-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Topografieinformationen bzw. Höheninformationen einer Probe und ein Scanningmikroskop.
-
Für die Charakterisierung von technischen Oberflächen und insbesondere für die Ableitung von Rauheitsmesswerten sowie Topographien wird heute als Standardverfahren die konfokale Mikroskopie eingesetzt. Das Verfahren ist beispielsweise in [M. Rahlves, J. Seewig, „Optisches Messen technischer Oberflächen", Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2009] beschrieben. Bei vielen konfokalen Systemen findet dabei ein Abtasten der Probe in allen drei Raumrichtungen statt, d. h. es handelt sich zum einen um punktscannende Systeme, bei denen ein optischer Strahl in x/y-Richtung über die Probe geführt (gescannt) wird. Zur Ableitung der Höheninformation wird weiterhin eine Bewegung der Probe relativ zur Detektoreinheit (in z-Richtung) benötigt. Aus dem Intensitätsmaximum in Abhängigkeit von der z-Position kann für jeden x-y-Ort die Höheninformation und damit die Topographie abgeleitet werden. Typischerweise kommt hierbei beispielsweise das „Center of Gravity”-Verfahren zum Einsatz [Tiziani et al., Opt. Eng. 39, 32 (2000)]. Ein Beispiel für ein solches System ist das LSM700 der Carl Zeiss Microscopy GmbH.
-
Nachteilig bei diesem Verfahren ist vor allem die lange Zeit, die durch den zusätzlichen z-Scan für eine 3D-Topographieaufnahme benötigt wird. Außerdem hängt die Präzision (Genauigkeit der Höhenmessung) in starkem Maße von der Einstellgenauigkeit der Probenoberfläche relativ zur Detektoreinheit ab und ist damit stets begrenzt bzw. eine hohe Präzision erfordert hochgenaue und teure Stellelemente z. B. auf Piezobasis.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Topografieermittlung einer Probe bei Verwendung eines Scanningmikroskops zu vereinfachen bzw. ohne separaten z-Scan zu ermöglichen. Eine Teilaufgabe kann darin gesehen werden, die Aufnahmegeschwindigkeit und/oder die Auflösung zu erhöhen.
-
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Scanningmikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
-
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, in einem Scanningmikroskop beleuchtungs- und/oder detektionsseitig ein dreidimensionales Beleuchtungsmuster bzw. Detektionsmuster ähnlich einer Punktbildfunktion zu verwenden bzw. auszuwerten.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform, weisen das Beleuchtungs- und/oder Detektionsmuster eine starke und eindeutige laterale Veränderung der Intensität als Funktion von z (z-Richtung entlang der optischen Achse) auf. Dabei ist die eindeutige laterale Veränderung der Intensität in Abhängigkeit von z so zu verstehen, dass das Beleuchtungs- bzw. Detektionsmuster in jeder Z-Position eine eindeutige Zuordnung zu dieser Z-Position erlaubt. Die optische Achse verläuft dabei im Wesentlichen parallel zu einer Ebenennormalen einer Probenebene, in der die Probe platziert ist.
-
In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein dreidimensionales Beleuchtungsmuster und/oder ein dreidimensionales Detektionsmuster erzeugt. Die Probe wird vorzugsweise mit einem Beleuchtungsspot rasternd abgetastet (gescannt), wobei das Beleuchtungsmuster auf die Probe projiziert wird und/oder das Abbild des Beleuchtungsspots in einem Detektionsstrahlengang ein Detektionsmuster aufweist.
-
Durch die Kodierung der z-Information in der lateralen Veränderung des Beleuchtungsmusters kann die z-Information z. B. durch einen positionsempfindlichen Detektor direkt bei jeder Rasterposition ausgelesen werden. Außerdem kann in bekannter Weise die Gesamt-Intensitätsinformation zur lateralen bzw. x/y bzw. 2D-Bildgewinnung genutzt werden.
-
Vorteilhafterweise wird im Gegensatz zum Konfokalmikroskop zum einen kein z-Scan benötigt (höhere Geschwindigkeit) und zum anderen eine höhere Topographieauflösung erreicht.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen das Beleuchtungsmuster und/oder das Detektionsmuster eine entlang der optischen Achse (z-Richtung) asymmetrische Änderung der lateralen Intensitätsverteilung auf. Dabei verläuft die optische Achse parallel zu einer Ebenennormalen einer Probenebene, in der die Probe platziert ist.
-
Durch die Kodierung der z-Information in der lateralen Veränderung des Detektionsmusters kann die z-Information z. B. durch einen positionsempfindlichen Detektor direkt bei jeder Rasterposition ausgelesen werden. Außerdem kann in bekannter Weise die Gesamt-Intensitätsinformation zur lateralen bzw. x/y bzw. 2D-Bildgewinnung genutzt werden.
-
Eine besonders einfache Realisierung des Beleuchtungsmusters kann durch Einbringen eines linearen Phasenverlaufs in einer Hälfte der Pupille des Beleuchtungsspots erfolgen. Dies kann beispielsweise durch einen Glaskeil, der eine Hälfte der Pupille abdeckt, oder zwei gegenläufige Keile, die je eine Hälfte der Pupille überdecken, realisiert werden.
-
Zum Erzeugen eines entsprechenden dreidimensionalen Detektionsmusters ist der Glaskeil im Detektionsstrahlengang vorzusehen.
-
In anderen Ausführungsformen kann das Beleuchtungsmuster und/oder Detektionsmuster mit rotierender Intensitätsverteilung z. B. mittels eines Lasers erzeugt werden. Zur Erzeugung der rotierenden Intensitätsverteilung ist ein entsprechendes Phasenelement im Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengang erforderlich.
-
Bei Verwendung eines Beleuchtungsmusters, das aus 2 Spots besteht (Helix, PRILM), kann das (gegenläufige) Signal der beiden Spots gemittelt werden, um die Signalgüte zu verbessern. Wird jedoch jeder Spot individuell ausgewertet, wird dadurch die laterale Auflösung erhöht. Die z-Information kann dabei auch aus der Lage eines Spots gewonnen werden. Gleichzeitig kann dadurch auch die getrennte Auswertung auch die Bildaufnahmegeschwindigkeit gesteigert werden, da effektiv zwei Spots simultan zur Bildgebung verwendet werden.
-
Vorteilhafterweise wird auch hier im Gegensatz zum Konfokalmikroskop zum einen kein z-Scan benötigt (höhere Geschwindigkeit) und zum anderen eine höhere Topographieauflösung erreicht.
-
Das Detektionsmuster kann in gleicher Weise wie das beschriebenen Beleuchtungsmuster ausgeführt sein. Insbesondere kann es auch mit gleichen Mitteln realisiert werden. Dies gilt auch für rotierende Intensitätsverteilungen der Detektionslichtanteile, wobei diese nur mittelbar beispielsweise im Sinne einer Reflexion an der Probe durch einen Laser erzeugt werden.
-
Ein erfindungsgemäßes Scanningmikroskop weist zunächst in bekannter Weise eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung und/oder Anregung einer Probe mit einem Beleuchtungsspot auf. Es umfasst weiterhin eine Scanvorrichtung zum Scannen des Beleuchtungsspots über die Probe, eine Detektoreinrichtung zum Detektieren des von der Probe reflektierten und/oder emittierten Beleuchtungsspots und eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des Signals der Detektoreinrichtung.
-
Erfindungsgemäß umfassen die Beleuchtungseinrichtung und oder Detektoreinrichtung mindestens ein Mittel zum Erzeugen eines dreidimensionalen Musters mit entlang der optischen Achse asymmetrischer Änderung der lateralen Intensitätsverteilung. Die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, eine Höheninformation aus dem Detektorsignal zu bestimmen. Dies ist mit bekannten Mitteln möglich, da die Intensitätsverteilung des Beleuchtungsmusters und/oder Detektionsmusters bekannt sind.
-
Bei Verwendung eines Lasers als Lichtquelle kann es je nach optischen Eigenschaften der zu untersuchenden Probe zu Interferenzeffekten kommen, die die Analyse des Detektorsignals erschweren. Dies kann vermieden werden, indem entweder eine geeignete Lichtquelle eingesetzt wird (z. B. eine Superlumineszenz-Quelle) oder die Kohärenz des Lasers beeinflusst wird.
-
Prinzipiell kann das System auch Non-Descanned ausgelegt werden, da für die z-Auflösung kein Pinhole benötigt wird. Allerdings müsste dann mit einer Kamera (Pixelarray) als Detektor gearbeitet werden, da der reflektierte Spot dann nicht ortsfest ist. Die reflektierte PSF müsste dann je Kamerabild ausgewertet werden.
-
Das Verfahren bzw. das Scanningmikroskop lässt sich zur schnelleren Erfassung großer Probenbereiche auch als Multi-Spot System umsetzen. Dazu kann jeder der mehreren Beleuchtungsspots auf einen eigenen positionssensitiven Detektor abgebildet werden (schnell) oder aber alle Beleuchtungsspots werden auf eine Kamera abgebildet und jedem Beleuchtungsspot wird eine eigene ROI (region of interest) zugeordnet, innerhalb derer das reflektierte Beleuchtungsmuster dann ausgewertet wird.
-
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass durch den Transfer der z-Information auf eine laterale Intensitätsinformation ein höherer Informationsgehalt verglichen zur reinen Defokus-Information zur Auswertung zur Verfügung steht.
-
Die Kodierung der z-Information in einer lateralen Intensitätsveränderung erlaubt die Verwendung eines segmentierten Detektors (PSD: Position Sensitive Detector). Die Topografie-Mikroskopie (Reflektion) ist in der Regel nicht photonenlimitiert, unter diesen Bedingungen lässt sich mit dem segmentierten Detektor eine sehr hohe Sensitivität erreichen.
-
Auf ein Pinhole kann prinzipiell verzichtet werden, da sich die Diskriminierung außerfokaler Lichtanteile auch aus der lateralen Form der PSF bzw. dem Differenzsignal ergibt. Für ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis kann aber ein zusätzliches Pinhole vorteilhaft sein.
-
Für die vorliegende Erfindung ist vorteilhafterweise kein z-scan pro Pixel mehr erforderlich, da die z-Information direkt im Signal der PSD vorliegt.
-
Bei der Erzeugung einer Höhenkarte (relative Höheninformation für unterschiedliche Pixel) können zwei Situationen auftreten:
- a) Bei flachen Proben, bei welchen keine Höhenunterschiede auftreten, die größer als die Schärfentiefe ist, ist mit der vorliegenden Erfindung kein z-Scan erforderlich, da die Höheninformation direkt quasi in einem Schuss ermittelt werden kann.
- b) Bei Proben mit ausgeprägten Höhenvariationen größer als der Schärfentiefe ist zwar weiterhin ein z-Scan erforderlich. Jedoch kann hier mit gegenüber dem Stand der Technik sehr viel größerer z-Schrittweite gearbeitet werden, wodurch wiederum Zeit gewonnen wird.
-
Weiterhin sind vorteilhafterweise keine Rechenoperationen erforderlich, die Datenaufnahme ist nur limitiert durch das Scan-Verfahren. Insbesondere, da bei der Materialmikroskopie in der Regel ausreichend Signallicht vorhanden ist, ist die Verwendung eines Resonanzscanner und/oder Multispot-Scannen möglich, wodurch ein enormer Geschwindigkeitsgewinn erzielbar ist.
-
Die Erfindung lässt sich beispielsweise in einem gewöhnlichen Konfokalmikroskop realisieren, indem das Phasenelement in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht und das konfokale detektionsseitige Pinhole weit geöffnet wird, wobei ein entsprechender Detektor zu verwenden ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Phasenelement in den Detektionsstrahlengang eingebracht werden.
-
Die Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1: verschiedene Punktbildfunktionen;
-
2: ein Beleuchtungsmuster bzw. Detektionsmuster in verschiedenen z-Positionen;
-
3: eine bevorzugte Ausführungsform der Auswertung eines von einer Probe reflektierten Beleuchtungsmusters oder eines Detektionsmusters;
-
4: ein Schaltbild zur Auswertung der Detektorsignale;
-
5: ein Intensitätssignal einer Detektoreinrichtung in Abhängigkeit einer Topografie (Z) einer Probe;
-
6: ein Laserscanningmikroskop in einer ersten bevorzugten Ausführungsform mit einem offenen Regelkreis als Prinzipskizze;
-
7: ein Laserscanningmikroskop in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform mit einem geschlossenen Regelkreis als Prinzipskizze.
-
In 1 sind verschiedene Punktbildfunktionen (PSF = point spread function) gezeigt, wie sie beispielsweise in der Detektion eines Laserscanningmikroskops auftreten bzw. ausgewertet werden.
-
Unten ist eine Standard-Punktbildfunktion gezeigt, wie sie durch Beugung an einem Pinhole entsteht. Dargestellt ist die laterale Auflösung in Abhängigkeit von der Z-Position.
-
Oben ist ein so genannte Doppelhelix-Punkbildfunktion (DH-PSF) gezeigt, wie sie z. B. in [Pavani et al., Optics Express 16, 26 (2008)] zur 3-Datengenerierung in der Superauflösungsmikroskopie (PALM) beschrieben ist. Eine solche in lateraler (XX-Y) und axialer (Z) Richtung unsymmetrische Punktbildfunktion wird vorzugsweise als Beleuchtungsmuster verwendet. Ebenso kann sie als Detektionsmuster eingesetzt werden.
-
2 zeigt ein anderes Beleuchtungsmuster bzw. Detektionsmuster, das durch die Verwendung eines eine Hälfte der Pupille abdeckenden Glaskeils in einem Laserscanningmikrskop erzeugt wurde. Eine ähnliche Detektions-Punktbildfunktion ist in [Baddeley et al., Nano Res. 4, 589 (2011) beschrieben.
-
Erfindungsgemäß lassen sich solche und ähnliche Punktbildfunktionen sowohl in der Beleuchtung als auch in der Detektion erzeugen und als Beleuchtungsmuster bzw. Detektionsmuster verwenden, wobei bei Verwendung von Laserquellen ggf. der Kohärenz im Sinne einer Punktlichtquelle Rechnung zu tragen ist.
-
In den 3 und 4 wird das Mess- und Auswertungsprinzip bei der Verwendung eines Beleuchtungsmusters oder Detektionsmusters beschrieben.
-
3 zeigt ein Muster 01 an zwei verschiedenen Z-Positionen, die mit 500 nm und 750 nm dargestellt sind. Ein Detektor ist schematisch in das Muster eingezeichnet. Der Detektor ist ein positions-sensitiver Detektor (PSD) und in dem dargestellten Beispiel eine Vier-Quadranten-Photodiode 02. Es ist erkennbar, dass die Intensitäten in den jeweiligen Quadranten in den verschiedenen Z-Postionien unterschiedlich groß sind.
-
In 4 ist eine beispielhafte Auswerteschaltung gezeigt, die ein Differenzsignal jeweils zweier Quadranten bildet. Im Fall des vorliegenden Musters mit zwei symmetrischen, gegenläufig ablaufenden Spots wäre das Differenzsignal der Quadranten {A und B} sowie {C und D} identisch und kann in einer Ausführungsform der Erfindung zur Steigerung der Sensitivität gemittelt werden.
-
Die normierten Differenzsignale werden wie folgt gebildet:
-
Die Summeninformation aller Quadranten, würde dem Intensitätssignal des gescannten Punktes entsprechen und in bekannter Weise zur Bestimmung des Gesamtbildes verwendet.
-
Alternativ und in Abhängigkeit von Punktbild genügt die Summe von zwei der vier Quadranten, also wird nur einer der zwei Spots herangezogen, damit wird die laterale Auflösung erhöht.
-
In 5 ist ein Signalverlauf eines nach der oben stehenden Berechnung ausgewerteten Musters dargestellt.
-
In einem zentralen Bereich 03 zwischen Maximum 04 und Minimum 06 zeigt sich ein streng monotones Verhalten mit sehr hoher Signalgüte, das zudem über einen weiten Bereich linear ist. Damit lässt sich in diesem Bereich 03 eindeutig die z-Information direkt aus dem Detektor-Differenz-Signal gewinnen. Ruch ein nicht lineares Verhalten (beispielsweise bei Verwendung einer anderen Art von Beleuchtungsmuster) kann durch entsprechende, dem Fachmann hinreichend bekannte Eich- und Kalibrier-Kurven abgebildet werden.
-
6 zeigt ein Laserscanningmikroskop in einer ersten bevorzugten Ausführungsform mit einem offenen Regelkreis (open loop).
-
Das Laserscanningmikroskop ist zunächst in bekannter Weise aufgebaut. Ein Laser 07 stellt Beleuchtungslicht in einem Beleuchtungsstrahlengang 08 bereit, das durch einen Scanner 09 auf eine Probenebene 11 punktweise gescannt wird.
-
Von einer in der Probenebene 11 positionierten Probe reflektiertes und/oder emittiertes Licht wird in einem Beobachtungsstrahlengang 12 durch ein Objektiv 13 und einen Strahlteiler 14 einem Detektor 16 zugeführt. Der Detektor 16 ist ein positionssensitiver Detektor (PSD).
-
Ein Phasenelement 17 ist mindestens in einem von beiden, im Beleuchtungsstrahlengang oder im Detektionsstrahlengang, oder in beiden Strahlengängen vorgesehen, um eine in Abhängigkeit von z stark veränderliche eindeutige Intensitätsverteilung quer und parallel zur optischen Achse zu erzeugen. Bei dem Phasenelement 17 kann es sich beispielsweise um einen einfachen Glaskeil handeln wie in [Baddeley et al., Nano Res. 4, 589 (2011)] oder um eine komplexe Phasenmaske wie in [Grover et al., Biomedical Optics Express 2, 3012 (2011)]. Das Phasenelement 17 steht in oder nahe einer konjugierten Pupille des Systems in Anregung und oder Detektion. In der Figur ist ein Phasenelement 18 gestrichelt dargestellt, das Phasenelement 18 kann alternativ oder zusätzlich zum Phasenelement 17 verwendet werden.
-
Alternativ kann das Phasenelement 17, 18 auch ein Spatial Light Modulator (SLM) sein. Wirkt dieser in Transmission (z. B. Flüssigkristall-SLM) ändert sich am Aufbau nichts, handelt es sich um ein Reflexions-SLM (z. B. Micromirror-Array, Deformable Mirror), muss der Strahlengang entsprechend gefaltet werden.
-
Anstelle des Detektors
16 kann auch eine Kamera oder ein Detektorarray zum Einsatz kommen. Die Pixelanzahl kann klein sein (= schnell), es reicht aus, das reflektierte Beleuchtungsmuster abzubilden. Damit lässt sich dann die gesamte Bildinformation des Beleuchtungsmusters analysieren. Besonders geeignet ist hierfür ein Detektorarray wie es in der
DE 10 2013 019 347 A1 beschrieben ist. So kann z. B. eine hinterlegte System-PSF angepasst werden.
-
Anstelle der Scanbewegung kann auch die Probe relativ zum Messkopf bewegt werden.
-
In 7 ist ein prinzipiell gleich aufgebautes System, wie in 6 gezeigt, jedoch als geschlossener Regelkreis (closed loop) ausgeführt. Gleiche Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung, wie zuvor beschrieben.
-
Das System umfasst zusätzlich einen Piezo-Aktor 19 zur Nachstellung der Probenebene 11 in z-Richtung und einen Regler 20.
-
Der Regler 20 erhält z. B. das Differenzsignal des Detektors 16, das wie zuvor beschrieben ermittelt wird, als Regelgröße r. Um diese Regelgröße auf einem Sollwert w (z. B. „0”) zu halten, wird vom Regler 20 ein Steuersignal s an den Piezo-Aktor 19 angelegt. Dieses ist direkt proportional zu z (Topographie) und wird von einer Auswerteeinheit 21 erfasst und ausgewertet. Die Auswerteinheit 21 kann dabei einen eigenen Signalprozessor zur Datenverarbeitung aufweisen. Zusätzlich kann ein Fehlersignal f (Abweichung von der Regelgröße) erfasst und aufgezeichnet werden, welches z. B. bei Verwendung eines PI-Reglers in Näherung proportional der Topographieänderung ist (Ableitung).
-
Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht in einer hohen Empfindlichkeit (= Topographieauflösung), die sich aus der starken Steigung des Signals im Nulldurchgang ergibt (5), sowie in einem hohen Arbeitsbereich in z-Richtung. Letzterer ist nicht mehr durch die Tiefenschärfe des Beleuchtungsmuster gegeben (z. B. ~1–1.5 μm bei 100x 0,9 NA), sondern durch den Verfahrbereich des Piezo-Aktors 19, dieser kann einige 10–100 μm betragen. Dieser Modus ist naturgemäß langsamer als die in 6 beschriebene Ausführungsform, bedingt durch die Regelung und die Stellzeit des Piezo-Aktors 19.
-
Ideal ist eine bedarfsgesteuerte Umschaltung zwischen den Betriebsmodi „open loop” (schnell, limitiert in z) und „closed loop” (langsamer, großer z-Arbeitsbereich, sensitiv).
-
Auch in dieser Ausführungsform ist das ein Phasenelement 18 gestrichelt dargestellt, es kann alternativ oder zusätzlich zum Phasenelement 17 verwendet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 01
- Beleuchtungsmuster
- 02
- Vier-Quadranten-Photodiode
- 03
- zentraler Bereich
- 04
- Maximum
- 05
-
- 06
- Minimum
- 07
- Laser
- 08
- Beleuchtungsstrahlengang
- 09
- Scanner
- 10
-
- 11
- Probenebene
- 12
- Beobachtungsstrahlengang
- 13
- Objektiv
- 14
- Strahlteiler
- 15
-
- 16
- Detektor
- 17
- Phasenelement
- 18
- Phasenelement
- 19
- Piezo-Aktor
- 20
- Regler
- 21
- Auswerteeinheit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013019347 A1 [0059]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- M. Rahlves, J. Seewig, „Optisches Messen technischer Oberflächen”, Beuth Verlag GmbH, Berlin, 2009 [0002]
- Tiziani et al., Opt. Eng. 39, 32 (2000) [0002]
- Pavani et al., Optics Express 16, 26 (2008) [0043]
- Baddeley et al., Nano Res. 4, 589 (2011) [0044]
- Baddeley et al., Nano Res. 4, 589 (2011) [0057]
- Grover et al., Biomedical Optics Express 2, 3012 (2011) [0057]
