DE102016007839A1

DE102016007839A1 - Hochauflösendes Verfahren zur Mikroskopie und Nanostrukturierung von Substratoberflächen basierend auf dem SIM-Verfahren (Structured Illumination Microscopy)

Info

Publication number: DE102016007839A1
Application number: DE102016007839.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2017-12-28

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Mikro- oder Nanoskopie, basierend auf dem SIM(Structured Illumination Microscopy)-Verfahren, vorgestellt, bei der als strukturierte Beleuchtung irgendeine beliebige Art von periodischem Lichtmuster angewandt wird. Es werden verschiedene periodische Lichtmuster diskutiert. Es wird der Spezialfall eines einfachen Lichtmusters bestehend aus geraden und zueinander parallelen Gitterlinien betrachtet, bei dem die Liniendicke und die Gitterkonstante gegen Unendlich geht. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden auch auf die Mikro- und Nanostrukturierung übertragen und angewandt, um im Bereich der Lithographie genau dieselben Probleme hinsichtlich des Auflösungsvermögens zu lösen, die auch bei der Mikroskopie eine Rolle spielen, und um im Bereich der Lithographie das Auflösungsvermögen zu verbessern, was auch in der Mikroskopie eine entscheidende Rolle spielt.

Description

Stand der Technik:
SIM:
Ein bekanntes hoch- oder superauflösendes Mikroskopieverfahren ist das sogenannte SIM(Structured Illumination Microscopy)-Verfahren beispielsweise beschrieben in EP 1 157 297 B1 sowie [1]–[5]. Dabei wird die zu mikroskopierende Oberfläche mit Licht in Form eines periodischen Streifenmusters (1) mit einer entsprechenden Periode a₁ mit dem Wellenvektor k_S = 2π/a₁ beleuchtet (strukturierte Beleuchtung), wodurch die Auflösung bedeutend erhöht werden kann. Dies lässt sich anschaulich im reziproken Raum (auch Fourierraum oder k-Raum genannt) mit Hilfe der Fouriertransformation erklären: Ohne das Streifenmuster besitzt die Oberfläche des zu mikroskopierenden Objekts ein Fourier-Spektrum, dessen Wellenvektoren sich im reziproken Raum alle innerhalb einer Zone, beispielsweise einer Kugel oder eines Kreises, befinden, die im reziproken Raum um den Ursprung des Wellenvektor-Koordinatensystems, dem sogenannten reziproken Koordinatensystem im Fourierraum, angeordnet ist (2). Aus Gründen der Einfachheit und Anschaulichkeit beziehen wir uns im Folgenden nur auf den zweidimensionalen Fall mit einem Kreis, was aber keine Beschränkung darstellen soll, sondern ausdrücklich gilt alles auch für den dreidimensionalen Fall mit einer Kugel. Durch die (sinusförmige) strukturierte Beleuchtung mit dem Streifenmuster wird dieser Kreis im reziproken Raum um den Wellenvektor k_S der strukturierten Beleuchtung verschoben, so dass sie nicht mehr konzentrisch um den Ursprung des reziproken Koordinatensystems im Fourierraum angeordnet ist, sondern in seinem ersten Quadranten. Dadurch werden sämtliche k-Vektoren des Fourierspektrums innerhalb des Kreises mit dem Wellenvektor k_S der strukturierten Beleuchtung vektoriell addiert, so dass als Resultat dieser Vektoraddition sämtliche k-Vektoren eine größere Länge bzw. höheren Betrag besitzen und somit eine kleinere Wellenlänge λ wegen k = 2π/λ. Eine niedrigere Wellenlänge bedeutet aber nach Abbé eine höhere Auflösung wegen d = λ/NA = λ/(n·sinα) (mit d = minimaler beobachtbarer Abstand, NA = (n·sinα) numerische Apertur, n = Brechungsindex), so dass durch die strukturierte Beleuchtung die optische Auflösungsgrenze nach unten verschoben wird. Man kann diesen Effekt auch einfach experimentell beobachten (Moirée-Effekt). Wie bereits oben ausführlich beschrieben, wird beim SIM-Verfahren die Oberfläche der zu untersuchenden Probe mit Licht in Form eines periodischen Musters, meist eines einfachen periodischen Streifen- oder Linienmusters, insbesondere eines einfachen Liniengitters, welches aus geraden und zueinander parallelen Linien mit einem Abstand a₁ zueinander besteht (wie in 1 gezeigt), beaufschlagt, um die Auflösung zu erhöhen. Bei dem periodischen Muster muss es sich aber nicht unbedingt immer um ein einfaches Liniengitter handeln; jede andere Form von periodischem Muster ist ebenfalls denkbar: beispielsweise auch schiefe oder krumme oder gebogene Linien, die zueinander parallel sind oder ein Kreuzgitter, oder mehrere Streifengitter, die ineinander verschachtelt oder verkettet sind, oder Gitter aus Streifen, die eine innere (periodische) Struktur besitzen und deren Intensitätsprofil von einem Stufen- oder Kastenprofil abweicht und beispielsweise ein Gauß-, Doppelgauß- oder Lorentzprofil besitzt, oder die innerhalb eines Streifens eine oder mehrere Nullstellen besitzen, oder Linien, die zueinander abwechselnd einen ersten Abstand d₁ und dann einen zweiten Abstand d₂ besitzen, d. h. zwischen denen der Abstand zur benachbarten Linie abwechselnd d₁ und d₂ beträgt (siehe 3), oder andere periodische Strukturen wie kachelartige oder rautenartige Muster oder Punktmuster (z. B. hexagonale, kubische oder rechteckige Anordnung von dünnen und/oder dicken Punkten (d. h. von Punkten mit unterschiedlichen Durchmessern)); oder anstelle von Punkten können auch Kreise periodisch angeordnet sein, wobei die Kreise verschiedene Füllungen (homogen oder heterogen, mit oder ohne eine innere periodische Struktur) oder gar keine Füllungen besitzen können, oder die Kreise besitzen unterschiedliche Durchmesser, wobei sich kleine und große Kreise miteinander abwechseln. Anstelle von Kreisen oder Punkten können auch andere geometrische Figuren wie Dreiecke, Rechtecke, Quadrate, Polygone u. a. mit beliebigem Inhalt oder Füllungen verwendet werden. Auch dreidimensionale Strukturen (beispielsweise ein räumliches Gittermuster aus Linien oder ein kubisches Punktmuster analog der Bravais-Gitter wie beispielsweise sc-, bcc- oder fcc-Kristallstrukturen oder hexagonale Kristallsysteme bekannt aus der Festkörperphysik, deren Eckpunkte durch einfache Punkte oder durch geometrische Körper wie bspw. Kugeln, Ellipsen, Würfel, Quader, Tetraeder, Oktaeder, Prismen, Pyramiden, Spate oder andere Polyeder mit beliebigem Inhalt oder Füllungen besetzt werden) sind denkbar und einsetzbar. Auch konzentrische Ringe erscheinen für spezielle Anwendungen möglich und sinnvoll. Außerdem sind die inversen oder komplementären Gegenstücke sämtlicher oben aufgeführter periodischer Muster selber als periodische Muster für die strukturierte Beleuchtung des SIM-Verfahrens einsetzbar, d. h. anstelle eines Punktmusters ein Muster ähnlich einem Locharray, bei dem nicht die Punkte intransparent und die Zwischenräume transparent sind, sondern umgekehrt, die Punkte oder Kreise sind transparent und die zwischen ihnen liegenden Zwischenräume sind nicht transparent. Ein paar Beispiele sind in den Patentschriften DE 10 2011 114 500 A1 , WO 2010/101894 A2 , DE 10 2012 017 917 A1 , US 2015/0211997 A1 , US 6 239 909 B1 , US 2016/0062102 A1 und DE 10 2013 017 468 A1 aufgeführt. Mittels einer zeitaufgelösten Detektion lässt sich mittels der SIM-Methode auch der zeitliche Verlauf von Vorgängen untersuchen (zeitaufgelöstes SIM), indem als strukturierte Beleuchtung der SIM-Methode bewegte periodische Muster wie beispielsweise sich bewegende Streifenmuster verwendet werden können, wobei das sich bewegende Streifenmuster ein Gitter z. B. bestehend aus geraden und zueinander parallelen Linien darstellt. Die Bewegung des periodischen Musters erfolgt dann senkrecht oder parallel oder in einem beliebigen Winkel zu der Längserstreckung der Gitterlinien, indem sie scannend über die Probenoberfläche bewegt werden bzw. die Probenoberfläche kann unter ein räumlich feststehendes Muster hindurch bewegt werden ( DE 11 2009 005 521 A5 ). Die Relativbewegung kann auch realisiert werden, indem beides, die Probenoberfläche und das periodische Muster, gleichzeitig zueinander bewegt wird. Die Bewegung kann entweder diskret oder kontinuierlich erfolgen. Im Falle der diskreten Bewegung des periodischen Musters relativ zur untersuchenden Probenoberfläche kann die einzelne Schrittweite des diskreten Bewegungsvorganges geringer als die optische Auflösungsgrenze sein (Overlapping und Überabtastung), so dass ein überbestimmtes Gleichungssystem entsteht und um dann aus vielen Einzelbildern ein Gesamtbild mit stark erhöhter Auflösung zu rekonstruieren. Dies kann man als Kombination des SIM-Verfahrens mit der Airy-Scan-Mikroskopie-Methode (siehe EP 2 317 362 A1 , US 5 043 570 A , DE 10 2014 111 167 A1 ) interpretieren. Auch ein sich zeitlich veränderndes periodisches Muster kann als strukturierte Beleuchtung des SIM-Verfahrens angewandt werden, indem sich beispielsweise die Form des periodischen Musters ändert, indem beispielsweise ein Liniengitter bestehend aus geraden und zueinander parallelen Linien sich um eine Achse dreht oder aus den geraden Linien gebogene Linien werden, die aber zueinander parallel bleiben, oder aus einem Liniengitter entstehen konzentrische Ringe oder die Streifenbreite (Breite der Linien) des Streifenmusters bzw. des Liniengitters verändern sich, indem sie sich mit der Zeit verbreitern oder dünner werden. Somit kann im Verlauf des Messvorgangs die Auflösung bezüglich seines Wertes und/oder Richtung verändert werden. Auch hier kann die zeitliche Veränderung kontinuierlich oder diskret oder abwechselnd kontinuierlich und diskret erfolgen. Dabei kann dann das periodische Muster unbewegt über der Probenoberfläche ruhen oder über die Probenoberfläche hinweg bewegt werden, oder die Probenoberfläche kann bewegt werden oder beides, die Probenoberfläche und das periodische Muster, kann gleichzeitig relativ zueinander bewegt werden, indem beides in dieselbe oder genau entgegengesetzte Richtung und quer zueinander bewegt wird. Optional kann die strukturierte Beleuchtung mit energiereichem UV-Licht durchgeführt werden, so dass die strukturiert beleuchteten Stellen auf der Probenoberfläche zur Fluoreszenz, Lumineszenz oder Phosphoreszenz angeregt werden, was zur Erhöhung der Messempfindlichkeit beitragen kann. Dabei kann es sich entweder um Eigenfluoreszenz oder um durch vorher auf der Probenoberfläche immobilisierte Fluorophore oder Luminophore erzeugte Fluoreszenz oder Lumineszenz handeln. Optional kann das periodische Muster auf der Probenoberfläche eine photo-induzierte Reaktion auslösen und somit die Probenoberfläche reversibel oder irreversibel ändern, modifizieren und/oder abtragen. Das kann entweder die Oberflächentopographie oder Oberflächenmorphologie betreffen und/oder die lokalen physikalischen/chemischen Eigenschaften der Probenoberfläche. Dies ist besonders der Fall, wenn als strukturiertes Beleuchtungslicht energiereiches UV-Licht verwendet wird oder die Probenoberfläche mit geeigneten Photoinitiatoren versehen wird. Dieses hybride Verfahren, bei dem eine hochauflösende Mikroskopiemethode mit einem lokalen Modifizierungs- oder Abtragungsprozess des Materials kombiniert wird, eben weil die einfallenden Lichtquanten der Messstrahlung absichtlich mit dem Probenmaterial wechselwirken und dieses reversibel oder irreversibel verändern/modifizieren/abtragen, kann auch mit anderen hochauflösenden Mikroskopiemethoden wie STED, RESOLFT, PALM oder STORM kombiniert werden, da man in einigen Fällen eben keine zerstörungsfreie Messung benötigt.
Aufgabenstellung:
Es wird ein Verfahren vorgestellt, welches auf dem SIM-Verfahren beruht, jedoch mit einem viel geringeren Aufwand durchgeführt werden kann. Dafür wird eine im Vergleich zum konventionellen SIM-Verfahren schlechtere Auflösung in Kauf genommen.
Allgemeiner Lösungsweg:
Bei dem klassischen SIM-Verfahren wird die Probe mit einem einfachen Liniengitter als periodisches Muster beaufschlagt. Es ist aber auch denkbar, dass man alle anderen möglichen periodischen Strukturen als periodisches Muster verwenden kann, mit dem man die Probe beaufschlagen kann. Dies können alle die weiter oben unter dem Kapitel „Stand der Technik” beschriebenen periodischen Muster sein, beispielsweise auch schiefe Linien, die zueinander parallel sind oder ein Kreuzgitter oder andere periodische Strukturen wie kachelartige oder rautenartige Muster. Die entsprechenden Auswirkungen im Fourierraum bei Beaufschlagung solcher Muster auf die Probenoberfläche soll im Folgenden untersucht werden. Aufgrund der Vorgehensweise wird dieses erfindungsgemäße Verfahren im Folgenden auch als verallgemeinertes SIM oder extended SIM oder einfach kurz als eSIM abgekürzt.
Spezielle Ausführungsbeispiele:
Man stelle sich zwei gleiche periodische Linienlichtmuster in Form von einfachen Liniengittern mit der Gitterkonstanten a₁ vor, die jedoch zueinander um 90° Grad gedreht sind und somit zueinander senkrecht stehen (1 und 4). Das erste einfache Liniengitter (1) besitzt im reziproken Raum ein reziprokes Muster wie in 2 gezeigt, während das zweite einfache Liniengitter (4) im reziproken Raum ein reziprokes Muster besitzt wie in 5 gezeigt. Wenn das erste einfache Liniengitter (1) und das zweite einfache Liniengitter (4) sich beide gegenseitig überlagern, dann ergibt dies zusammen ein Kreuzgitter (6), da die einzelnen Linien der beiden Liniengitter (1 und 4) senkrecht aufeinander stehen. Verwendet man im SIM-Verfahren zur strukturierten Beleuchtung anstelle eines einfachen Liniengitters (1 und 4) ein Gitternetzwerk oder ein Kreuzgitter (6), mit dem man die Probenoberfläche beaufschlagt, und bleiben die sonstigen Verfahrensschritte des SIM-Verfahrens dieselben, so verschiebt sich im reziproken. Raum der Kreis entlang der k_y-Achse, und zwar aus folgendem Grunde: das Kreuzgitter (6) kann man sich zusammengesetzt denken aus zwei unabhängige Liniengitter (1 und 4), die zueinander senkrecht stehen. Beide Liniengitter entsprechen im reziproken Raum jeweils einem Wellenvektor oder Verschiebungsvektor k_s (7): das erste Liniengitter (1) wird dem Verschiebungsvektor k_s1 und das zweite Liniengitter (4) wird dem Verschiebungsvektor k_s2 zugeordnet. Beide Verschiebungsvektoren k_s1 und k_s2 stehen senkrecht aufeinander. Wenn beide Verschiebungsvektoren k_s1 und k_s2 vektoriell miteinander addiert werden, ergeben sie einen resultierenden Verschiebungsvektor k_sr, der aus symmetrischen Gründen parallel zur k_y-Achse orientiert oder ausgerichtet ist. Dadurch wird der Kreis entlang der k_y-Achse verschoben, und zwar um den Betrag, die der vektoriellen Addition der beiden Verschiebungsvektoren k_s1 und k_s2 entspricht (7). Da der Betrag des resultierenden Verschiebungsvektors k_sr höher ist als die Einzelbeträge der beiden Verschiebungsvektoren k_s1 und k_s2, ist im Falle der Beaufschlagung bzw. Beleuchtung mit dem Kreuzgitter eine erhöhte optische Auflösung verbunden.
Wird nun bei den beiden Liniengittern, aus denen das Kreuzgitter zusammengesetzt ist, der periodische Abstand zwischen den einzelnen zueinander parallelen Linien von a₁ auf a₂ erhöht, so vergrößert sich automatisch die Fläche der einzelnen Gittermaschen des Kreuzgitters oder Gitternetzes (8). Dies macht sich im reziproken Raum wie folgt bemerkbar: die entsprechenden reziproken Verschiebungsvektoren k_s1 und k_s2 verkürzen sich, und aufgrund ihrer verkürzten Länge besitzt der resultierende Verschiebungsvektor k_sr ebenfalls eine geringere Länge. Somit rückt der Kreis entlang der k_y-Achse wieder näher an den Ursprung des reziproken Koordinatensystems heran. Damit verbunden ist eine Reduzierung der optischen Auflösung, d. h. eine Verminderung des optischen Auflösungsvermögens geht damit einher. Wird der Abstand der zueinander parallelen Linien des Liniengitters immer weiter erhöht, und zwar in beiden senkrecht zueinander stehenden Richtungen, so rückt der Kreis immer weiter an den Ursprung des reziproken Koordinatensystems heran, wird aber diesen niemals erreichen, so dass die Auflösung immer zumindest ein wenig höher ist als bei Nicht-Beaufschlagung mit einem periodischen Linienmuster.
Im Weiteren lassen sich nun zwei Fälle unterscheiden:
Im ersten Fall bleiben die Linien des Gitternetzes dünn, d. h. die Linien besitzen eine geringe Liniendicke oder eine geringe Linienbreite (6). Im Idealfall ist die Liniendicke oder die Linienbreite unendlich dünn. In diesem Fall kann man sich die Fouriertransformierte als eine Überlagerung von zwei harmonischen Schwingungen mit gleicher Frequenz und gleichem Betrag der komplexen Amplitude, aber mit unterschiedlicher Orientierung und unterschiedlicher räumlicher Phase vorstellen. Im zweiten Falle vergrößern wir die Dicke der Linien des Gitternetzes, d. h. wir erhöhen die Linienbreite (10). Im Falle der großen Liniendicken kann man das Kreuzgitter mit breiten Linien als eine Überlagerung von mehreren zweidimensionalen Rechteck(schwingungs)funktionen auffassen, die in der zweidimensionalen Ebene überlagert worden sind. Die Fourier-Reihenentwicklung einer Rechteckschwingung besteht aus mehreren diskreten harmonischen Schwingungen mit unterschiedlicher Frequenz und unterschiedlicher (komplexer) Amplitude [6]: f_rechteck(t) = (4/π)·sin(ω₀t) + (4/3π)·sin(3ω₀t) + (4/5π)sin(5ω₀t) + ... (1)
Man kann die Rechteckschwingungsfunktion als eine Überlagerung (Superposition) von mehreren unterschiedlichen harmonischen Schwingungen mit unterschiedlicher Frequenz und gewichtet mit unterschiedlicher Amplitude auffassen.
Um die Zusammenhänge im reziproken Raum zu diskutieren, verbreitern wir weiter die Linien des Kreuzgitters und drehen es mit den sehr breiten Linien um 45°, damit man die Situation im reziproken Koordinatensystem besser darstellen kann (11). Fasst man eine dicke Linie des Liniengitters als ein Rechteckschwingungsprofil auf, so kann man den Vektor k_s im Fourierraum sich durch mehrere diskrete Vektoren k_sn ersetzt denken, wobei jeder einzelne einer einzelnen diskreten harmonischen Schwingung entspricht, aus der die Rechteckschwingung zusammengesetzt wird (siehe Formel (1)). Folglich verschmiert der Kreis im reziproken Raum zu einem länglichen ellipsenähnlichen Gebilde mit relativ unscharfen Grenzen, da der Betrag der komplexen Amplituden mit zunehmender Frequenz abnimmt, so dass vom reziproken Koordinatenursprung weg die Amplitude des Fourierspektrums (und somit die Amplitude oder Intensität der einzelnen Punkte im Fourierspektrum) abnimmt (12). Die Erhöhung der Linienbreite des Kreuzgitters kann man auch anders interpretieren: wenn die Liniendicke des Kreuzgitters erhöht wird, dann kann man sich dies auch so vorstellen, als ob unendlich viele identische Gitternetzwerke mit unendlich dünner Liniendicke, die räumlich zueinander phasenverschoben sind, überlagert worden sind (13). Alle diese Gitternetzwerke besitzen als Fouriertransformierte jeweils lediglich eine harmonische Schwingung mit derselben Frequenz und einem gleichen Amplitudenbetrag, allerdings unterscheiden sie sich hinsichtlich der Phase ihrer komplexen Amplitude. Im reziproken Koordinatensystem stellt sich die Situation wie folgt dar: Man betrachte die reelle k_x, k_y-Ebene. Man nehme an, dass für ein bestimmtes einzelnes Gitternetzwerk, welches wir hier mit G1 bezeichnen, die komplexe Amplitude eine Phase gleich 0 besitze, so dass die komplexe Amplitude der Fouriertransformierten reell sei. Dies bedeutet, dass die Amplitude oder Intensität des dazugehörigen Punktes im Fourierspektrum innerhalb des Kreises ebenfalls reell ist. Für ein anderes Gitternetzwerk G2, welches zum Gitternetzwerk G1 räumlich phasenverschoben ist, besitzt die komplexe Amplitude eine andere Phase ungleich 0, so dass sie somit einen imaginären Anteil besitzt; folglich besitzt der dazugehörige Punkt im Fourierspektrum innerhalb des Kreises eine Amplitude mit einem imaginären Anteil. An diesem Beispiel erkennt man, dass sich innerhalb des Fourierspektrums die Zusammensetzung der komplexen Amplitude aus realem und imaginärem Anteil ändert, wenn man zum Ursprung des reziproken Koordinatensystems hin- oder von ihm weggeht, d. h. der Realanteil und der Imaginäranteil an der komplexen Amplitude ändert sich, wenn man innerhalb des Fourierspektrums sich vom Ursprung des reziproken Koordinatensystems hin- oder wegbewegt. Daraus ergibt sich wieder dasselbe Ergebnis wie das bereits oben diskutierte bezüglich der Rechteckschwingungsfunktion: der Kreis, in dem sich das Fourierspektrum befindet, wird zu einem länglichen ellipsenähnlichen Gebilde mit einem verschmierten Rand deformiert. In diesem Zusammenhang kann man sich auch verschiedene Varianten vorstellen, beispielsweise Kreuzgitter zusammengesetzt aus einzelnen Gitternetzwerken, die nicht identisch sind, sondern sich hinsichtlich der Gitterkonstante, Linienbreite und/oder Linienamplitude- oder Linienintensität voneinander unterscheiden. Eventuell kommt es durch die periodisch wiederkehrenden Verdichtungen und Verdünnungen der Liniendichte der übereinander gelegten Gitternetzwerke zu einer Art von Schwebung oder einem Moirée-ähnlichen Muster. Im reziproken Raum macht sich dies durch eine asymmetrische Deformation des Kreises bemerkbar. Ein sehr wichtiger Spezialfall stellt sich dar, wenn man den folgenden Grenzfall betrachtet: die Gitterkonstante a sowie die Liniendicke geht gegen Unendlich. Dann erhält man direkt über der Probenoberfläche eine strukturierte Beleuchtung, die durch die Heaviside-Funktion beschrieben werden kann (14a). Dies kann man praktisch realisieren, indem man über die Probenoberfläche einen massiven intransparenten Körper beispielsweise näherungsweise in Form eines Quaders positioniert (14b). Im reziproken Raum wird dann der Kreis zu einem unendlich langgestreckten ellipsenähnlichen Gebilde mit extrem unscharfen Rändern deformiert. Unter einem unscharfen oder verschmierten Rand oder Grenze ist gemeint, dass die komplexe Amplitude des Fourierspektrums der zu untersuchenden Probenoberfläche sich sowohl hinsichtlich ihrer Phase, ihres Betrages sowie der Anteile des Real- und Imaginärteils, aus denen sich die komplexe Amplitude zusammensetzt, kontinuierlich über einen ausgedehnten Bereich des reziproken Koordinatensystems verändert und nicht an einer Grenzlinie sprunghaft auf null absinkt. In jedem Fall aber besitzt dieses ausgedehnte, verschmierte, unscharfe und unendlich langgestreckte ellipsenähnliche Gebilde Wellenvektoren, die einen größeren Betrag besitzen als der ursprünglich um den Ursprung des reziproken Koordinatensystems konzentrisch angeordnete Kreis. Dies bedeutet, wenn ein massiver intransparenter Körper über eine zu untersuchende Probenoberfläche positioniert ist, so bewirkt dies eine Erhöhung des Auflösungsvermögens, insbesondere im Randbereich, also im Übergangsbereich zwischen massivem, intransparentem Körper und der zu untersuchenden Probenoberfläche. Diesen Effekt kann man auch wellenoptisch durch Beugung des Lichts ausgehend von der Probenoberfläche, und zwar am Rande des massiven intransparenten Körpers, veranschaulichen: der massive intransparente Körper liegt in Form eines plattenförmigen Gegenstandes vor, der direkt auf der zu untersuchenden Probenoberfläche positioniert wurde. Dann wird aus der Lichtwellenfront des von der Probenoberfläche ausgehenden Lichts in der Nähe zum Rand des plattenförmigen Gegenstands eben von diesem plattenförmigen Gegenstand kreis- oder kugelförmige Huygenssche Elementarwellen ausgeschnitten, so dass das im Randbereich des plattenförmigen Gegenstandes von der Probenoberfläche ausgehende Licht gebeugt wird, was eine Vergrößerung des Auflösungsvermögens bewirkt. Diesen Effekt kann man auch ganz einfach beobachten, und zwar wenn man mit einem Finger einen LCD- oder LED-Bildschirm berührt. Der LCD- oder LED-Bildschirm ist aus einer Vielzahl von Pixeln zusammengesetzt, die so klein sind, dass das bloße menschliche Auge diese in einem bestimmten Abstand nicht mehr auflösen kann. Der Finger stellt in diesem Experiment den massiven intransparenten Körper und die gepixelte Bildschirmoberfläche die zu untersuchende Probenoberfläche dar. Man erkennt sofort, dass man die einzelnen Bildschirmpixel in der Nähe oder am Fingerrand mit dem bloßen Auge besser erkennen kann als in weitem Abstand von dem Fingerrand, so dass man die einzelnen Bildschirmpixel nahe am Rande des Fingers sogar voneinander unterscheiden kann. Mittels Bewegung des Fingers lassen sich die einzelnen Bildschirmpixel sogar abzählen, was ohne Finger nicht möglich ist. Ohne den Finger vermag das menschliche Auge die einzelnen Bildschirmpixel nicht voneinander zu unterscheiden, woraus man schließen kann, dass die Auflösung im Bereich um die Fingerkuppe herum durch die Anwesenheit des Fingers sich sichtlich erhöht hat.
Mikro- und Nanostrukturierung:
Die oben diskutierten Effekte kann man nicht nur zur Erhöhung des Auflösungsvermögens von Mikroskopiemethoden verwenden, sondern auch zur Erhöhung des Auflösungsvermögens von optischen Verfahren zur Mikro- oder Nanostrukturierung oder Mikro- oder Nanofunktionalisierung von Oberflächen (bspw. eine lokale Modifizierung einer Substratoberfläche oder ein lokaler Materialabtrag (Ablation) von der Probenoberfläche, was normalerweise durch die optische Auslösungsgrenze nach Abbé oder Rayleigh begrenzt wird), wie beispielsweise im Falle von (photo-)lithographischen Methoden z. B. zur Herstellung von mikro- oder nanoelektronischen Schaltkreisen oder zur Erzeugung von Mikro- oder Nanostrukturen auf Substratoberflächen, indem die Oberflächenmorphologie oder Oberflächentopographie des Substrates gezielt und kontrolliert durch die Beaufschlagung von Lichtwellen oder Partikelstrahlung lokal verändert wird. In diesem Zusammenhang wird auf die Druckschrift DE 10 2015 015 497 verwiesen, in dem ein abgewandeltes STED-Verfahren zur superaufgelösten und hochpräzisen Bearbeitung von Materialien vorgestellt wird. Eine mögliche Ausführungsform eines superaufgelösten optischen Verfahrens zur lokalen Bearbeitung von einer Substratoberfläche unterhalb des optischen Auflösungsvermögens kann wie folgt aussehen: Man will eine Stelle auf einer Substratoberfläche mittels Beaufschlagung durch Licht lokal strukturieren oder modifizieren; diese Stelle wird im Folgenden auch Zielpunkt genannt. Dazu wird auf die Substratoberfläche ein intransparenter plattenförmiger Körper K1 aufgesetzt, der soweit zum Zielpunkt verschoben wird, bis dieser gerade nicht von diesem intransparenten und plattenförmigen Körper K1 überdeckt wird. Somit befindet sich der Zielpunkt genau am Rande des Körpers K1. Aufgrund der oben ausgeführten Diskussion erhöht sich das Auflösungsvermögen im Randbereich des Körpers K1, so dass man mit einer weit erhöhten Genauigkeit mittels eines lithographischen Verfahrens gezielt einen Lichtstrahl auf den zu bearbeitenden Punkt lenken kann, und zwar mit einer weit höheren Auflösung als in Abwesenheit des Körpers K1. Der Körper K1 trägt also nicht nur zur Erhöhung des Auflösungsvermögens bei, um den Zielpunkt mit einer sehr hohen Genauigkeit aufzufinden, sondern der Körper K1 wechselwirkt auch mit dem im Rahmen des lithographischen Verfahrens erzeugten und auf den Zielpunkt gelenkten und damit auf den Zielpunkt einfallenden Lichtstrahl, so dass dieser mit einer weit erhöhten Genauigkeit den Zielpunkt treffen und bearbeiten kann, als es mittels einer beugungsbegrenzten Methode, beispielsweise einer lithographischen Methode ohne Anwesenheit des Körpers K1, möglich ist.
Anstelle eines intransparenten plattenförmigen Körpers kann man in diesem Verfahren auch jeden anderen geformten Körper mit einer periodischen Form ähnlich den Formen, wie sie unter dem Stand der Technik hinsichtlich der dort diskutierten periodischen Beleuchtungsstrukturen vorgestellt worden sind, verwenden. Beispielsweise kann man anstelle eines plattenförmigen Gegenstandes ein feinmaschiges Netzgitter über die Probenoberfläche schieben. So kann man dieses Verfahren auch zur Mikro- oder Nanostrukturierung der Substratoberfläche verwenden, da man gezielt einzelne Punkte mit einer Genauigkeit ansteuern kann, die weit unterhalb der optischen Auflösung der entsprechenden Wellenlänge liegt.
Anstelle eines intransparenten plattenförmigen Körpers kann man in diesem Verfahren auch eine strukturierte Beleuchtung verwenden, wie sie unter anderem im Kapitel „Stand der Technik” und der Beschreibung des erfindungsgemäßen Gegenstandes beschrieben worden ist. Dies sieht dann so aus, dass beispielsweise die zu bearbeitende Substratoberfläche mit einem periodischen Linien- oder Streifenmuster, beispielsweise mit einem einfachen Liniengitter wie bereits im Kapitel „Stand der Technik” beschrieben, beleuchtet wird (strukturierte Beleuchtung). Aber auch jede andere strukturierte Beleuchtung gemäß dem Stand der Technik ist möglich. Dadurch erhöht sich das Auflösungsvermögen auf der Substratoberfläche, und man kann mit einer erhöhten Auflösung die Stelle oder den Zielpunkt anvisieren, den man bearbeiten will, so dass man mit einer erhöhten Genauigkeit den Lichtstrahl auf diesen zu bearbeitenden Zielpunkt lenken kann. Man kann dies als eine Kombination zwischen einem SIM-Verfahren und einem lithographischen Verfahren auffassen mit dem SIM-Verfahren als Zielsystem, um die zu bearbeitenden Stellen oder Zielpunkte genau anzupeilen, und zwar mit einer höheren Genauigkeit als ein konventionelles optisches beugungsbegrenztes Mikroskop es zulässt, und dem lithographischen Verfahren zur Bearbeitung der Proben- oder Substratoberfläche, um dann die eigentliche Bearbeitung am Zielpunkt auszuführen. Allerdings kommt hier noch hinzu, dass die strukturierte Beleuchtung in Form des periodischen Lichtmusters nicht nur zur Erhöhung des Auflösungsvermögens beiträgt, um den Zielpunkt ausfindig zu machen und möglichst genau einzugrenzen, sondern in speziellem Falle von sehr hohen Intensitäten (beispielsweise realisiert durch eine Belichtung mit sehr kurzen Pulsdauern im fs-Bereich, so dass eventuell nichtlinear-optische Effekte eine Rolle spielen könnten) die strukturierte Beleuchtung in Form des periodischen Lichtmusters auch mit dem einfallenden Lichtstrahl des lithographischen Verfahrens wechselwirkt, so dass auch dessen Zielgenauigkeit erhöht wird und der Zielpunkt mit einer Auflösung bearbeitet werden kann, die weit unterhalb der beugungsbegrenzten Auslösung liegt.
Nichtpatent-Literatur:

[1] Bailey B, Farkas DL, Taylor DL, Lanni F; Farkas; Taylor; Lanni (November 1993). "Enhancement of axial resolution in fluorescence microscopy by standing-wave excitation". Nature 366 (6450): 44–8. Bibcode: 1993Natur.366...44B. doi: 10.038/366044a0. PMID 8232536.
[2] Gustafsson MG (May 2000). "Surpassing the lateral resolution limit by a factor of two using structured illumination microscopy". J Microsc 198 (Pt 2): 82–7. doi: 10.1046/j.1365-2818.2000.00710.x. PMID 10810003.
[3] D. Baddeley, C. Batram, Y. Weiland, C. Cremer, U. J. Birk: "Nano-structure analysis using Spatially Modulated Illumination microscopy" in NATURE PROTOCOLS, Vol 2, S. 2640–2646 (2007)
[4] W. Lukosz, M. Marchand: Optischen Abbildung unter Überschreitung der Beugungsbedingten Auflösungsgrenze. In: Optica Acta. 10, Nr. 3, 1963, S. 241–255. doi: 0.1080/713817795.
[5] Carl Zeiss MicroImaging GmbH: Superresolution Structured Illumination Microscopy (SR-SIM). White Paper, Carl Zeiss BioSciences, Jena Location 2010 (PDF).
[6] Im Internet: <URL: http://me-lrt.de/u-03-2-fourier-entwicklung-periodischer-funktionen-fourier-reihe>, recherchiert am 13.06.2016

Figurenbeschriftung:
1: ein erstes einfaches Linien- oder Streifenlichtmuster in Form eines einfachen Liniengitters mit der Gitterkonstanten a₁, bestehend aus geraden und zueinander parallelen Linien mit dem Abstand a₁ zueinander, das für die strukturierte Beleuchtung der Probenoberfläche im SIM-Verfahren verwandt wird
2: Prinzip des SIM-Verfahrens veranschaulicht im reziproken Raum: durch Beaufschlagung der Probenoberfläche mittels eines einfachen periodischen Linienlichtmusters bestehend aus geraden und zueinander parallelen Lichtlinien wie in 1 gezeigt, verschiebt sich der Kreis um den Ursprung des k_x, k_y-Koordinatensystems um den Wellenvektor k_s, so dass das Auflösungsvermögen erhöht wird
3: mögliche Ausführungsform eines periodischen Streifen- und Linienlichtmusters zur Beaufschlagung auf die Probenoberfläche für das SIM-Verfahren; das Linienmuster besteht aus geraden und zueinander parallelen Streifen, jedoch mit alternierenden Abständen d₁ und d₂
4: ein weiteres, zweites einfaches Linien- oder Streifenlichtmuster in Form eines einfachen Liniengitters zur strukturierten Beleuchtung im SIM-Verfahren, das mit dem in 1 gezeigten einfachen Lichtgitter identisch ist; allerdings um 90° Grad gedreht
5: Prinzip des SIM-Verfahrens veranschaulicht im reziproken Raum, allerdings bezüglich des zweiten einfachen Liniengitters gemäß 4, so dass der Wellenvektor k_s um 90° Grad gedreht ist; seine Länge bleibt dagegen konstant
6: Überlagert man die beiden in 1 und 4 gezeigten einfachen Liniengitter aus Licht, so entsteht ein Kreuzgitter aus Licht mit der Gitterkonstanten a₁ zur strukturierten Beleuchtung im SIM-Verfahren
7: Strukturierte Beleuchtung mittels eines Kreuzgitters veranschaulicht im reziproken Raum: die beiden Verschiebungsvektoren k_s1 und k_s2 addieren sich vektoriell zum resultierenden Verschiebungsvektor k_sr, der sich aus symmetrischen Gründen auf der k_y-Achse des reziproken Koordinatensystems befindet; auch hier wird eine Vergrößerung des Auflösungsvermögens erreicht
8: Erhöhung der Gitterkonstanten des Kreuzgitters von a₁ auf a₂
9: Verschiebung des Kreises entlang der k_y-Achse zum Ursprung des reziproken Koordinatensystems, wenn die Gitterkonstante des Kreuzgitters wie in 8 erhöht wird
10: Kreuzgitter mit einer dünnen Liniendicke oder Linienbreite, d. h. mit dünnen Linien
11: Kreuzgitter, bei dem die Liniendicke oder Linienbreite vergrößert ist, d. h. mit dicken Linien; lediglich aus technischen Gründen zusätzlich um 45° gedreht.
12: eine Vergrößerung der Linienbreite des Kreuzgitters deformiert im reziproken Koordinatensystem den Kreis zu einem ellipsenähnlichen Gebilde mit unscharfen Grenzen, da der eine Verschiebungsvektor k_s durch eine Vielzahl von Verschiebungsvektoren k_sn ersetzt wird
13: ein Kreuzgitter mit dicken Linien kann man sich aus unendlich vielen Kreuzgittern mit unendlich dünnen Linien zusammengesetzt vorstellen, wenn alle Kreuzgitter mit unendlich dünnen Linien zwar alle dieselbe Gitterkonstante besitzen, jedoch zueinander räumlich phasenverschoben sind
14: a) ein Grenzfall als Spezialfall, wenn die Linienbreite und die Gitterkonstante des Kreuzgitters gegen Unendlich geht
b) experimentelle Realisierung eines Spezialfalls, wenn das Kreuzgitter eine unendlich große Linienbreite und eine unendlich große Gitterkonstante besitzt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1157297 B1 [0001]
DE 102011114500 A1 [0001]
WO 2010/101894 A2 [0001]
DE 102012017917 A1 [0001]
US 2015/0211997 A1 [0001]
US 6239909 B1 [0001]
US 2016/0062102 A1 [0001]
DE 102013017468 A1 [0001]
DE 112009005521 A5 [0001]
EP 2317362 A1 [0001]
US 5043570 A [0001]
DE 102014111167 A1 [0001]
DE 102015015497 [0009]

Claims

Verfahren zur Mikro- und/oder Nanoskopie basierend auf dem SIM(Structured Illumination Microscopy)-Verfahren, bei der als strukturierte Beleuchtung irgendeine beliebige Art von periodischem Lichtmuster angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als spezielles periodisches Lichtmuster ein einfaches Liniengitter verwendet wird, bei dem alle Linien gerade und zueinander parallel ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei beim Liniengitter der spezielle Grenzfall – Linienbreite geht gegen Unendlich und/oder – Gitterkonstante geht gegen Unendlich betrachtet und als periodisches Lichtmuster angewandt wird.
Verfahren zur Mikro- und/oder Nanostrukturierung, bei der die Oberfläche eines zu strukturierenden Substrates durch Strahlung beaufschlagt wird und dabei ein periodisches (Licht-)Muster oder ein periodisches Musterelement auf der Oberfläche des Substrates positioniert wird, so dass insbesondere ausschließlich die Randbereiche des Muster oder des Musterelements die auf die Probenoberfläche einfallende Strahlung beispielsweise durch Beugung und Interferenz beeinflussen und die Mikro- und/oder Nanostrukturierung der Probenoberfläche in den insbesondere ausschließlich in den Randbereichen des Musters oder des Musterelements liegenden Bereichen der Substratoberfläche durch die eben durch die Randbereiche des Musters oder Musterelements beeinflusste einfallende Strahlung vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem es sich bei der auf die Probenoberfläche einfallenden Strahlung um elektromagnetische Strahlung aus dem gesamten elektromagnetischen Spektrum oder um Korpuskularstrahlung/Teilchenstrahlung wie Elektronenstrahlung oder Ionenstrahlung oder um eine Kombination aus verschiedenen elektromagnetischen Strahlungsarten und/oder verschiedenen Teilchenstrahlungsarten handelt, die gleichzeitig oder zeitversetzt auf dieselbe und/oder verschiedenen Stellen der Probenoberfläche einfallen.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem es sich bei dem periodischen Muster um ein periodisches Lichtmuster handelt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem es sich bei dem periodischen Musterelement um eine Maske handelt, bei der die Aperturgeometrie periodisch ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als Maske eine einfache Gittermaske verwendet wird, bei der die Gitterlinien gerade und zueinander parallel verlaufen.
Verfahren nach Anspruch 8, beim dem als einfaches Gitterelement der spezielle Grenzfall – Linienbreite geht gegen Unendlich und/oder – Gitterkonstante geht gegen Unendlich betrachtet und als periodisches Musterelement angewandt wird, so dass dies praktisch dem Spezialfall eines auf der Probenoberfläche positioniertem Maskensubstrats bspw. in Form eines massiven plattenförmigen intransparenten Körpers entspricht.