DE19753790C2 - Verfahren zur Untersuchung einer Oberflächenschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Untersuchung der Oberfläche oder der Oberflächenschicht eines Objektes auf wenigstens eine in der Oberflächenschicht enthaltene chemische Substanz und/oder topographische Eigenschaft der Oberfläche.

Ein bereits bekanntes Verfahren zur Ermittlung der chemischen Zusammensetzung eines Objekts ist das Auger-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts mit Elektronenstrahlen beschossen oder mit kurzwelliger, energiereicher Strahlung bestrahlt, welche an der Objekt-Oberfläche Sekundär- Elektronen freisetzen. Die Energie dieser Sekundär-Elektronen wird mittels einer geeigneten Sensorik gemessen. Aus der gemessenen Energie kann dann auf die chemische Zusammensetzung des Objekts rückgeschlossen werden.

Aus Fresenius' Journal of Analytical Chemistry (1992), Seiten 765-768, ist auch bereits ein Verfahren zum Untersuchen von in einer Oberflächenschicht eines Halbleiterwafers enthaltenen chemischen Substanzen bekannt, bei dem die Oberflächenschicht unter Totalrefle­ xionsbedingungen mit monochromatischer Röntgenstrahlung be­ strahlt wird. Dabei wird die Oberflächenschicht zur Abgabe von Fluoreszenzstrahlung angeregt, die mit einem Sensor detektiert wird. Durch Auswertung des Spektrums dieser Strahlung wird auf in der Oberflächenschicht enthaltene Verunreinigungen, wie z. B. Eisen, Kupfer, Nickel oder Zink geschlossen.

Es ist auch bereits bekannt, die Topographie eines Oberflächen­ bereichs eines Objekts durch Tunnelmikroskopie zu ermitteln. Dabei wird im Ultrahochvakuum eine Meßspitze bis auf wenige Zehntel Nanometer an das Objekt herangebracht, an die eine Spannung gegen die Objekt-Oberfläche angelegt wird. Die Meßspitze wird dann rasterförmig an der Objekt-Oberfläche entlangbewegt, wobei der durch die Meßspitze fließende elektrische Strom, der ein Maß für den Abstand der Meßspitze zu der Objekt-Oberfläche ist, gemessen wird.

Ein Nachteil der vorbekannten Verfahren besteht darin, daß diese einen erheblichen apparativen Aufwand erfordern und ihre Anwendung daher entsprechend teuer ist. Ungünstig ist außerdem, daß für die Untersuchung von topographischen und chemischen Eigenschaften des Objekts unterschiedliche Techniken erforderlich sind, was den Aufwand für die Untersuchung des Objekts zusätzlich erhöht. Außerdem ist die Meßempfindlichkeit der vorbekannten Verfahren häufig nicht ausreichend.

Aus US 5 510 628 ist auch bereits bekannt, auf die Oberfläche eines Substrats mittels Maskentechnik eine Beschichtung aufzubringen, die mehrere parallel zueinander verlaufende streifenförmige Bereiche aufweist. Dabei wechseln sich Streifen einer ersten chemischen Zusammensetzung mit Streifen einer zweiten chemischen Zusammensetzung ab. Die chemischen Zusammensetzungen der Bereiche sind so gewählt, daß biologische Zellen an den Bereichen unterschiedlich gut anhaften. Nach dem Aufbringen der die streifenförmigen Bereiche aufweisenden Beschichtung, wird die Oberfläche der Beschichtung mit den biologischen Zellen in Kontakt gebracht. Dabei lagern sich die Zellen bevorzugt in den Bereichen der einen chemischen Zusammensetzung an, während die Bereiche mit der anderen chemischen Zusammensetzung im wesentlichen frei von den Zellen bleiben. Nach Angabe der Patentschrift wird durch die Beschichtung ermöglicht, Zellen an dafür vorgesehenen, vorherbestimmten Stellen auf dem Substrat anzuordnen. Eine Untersuchung der Beschichtung auf eine darin enthaltene chemische Substanz und/oder eine topographische Eigenschaft der Oberfläche der Beschichtung ist in der Druckschrift nicht vorgesehen.

Aus DE 195 12 117 A1 und DE 196 01 488 C1 sind ferner Meßein­ richtungen bekannt, die eine auf einem Substrat befindliche elektronische oder elektrische Meßstruktur aufweisen, die mit funktionsspezifischen biologischen Zellen in Kontakt steht, die in einem zu untersuchenden Analyten angeordnet sind. In dem Analyten enthaltene Substanzen, wie zum Beispiel Hormone oder Antigene, bewirken Veränderungen an den Zellen, wobei diese Veränderungen mittels der Meßstruktur detektiert werden. Eine Untersuchung der Oberfläche oder der Oberflächenschicht des Substrats oder der Meßstruktur ist in den Druckschriften nicht vorgesehen. Vielmehr sind die Zellen, das Substrat und die Meßstruktur Bestandteil eines bioelektrischen Sensors, der insgesamt dazu dient, den Analyten zu untersuchen.

Aus DE 38 36 716 A1 ist eine Vorrichtung zur Auswertung von Zellbildern bekannt, die eine Kamera zur Aufnahme einer Vielzahl von Videobildern einer zu untersuchenden Zellkultur aufweist. Die Kamera ist mit einem grafikfähigen Rechner verbunden, der einen Monitor aufweist, auf dem die Zellbilder angezeigt werden können. Auf dem Monitor sind außerdem verschiedene Marken positionierbar, mit denen unterschiedliche Zellen oder Zellgruppen markiert werden können. Die Vorrichtung dient dazu, den Einfluß von Fremdeinwirkungen (Pharmazeutika, Toxizitätstests) auf das Wachstums- und Bewegungs­ verhalten von Zellkulturen zu untersuchen.

Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine Oberfläche oder eine Oberflächenschicht eines Objekts auf einfache Weise mit hoher Meßempfindlichkeit auf eine in der Oberflächenschicht enthaltene chemische Substanz und/oder eine topographische Eigenschaft der Oberfläche untersucht werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Biokomponenten können beispielsweise biologische Zellen, isolierte Zellbestandteile, wie Zellmembranen, Mikroorganismen (Pilze, Bakterien), Antikörper, Antigene, Rezeptoren oder Biomoleküle sein. Gegebenenfalls können die Biokomponenten speziell zum Erkennen chemischer und/oder topographischer Eigenschaften designed sein.

In vorteilhafter Weise wird also zur Untersuchung einer topo­ graphischen Eigenschaft der Oberfläche oder einer in der Oberflächen­ schicht des Objektes enthaltenen chemische Substanz die Fähigkeit von Biokomponenten genutzt, auf unterschiedliche topographische oder chemische Gegebenheiten evolutiv bedingt mit hoher Spezi­ fizierung zu reagieren. Dazu werden Biokomponenten in einem Nährmedium oder einem osmotischen Schutzmedium zunächst an oder in die Nähe der Objekt-Oberfläche gebracht. Dabei ist es ausreichend, wenn wenigstens ein Teil der Biokomponenten etwas von der Objekt- Oberfläche beabstandet ist, so daß beispielsweise aus der Oberflächenschicht durch das Nährmedium oder das osmotische Schutzmedium zu den Biokomponenten diffundierende Stoffe und/oder durch die Oberflächenstruktur bedingte Potentialfelder im Bereich der Objektoberfläche von den Biokomponenten detektiert werden können. Je nach Topographie und/oder chemischer Zusammensetzung der Oberflächenschicht bilden sich dann die Biokomponenten beispielsweise in Farbe, Form und/oder Größe unterschiedlich aus und/oder ordnen sich an der Oberfläche unterschiedlich an. Durch das Nährmedium können die Biokomponenten über einen längeren Zeitraum hinweg vital erhalten werden, so daß sie genügend Zeit zur Verfügung haben, um sich an die chemischen und/oder topographischen Objekteigenschaften anzupassen. Das Nährmedium kann beispielsweise eine Nährflüssigkeit sein, in der die Biokomponenten schwimmen.

Die Objektoberfläche mit den Biokomponenten wird dann optisch untersucht, indem ein oder mehrere Untersuchungsmeßwerte optisch ermittelt werden. Diese werden dann mit Referenzmeßwerten verglichen, die beispielsweise an einem Objekt mit bekannter Oberflächen­ topographie und/oder mit bekannten chemischen Eigenschaften gemessen wurden. Aus dem Ergebnis des Vergleichs wird dann auf eine topographische und/oder chemische Eigenschaft des untersuchten Objektes geschlossen, indem beispielsweise bei einem weitgehenden Übereinstimmen von Meß- und Referenzwerten Gemeinsamkeiten zwischen den Eigenschaften des untersuchten Objekts und denen des Referenzobjektes und bei einem deutlichen Abweichen der Meßwerte von den Referenzmeßwerten Unterschiede der Eigenschaften des untersuchten Objekts zu dem Referenzobjekt festgestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, mit vergleichs­ weise geringem apparativem Aufwand topographische und/oder chemische Eigenschaften eines Objekts zu untersuchen. In vorteilhaf­ ter Weise kann bei der Untersuchung der topographischen Eigenschaften die gleiche Technik verwendet werden, wie bei der Untersuchung chemischer Objekt-Eigenschaften. Das Verfahren ist deshalb besonders kostengünstig durchführbar. Außerdem weist das Verfahren eine hohe Meßempfindlichkeit auf, wobei geringste Veränderungen oder Unterschiede in der Oberflächen-Topographie oder in den chemischen Eigenschaften sofort realtime und online erkennbar sind.

Das Verfahren eignet sich besonders zur Untersuchung von Halbleitern. So können beispielsweise Reste dünner Lackschichten, wie beispielsweise Reste von Abdecklacken für die Fotostrukturierung an der Oberfläche eines Wafers lokalisiert werden. Auf diese Weise lassen sich Erkenntnisse über den Herstellungsprozeß des Wafers gewinnen, mit denen der Herstellungsprozeß optimiert werden kann.

Als Biokomponenten können beispielsweise einfach zu handhabende oberflächenstrukturselektive Zellen vom Zelltyp LS 174 T oder stark oberflächenselektive Tumor-Zellen zum Einsatz kommen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß wenigstens ein Teil der Biokomponenten an der Objekt-Oberfläche angelagert wird. Die Biokomponenten stehen dann ständig mit der Oberflächenschicht des Objekts in Berührung, so daß sie auf darin enthaltene chemische Komponenten und/oder auf die Oberflächen­ struktur des Objekts besonders empfindlich reagieren können.

Vorteilhaft ist, wenn nach dem Beaufschlagen der Objekt-Oberfläche mit dem Nährmedium oder dem osmotischen Schutzmedium und den Biokomponenten in wenigstens zwei zeitlich zueinander beabstanden Zeitpunkten Untersuchungsmeßwerte ermittelt werden. Dabei ist es sogar möglich, daß die in den einzelnen Zeitpunkten ermittelten Meßwerte mit unterschiedlichen Referenzmeßwerten verglichen werden, um zeitabhängigen Veränderungen der Biokomponenten Rechnung zu tragen. Die Meßempfindlichkeit des Verfahrens wird dadurch zusätzlich erhöht.

Zweckmäßigerweise wird wenigstens ein Untersuchungsmeßwert optisch ermittelt. Das Untersuchungsverfahren ist dann besonders einfach durchführbar.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß von der Oberfläche mit den Biokomponenten ein optisches Bild aufgenommen wird und daß das Bild durch optische Bildanalyse mit einem Referenzbild verglichen wird. Dadurch ist es beispielsweise möglich, auf einfache Weise mit Methoden der Bildverarbeitung die Verteilung der auf oder in der Nähe Oberfläche befindlichen Biokomponenten zu ermitteln, um daraus Rückschlüsse auf die Struktureigenschaften oder die stofflichen Eigenschaften des Objektes zu ziehen. So ist beispielsweise bei Halbleitern das Anwachs­ verhalten von biologischen Zellen auf unterschiedlich prozessierten ISFET's mit gleicher Oberfläche unterschiedlich. Somit können durch Auswertung der Oberflächenverteilung der an der Oberfläche eines Halbleiters angelagerten Zellen Informationen über den Fertigungsprozeß des Halbleiters gewonnen werden.

Durch Auswertung der Oberflächenverteilung der an dem Objekt angelagerten Biokomponenten können aber auch chemische Eigen­ schaften eines Objekts ermittelt werden. So hat sich beispielsweise herausgestellt, daß Zellen vom Zelltyp LS 174 T auf ISFET's, die Kupferbestandteile aufweisen, nicht anwachsen.

Vorteilhaft ist, wenn während des Aufzeichnens des optischen Bildes an der Oberfläche und an diese beaufschlagenden Biokomponenten ein optisches Interferenzmuster erzeugt wird, und wenn das Bild durch optische Bildanalyse mit einem Interferenz-Referenzbild verglichen wird. Dadurch können die Abmessungen und die Anordnung der einzelnen auf oder in der Nähe der Objekt-Oberfläche befindlichen Biokomponenten besonders exakt ermittelt werden.

Vorteilhaft ist, wenn wenigstens ein Untersuchungsmeßwert mittels eines elektrischen, elektronischen oder elektrochemischen Sensors ermittelt wird. So können beispielsweise Stoffwechselprodukte der Biokomponenten, Gasgehalte und/oder Botenstoffe durch elektroche­ mische Ionenkonzentrationsmessungen ermittelt werden. So kann beispielsweise der Haftungsgrad von biologischen Zellen an der Objektoberfläche sensorisch über den Stoffwechsel festgestellt werden. Ferner können durch Potentialmessungen Informationen über die Biokomponenten gewonnen werden. Da das Wohlbefinden der Biokomponenten und damit der Stoffwechsel durch die chemischen und/oder topographischen Eigenschaften der Oberflächenschicht des Objekts beeinflußt wird, ermöglichen die mittels der elektrischen, elektronischen oder elektrochemischen Sensoren gewonnenen Meßsignale Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Oberflächenschicht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zumindest ein Teil der Biokomponenten auf wenigstens einen in dem zu untersuchenden Objekt enthaltenen wachstums-, struktur- oder funktionsmodulierenden Stoff ansprechende strukturselektive und/oder chemoselektive Biokomponenten sind. Das Verfahren weist dann eine noch größere Meßempfindlichkeit auf. So können beispielsweise Lackreste auf einem Halbleiter dadurch detektiert werden, daß wegen der darin enthaltenen toxischen Inhaltsstoffe die Biokomponente dort nicht anwächst.

Vorteilhaft ist, wenn das Nährmedium oder das osmotische Schutzmedium mit den darin befindlichen Biokomponenten nach dem Untersuchen der Oberfläche des Objekts von dieser entfernt wird. Nach der Durchführung des Verfahrens verbleiben dann auf der Objekt- Oberfläche keine Rückstände.

Claims (9)

1. Verfahren zur Untersuchung der Oberfläche oder der Oberflächen­ schicht eines Objektes auf wenigstens eine in der Oberflächen­ schicht enthaltene chemische Substanz und/oder topographische Eigenschaft der Oberfläche, wobei die Objekt-Oberfläche zur Untersuchung der topographischen Eigenschaft mit ober­ flächenstrukturselektiven und/oder zur Untersuchung der in der Oberflächenschicht enthaltenen chemischen Substanz mit chemoselektiven Biokomponenten sowie mit einem Nährmedium oder einem osmotischen Schutzmedium für die Biokomponenten derart beaufschlagt wird, daß in dem Nährmedium oder dem osmotischen Schutzmedium angeordnete Biokomponenten mit der Ob­ jekt-Oberfläche in Berührung stehen oder um weniger als die Detektionsreichweite der Biokomponenten von der Ob­ jekt-Oberfläche beabstandet sind, wobei die Objekt-Oberfläche mit den in dem Nährmedium oder dem osmotischen Schutzmedium angeordneten Biokomponenten anschließend untersucht wird, indem wenigstens ein Untersuchungsmeßwert ermittelt wird, wobei an einem Referenzobjekt mit bekannter Oberflächentopographie und/oder mit einer in dem Referenzobjekt enthaltenen, bekannten chemischen Substanz Referenzmeßwerte gemessen werden, und wobei der Untersuchungsmeßwert mit diesen Referenzmeßwerten verglichen und aus dem Ergebnis des Vergleichs auf eine in der Oberflächenschicht des Objekts enthaltene chemische Substanz und/oder auf eine topographische Eigenschaft des Objektes rückgeschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Biokomponenten an der Objekt-Oberfläche angelagert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach dem Beaufschlagen der Objekt-Oberfläche mit dem Nährmedium oder dem osmotischen Schutzmedium und den Biokomponenten in wenigstens zwei zeitlich zueinander beabstanden Zeitpunkten Untersuchungsmeßwerte ermittelt werden.

4. verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens ein Untersuchungsmeßwert optisch ermittelt wird.

5. verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß von der Oberfläche mit den Biokomponenten ein optisches Bild aufgenommen wird und daß das Bild durch optische Bildanalyse mit einem Referenzbild verglichen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß während des Aufzeichnens des optischen Bildes an der Oberfläche und an diese beaufschlagenden Biokomponenten ein optisches Interferenzmuster erzeugt wird, und daß das Bild durch optische Bildanalyse mit einem Interferenz-Referenzbild verglichen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens ein Untersuchungsmeßwert mittels eines elektrischen oder elektronischen Sensors ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest ein Teil der Biokomponenten auf wenigstens einen in dem zu untersuchenden Objekt enthaltenen wachstums-, struktur- oder funktionsmodulierenden Stoff ansprechende strukturselektive und/oder chemoselektive Biokomponenten sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Nährmedium oder das osmotische Schutzmedium mit den darin befindlichen Biokomponenten nach dem Unter­ suchen der Oberfläche des Objekts von dieser entfernt werden.