegende Beschreibung einbezogen. Die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares sind so beschich­ tet, daß die zu analysierende Substanz nicht spezifisch an­ bindet. Eine Frequenzverschiebung des Referenzelektrodenpaa­ res kann daher nur von unspezifischen Adsorptionen, Tempera­ tureffekten oder Viskositätseffekten hervorgerufen werden. Diese Störeffekte können bei der Erfassung der akustischen Dicke der Probe abgezogen werden. Bei der Bereitstellung ei­ ner inneren Referenz können beide Resonatoren elektronisch mit einem Zwei-Kanal-Impedanzanalysator separat angesprochen werden. Es kann alternativ auch vorgesehen sein, daß die E­ lektroden so dicht beieinander angebracht sind, daß sie mit­ einander koppeln. Über die frequenzabhängige Transmission des gekoppelten Systems können dann beide Resonanzen auf einem Kanal vermessen werden.

Gemäß einer weiteren Abwandlung der Erfindung kann ein Schwingquarz auf seiner Oberfläche, die die gitterförmige Strukturierung trägt, mit einer Markierung versehen sein, mit der die Ausrichtung des Gitters visuell sichtbar gemacht wird die Markierung wird zum Beispiel durch eine streifen­ förmige Ausgangsschicht gebildet.

Neben allen herkömmlichen Aufgabenstellungen zur Dickenmes­ sung oder Massenmessung adsorbierter, schichtförmiger Proben besteht eine bevorzugte Anwendung der Erfindung im Bereich der chemischen und biologischen Sensorik. Mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren wird bspw. die Konzentration eines Analyten über seine spezifische Absorption an entsprechend präparier­ ten Festkörperoberflächen (präparierte Elektroden) gemessen. Es bestehen Anwendungen in der Gas-Sensorik und in der Flüs­ sigkeits-Sensorik.

Eine weitere Anwendung der Erfindung besteht in der Charakte­ risierung einer Schichtbildung durch eine Reflektivitäts- o­ der Streulichtmessung unter konstantem Einfallswinkel. Bei Erreichen des Reflektivitätsminimums oder Streulichtmaximum wird die Bildung eines entsprechenden Dickenwertes erfaßt, woraufhin anwendungsabhängig bestimmte Maßnahmen (z. B. Wech­ sel der Umgebungslösung, Zufuhr weiterer Substanzen) ergrif­ fen werden können.

Fig. 4 illustriert beispielhaft die Charakterisierung der Adsorption von Streptavidin an Monoschichten aus Alkylthio­ len, die mit Biotin behandelt sind. Die Monoschichten sind als spezifische Bindungsschichten auf der strukturierten E­ lektrode eines erfindungsgemäßen Schwingquarzes gebildet. So­ bald eine Pufferlösung, die den Schwingquarz umgibt, durch eine Streptavidinlösung (10^-6 M) ersetzt wird (Zeitpunkt 0), steigt mit zunehmender Adsorption der Koppelwinkel der Plas­ monenanregung (oberstes Teilbild), wobei sich die normierte Resonanzfrequenzverschiebung (δf/f) simultan verändert (mitt­ leres Teilbild). Das unterste Teilbild von Fig. 4 zeigt die aus den Koppelwinkeln bzw. Resonanzfrequenzverschiebungen be­ rechneten, sich im Zeitverlauf ändernden Werte der optischen Dicke (d_o) bzw. der akustischen Dicke (d_a). Es zeigt sich, daß die akustische Dicke kleiner als die optische Dicke ist, was mit an der Oberflächenrauhigkeit erklärt wird. Die akus­ tische Dicke steigt nach ungefähr 30 Minuten nicht weiter. Dies entspricht dem Erreichen einer Adsorbatdicke von rund 4 nm entsprechend dem Durchmesser des Streptavidinmoleküls. Nach vollständiger Bedeckung der bindungsspezifischen Monola­ gen erfolgt keine weitere Adsorption. Andererseits steigt die optische Dicke weiter, was durch eine Verdichtung der Adsor­ batschicht während des Adsorptionsprozesses erklärt wird. Dieses Beispiel zeigt die hervorragende Eignung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens zur Charakterisierung eines Adsorpti­ onsvorganges an einem Biosensor.

Claims (23)

1. Verfahren zur Charakterisierung der Massenbelegung einer Probe (9) auf einem mit einer metallischen Beschichtung ver­ sehenen, schwingfähigen Substrat (10), wobei eine elektrische Anregung von Hochfrequenzschwingungen des Substrates (10) und eine Messung der massenbelegungsabhängigen Resonanzfrequenz des Substrats (10) erfolgen und aus der Resonanzfrequenz die akustische Dicke der Probe (9) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der mit der Probe (9) belegten metallischen Beschichtung die Erfüllung einer Koppelbedingung zur Anregung von opti­ schen Resonanzen durch eine Reflektivitäts- und/oder eine Streulichtmessung bestimmt und aus der Koppelbedingung die optische Dicke der Probe (9) ermittelt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem zur Reflektivitäts- und/oder Streulichtmessung eine Bestrahlung der Probe (9) un­ ter Variation der Richtung und/oder Wellenlänge der Bestrah­ lung erfolgt und für die Auswertung der Koppelbedingung der Koppelwinkel (Θ_c) und/oder die Koppelwellenlänge zur Anregung von Oberflächenplasmonen oder Wellenleitermoden in der metal­ lischen Beschichtung ermittelt werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem zur Ermittlung des Koppelwinkels (Θ_c) ein simultanes Verschwenken einer Licht­ quelle (30) zur Bestrahlung des Substrats (10) und einer De­ tektoreinrichtung (40) zur Messung des am Substrat (10) re­ flektierten oder gestreuten Lichtes (8) erfolgen.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem zur Ermittlung des Koppelwinkels (Θ_c) ein Verdrehen des Substrats (10) relativ zu einer feststehenden Lichtquelle (30) zur Bestrahlung des Substrats (10) und einer feststehenden Detektoreinrichtung (40) zur Messung des am Substrat (10) reflektierten oder ge­ streuten Lichtes (8) erfolgt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem zur Reflektivitäts- und/oder Streulichtmessung eine Bestrahlung der Probe (9) mit einer bestimmten Bestrahlungsrichtung erfolgt und bei erfüll­ ter Koppelbedingung aus der gemessenen Reflektivität und/oder Streulichtintensität und Referenzwerten der Koppelwinkel (Θ_c) zur Anregung von Oberflächenplasmonen oder Wellenleitermoden in der metallischen Beschichtung ermittelt wird.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Substrat (10) ein Schwingquarz einer Schwingquarz- Mikrowaage verwendet wird, der auf mindestens einer Oberflä­ che im Bereich einer Elektrode (2) in Form eines Gitters (6) strukturiert ist, und die Reflektivitäts- oder Streulichtmes­ sung an der Elektrode (2) im Bereich des Gitters (6) erfolgt.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat in einem flüssigen Medium angeordnet ist, und die Probe (9) eine aus dem flüssigen Medium auf dem Sub­ strat (10) gebildete Adsorbatschicht ist.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem aus den Werten der akustischen Dicke und der optischen Dicke der Quellgrad der Adsorbatschicht ermittelt wird.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem eine Adsorptionsmessung zur Erfassung der Adsorption einer im flüssigen Medium gelösten Substanz am Substrat (10) erfolgt.

10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die akustische Dicke und die optische Dicke gleichzeitig gemessen werden.

11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung des Substrats (10) von der Rückseite er­ folgt, die der Probe (9) gegenüberliegt.

12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem weitere Schwingungseigenschaften des Substrats (10) zur Ermittlung von viskoelastischen Eigenschaften der Probe (9) bestimmt werden.

13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem am Substrat (10) eine massenbelegungsunabhängige Refe­ renzfrequenzmessung vorgesehen ist.

14. Vorrichtung zur Charakterisierung der Massenbelegung ei­ ner Probe (9) auf einem mit einer metallischen Beschichtung versehenen, schwingfähigen Substrat (10), mit einer Schwing­ quarz-Mikrowaage, die zur Messung der akustischen Dicke der Probe (9) eingerichtet ist, gekennzeichnet durch
eine Beleuchtungseinrichtung zur Bestrahlung der mit der Pro­ be (9) belegten metallischen Beschichtung,
eine Detektoreinrichtung (30, 40) zur Reflektivitäts- und/oder Streulichtmessung an der mit der Probe (9) belegten metallischen Beschichtung und zur Erfassung einer erfüllten Koppelbedingung zur Anregung von optischen Resonanzen in der metallischen Beschichtung, und
eine Auswertungseinrichtung zur Ermittlung der optischen Di­ cke der Probe (9) aus der Koppelbedingung.

15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei dem das Substrat (10) einen Aufbau mit einer Platte (1) aus einem piezoelektrischen Material und mindestens einem Elektrodenpaar mit schichtför­ migen Elektroden (2, 3) umfasst, wobei die Platte (1) und/oder eine der Elektroden (2) mindestens auf einer Seite ein Korrugationsgitter (6) zur Erzeugung von Oberflächenplas­ monen oder Wellenleitermoden in der Oberfläche von der Elekt­ rode (2) aufweist.

16. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15, bei dem das Korrugationsgitter (6) ein eindimensionales Linien­ gitter ist.

17. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem das Korrugationsgitter (6) durch eine Strukturierung der Platte (1), eine Strukturierung der Elektrode (2) oder eine strukturierte Zwischenschicht zwischen der Platte (1) und der Elektrode (2) gebildet wird.

18. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem ein weiteres Elektrodenpaar zur Bereitstellung einer inneren Referenz auf der Platte (1) vorgesehen ist.

19. Schwingquarz für eine Schwingquarz-Mikrowaage, der einen Aufbau aus einer Platte (1) und mindestens einem Elektroden­ paar mit schichtförmigen Elektroden (2, 3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) und/oder eine der Elektroden (2) auf mindes­ tens einer Seite eine Strukturierung derart aufweist, daß bei Bestrahlung der Elektrode (2) auf der strukturierten Seite in der Oberfläche der Elektrode (2) Oberflächenplasmonen oder Welleleitermoden anregbar sind.

20. Schwingquarz gemäß Anspruch 19, bei dem die Strukturie­ rung durch ein eindimensionales Korrugationsgitter gebildet wird.

21. Schwingquarz gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem mindes­ tens ein weiteres Elektrodenpaar als innere Referenz vorgese­ hen ist.

22. Schwingquarz gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem die Elektrode (2) auf der strukturierten Seite der Platte (1) eine bindungsaktive Beschichtung trägt.

23. Verwendung eines Verfahrens oder einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur biologischen oder che­ mischen Sensorik von Substanzen in flüssigen Medien.