EP1769229A1 - Ellipsometry device provided with a resonance platform - Google Patents

Ellipsometry device provided with a resonance platform

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Publication number
EP1769229A1
EP1769229A1 EP05772604A EP05772604A EP1769229A1 EP 1769229 A1 EP1769229 A1 EP 1769229A1 EP 05772604 A EP05772604 A EP 05772604A EP 05772604 A EP05772604 A EP 05772604A EP 1769229 A1 EP1769229 A1 EP 1769229A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
resonance
ellipsometer
resonant
modes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05772604A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Max Wiki
Johannes Edlinger
Matthias Vaupel
Andreas Eing
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OC Oerlikon Balzers AG
Original Assignee
OC Oerlikon Balzers AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by OC Oerlikon Balzers AG filed Critical OC Oerlikon Balzers AG
Publication of EP1769229A1 publication Critical patent/EP1769229A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211Ellipsometry

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for measuring the amount, composition, and / or spatial distribution and dynamics of substances on substrates.
  • Imaging techniques which detect an area of the surface spatially resolved are particularly interesting: Classically, the reflection, transmission, absorption, the scattered light or the phase shift are mapped. This can be done at one wavelength or spectrally resolved. An important parameter that can also be varied is the angle of incidence.
  • an ellipsometer comprises at least means for exposing a sample to polarized light and means for measuring the light reflected or transmitted by the sample, in each case for s and p polarization. From this, the optical properties of the surface to be analyzed can be derived.
  • TIR Total Internal Reflection
  • a measuring device comprising a light source assembly, a total reflection assembly and a detection assembly is known from US 6594011 to Kempen.
  • the surface with the substance to be measured is formed as a total reflection layer system.
  • the surface on which the substance to be analyzed comes to lie is formed by an interface of two transparent layers, whose relative refractive indices are selected such that light which is coupled into a transparent layer above the so-called critical angle is applied to one the Grenz ⁇ surfaces, which forms the substance to be analyzed is totally reflected.
  • the mechanisms of total reflection are well known to those skilled in the art.
  • SPR surface plasmon
  • the ellipsometer measures the ellipsometric parameters Psi and Delta.
  • Psi is analogous to the measurement signal of the classical SPR method, while delta provides additional information and in particular can show a sharp resonance as a function of the angle of incidence.
  • the disadvantage is that the substrate on the surface of which the plasmons are to be excited is metallic or at least have a metallic film.
  • the use of metallic films is often disadvantageous in the application of bioanalyses because these films cause difficulties in production, especially as far as reproducibility is concerned. In particular, the lifetime of metallic films is often very limited.
  • Light decoupling is chosen so that the range of multipath Total reflection corresponds to the resolution of the detector array.
  • the layer thickness is chosen such that in the layer the light is repeatedly totally reflected before it emerges from the layer.
  • the configuration of the total reflection system results in a multiple interaction between the evanescent field of the coupled-in light and the layer to be analyzed in a spatial area around each measuring point which corresponds to the resolution capability of the detection arrangement.
  • Such an arrangement is familiar to the person skilled in the art as an asymmetrical waveguide.
  • the coupling into such a waveguide is a typical optical resonance phenomenon.
  • the described multiple total reflection is called waveguiding. Waveguide takes place only above a certain layer thickness and only for certain (resonance) angle.
  • the associated propagation of light is referred to as waveguide modes.
  • the asymmetric waveguide no longer undergoes any multiple total reflection, since no more mode is permitted.
  • the path the light travels in the waveguide within a zigzag period corresponds to the inverse of the propagation constants.
  • the cut-off thickness is 200nm. The light propagates just above the total reflection angle between the glass and the layer. In order to obtain twice total reflection at the outer interface, therefore, a propagation of more than 400 nm is needed. At 11 total reflections it is already 4 ⁇ m and limits the resolution to a very considerable extent.
  • the device according to the invention comprises a resonance platform which is designed such that it enables the excitation of laterally localized resonances.
  • This object is achieved by the fact that in the process a resonant platform is exposed to light with such parameters, which lead to the excitation of laterally localized resonances.
  • the invention thus comprises a device for carrying out ellipsometry measurements, with an ellipsometer and a resonance platform, wherein means are provided on the resonance platform, by means of which laterally localized resonant modes can be excited when exposed to light from the ellipsometer.
  • the means provided in the resonance platform may comprise a resonant grating whose grating period is of the order of the wavelength of the light which emits the light source of the ellipsometer.
  • the resonance platform with the resonant grating may comprise a transparent substrate which is coated with at least one dielectric layer and the resonant grating is provided in this layer or at at least one of the boundary surface bounding this layer.
  • the resonance platform in the device about an axis which is perpendicular to the surface of the resonance platform, relative to the plane of incidence of the light of the Eilipsometers is rotatably mounted and can be fixed in a rotated position.
  • the device of the type described above may comprise an imaging ellipsometer.
  • the following procedure can be used to measure the adsorption or desorption of substances on a surface:
  • the position of the resonance curve on contact with the surface without the substance to be measured can be determined as a reference.
  • the location of the reference curve can be determined locally. This opens up the possibility of processing the determined spatially resolved position data into an image.
  • PSI indicates the ratio of the amplitude change of the s and p polarization after reflection
  • DELTA the relative phase shift (delta) of the polarization components after reflection
  • the method can be optimized by applying light to the excitation of latently localized modes.
  • the device according to the invention and the method according to the invention will be discussed together below.
  • SPRs surface plasmons
  • any optical resonance is referred to which is not a plasmon resonance and which limits the resonant interaction with the surface essentially to a maximum of the order of magnitude of the classic total reflection associated with those skilled in the art - common Goos-Hänchen effect lies.
  • the laterally localized resonance phenomena include, among others, the so-called evanescent resonance, which can be achieved, for example, by resonant gratings.
  • the grating period is on the order of the light used to excite the resonance.
  • the structures referred to in the English language literature as photonic band gap structures lead to extremely lossy and therefore localized modes in the propagation which have a high field at the surface, as described in detail in "Localization of One Photon States 1 " by C. Adlard , ER Pike Sarkar in Physical Review Letters, Vol. 79, No. 9, pages 1585-87 (1997).
  • Some of the evanescent resonators exhibit abnormally high reflectance or transmittance at resonance.
  • Such a structure with an abnormally high reflection is disclosed in patent application WO2001002839. It should be specifically noted that this structure is successfully used in the field of fluorescence analysis. Compared with the traditional waveguide structures, this lattice structure has the advantage that the light applied does not propagate near the high-index layer.
  • other layer materials such as TiO 2, Nb 2 O 3 and others can be used with appropriately adapted parameters.
  • nf 2.1
  • other layer materials such as TiO 2, Nb 2 O 3 and others can be used with appropriately adapted parameters.
  • nc 1.33
  • the quotients necessary for calculating the quantities delta and psi can be well formed without disturbing any possible, for example, electronic background.
  • the reflection for both TM and TE polarization in the angular range of 3.9 ° to 4.3 ° values is greater than 1%.
  • the formation of the quotients TM / TE ensures that, for example, fluctuations in the light intensity are found out.
  • special emphasis is placed on controlling the polarization.
  • FIG. 3 again shows the same functions Psi and Delta for 4 different layer thicknesses (150 nm 150 nm and 150 nm and 151 nm).
  • the thick lines correspond to the values for 150.lnm. As you can see a resolution of O.lnm and below is easily possible.
  • a substrate according to the invention as described above can hereby be investigated in a spatially resolved and label-free manner with respect to adsorbed material. Since this is possible without contact, it is also possible to make dynamic measurements.
  • Non-conical illumination denotes the exposure to light in which the plane of incidence is perpendicular to the bars, ie the grid vector lies in the plane of incidence. If the grating vector is turned out of the plane of incidence, it is called conical illumination.
  • conical illumination can be used advantageously in the context of the invention.
  • the resonance angle changes with the amount of the grating rotation angle, ie the angle amount by which the grating vector is rotated out of the plane of incidence.
  • the Del ta gradient is limiting factor for the measurement accuracy.
  • the table below gives the measured dependence of the delta slope on the lattice rotation angle. In the last column, this parameter translates into the sensitivity.
  • the sensitivity achieved with the present invention is equal to that of a full SPR measurement.
  • no complicated aids such as applying an electric field in the case of the tunable SPR sensor [Patent DE 100 19 359] are necessary.
  • the use of a metal film is avoided.
  • the disadvantage of metal films is that thiol must be used as an activator for the biological binding partners, and that the optical properties of gold films are not well reproducible. Handling is much simpler and faster without metal and without immersion oil.
  • the parameters thickness, index, and extinction of the gold film on each sensor must be determined prior to kinetics, as these parameters generally vary across production batches. This problem does not exist with the resonant platform ; In comparison with the SPR, the resonance platform is therefore characterized by the fact that layer thicknesses on the Ta 2 O 5, for example in a reaction kinetics, are measured with less measurement effort and with higher accuracy.
  • the recording of reaction kinetics in many channels simultaneously can be performed on the grating coupler as well as with imaging SPR on a SPR sensor.
  • the change in delta during a change in layer thickness is recorded at a constant angle of incidence, and the layer thickness kinetics is determined therefrom.

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Abstract

The invention relates to a useful improvement of an ellipsometer-type device. For this purpose, an existing ellipsometer is supplemented by a so-called resonance platform on which surface modes are excitable. Contrary to state of the art of known surface plasmons, the inventive modes are laterally localised. In addition, the resonance platform is not necessarily embodied in the form of a metal sheet. The inventive device also can be embodied in the form of an image-forming device. The inventive method consists in placing measurable samples on the platform surface and, afterwards, are exposed to light, thereby being excited in modes. The resonance position of modes is determined by the absorption behaviour of a measurable substance.

Description

Ellipsometrievorrichtung mit einer Resonanzplattform Ellipsometry device with a resonance platform
Gebiet auf das sich die Erfindung beziehtArea to which the invention relates
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Menge, Zusammensetzung, und/oder räumlichen Vertei¬ lung und Dynamik von Substanzen auf Substraten.The invention relates to a device and a method for measuring the amount, composition, and / or spatial distribution and dynamics of substances on substrates.
Stand der TechnikState of the art
Es ist allgemein bekannt, dass die Anwesenheit oder die Eigenschaf¬ ten von Substanzen auf Oberflächen mittels optischer Sensoren ermit¬ telt werden kann. Dabei sind abbildende Techniken die einen Bereich der Oberfläche räumlich aufgelöst erfassen besonders interessant: Klassisch wird die Reflexion, Transmission, Absorption, das Streu¬ licht oder die Phasenverschiebung abgebildet. Dies kann bei einer Wellenlänge geschehen oder spektral aufgelöst. Ein wichtiger Parame¬ ter der auch variiert werden kann, ist der Einfallswinkel.It is generally known that the presence or the properties of substances on surfaces can be determined by means of optical sensors. In this case, imaging techniques which detect an area of the surface spatially resolved are particularly interesting: Classically, the reflection, transmission, absorption, the scattered light or the phase shift are mapped. This can be done at one wavelength or spectrally resolved. An important parameter that can also be varied is the angle of incidence.
Techniken die den Einfluss der Oberfläche auf die Polarisation ein¬ gestrahlten Lichtes ausnutzen sind besonders empfindlich. Beispiels¬ weise ist die Ellipsometrie eine weit verbreitete Technik zur Analy¬ se von dünnen Filmen auf Oberflächen. Hierbei wird das Verhältnis der Amplitudenänderung (Psi) der s- und p-Polarisation nach Reflexi¬ on sowie die relative Phasenschift (Delta) der Polarisationskompo¬ nenten nach Reflexion ermittelt. Dazu umfasst ein Eilipsometer zu¬ mindest Mittel zur Beaufschlagung einer Probe mit polarisiertem Licht und Mittel zur Messung des von der Probe reflektierten oder transmittierten Lichtes, jeweils für s- und p-Polarisation. Daraus lassen sich die optischen Eigenschaften der zu analysierenden Ober¬ fläche ableiten. Ellipsometrie wurde erfolgreich zur Detektion der Adsorption von Proteinen oder kleineren Molekülen auf einer Oberflä¬ che eingesetzt. In U.S. Pat. No. 4,508,832 von Carter et al wurde ein Eilipsometer verwendet, um Antikörper-Antigenbindungen in einem Immunoassay auf einer Testoberfläche zu messen. Die abbildende Ellipsometrie, die die Möglichkeiten der Ellipsome- trie mit den Möglichkeiten der Mikroskopie verbindet, wurde anhand von dünnen transparenten Schichten auf Siliziumsubstraten demon¬ striert. Allerdings fällt die Änderung der Polarisationseigenschaf- ten bei einmaliger Reflexion sehr gering aus, so dass ein stark ver¬ rauschtes Signal detektiert wird. Außerdem kann hierbei von Nachteil sein, dass das Licht durch das umgebende Medium propagiert, insbe¬ sondere bei Anwendungen, bei denen die optischen Eigenschaften der Umgebung sich während der Messung ändern können.Techniques that exploit the influence of the surface on the polarization of radiated light are particularly sensitive. For example, ellipsometry is a widely used technique for analyzing thin films on surfaces. In this case, the ratio of the change in amplitude (Psi) of the s and p polarization after reflection as well as the relative phase shift (delta) of the polarization components after reflection are determined. For this purpose, an ellipsometer comprises at least means for exposing a sample to polarized light and means for measuring the light reflected or transmitted by the sample, in each case for s and p polarization. From this, the optical properties of the surface to be analyzed can be derived. Ellipsometry has been successfully used to detect the adsorption of proteins or smaller molecules on a surface. In US Pat. 4,508,832 to Carter et al., An ellipsometer was used to measure antibody-antigen binding in an immunoassay on a test surface. The imaging ellipsometry, which combines the possibilities of ellipsometry with the possibilities of microscopy, was demonstrated on the basis of thin transparent layers on silicon substrates. However, the change in the polarization properties with a single reflection is very small, so that a strongly noise signal is detected. In addition, it may be disadvantageous here that the light propagates through the surrounding medium, in particular in applications in which the optical properties of the environment may change during the measurement.
Das Problem des Einflusses des umgebenden Mediums kann weitgehend umgangen werden, wenn ein optisch transparentes Substrat und das Prinzip der internen Totalreflexion (TIR) angewendet wird. Eine Messvorrichtung, die eine Lichtquellenanordnung, eine Totalrefle- xionsanordung und eine Detektionsanordung umfasst ist aus US 6594011 von Kempen bekannt. Dabei wird die Oberfläche mit der zu messenden Substanz als Totalreflexionsschichtsystem ausgebildet. Dies bedeu¬ tet, dass die Oberfläche auf der die zu analysierende Substanz zu liegen kommt durch eine Grenzfläche zweier transparenter Schichten gebildet wird, deren relative Brechungsindizes derart gewählt sind, dass Licht welches oberhalb des sogenannten kritischen Winkels in eine transparenten Schichten eingekoppelt wird, an einer der Grenz¬ flächen, die die zu analysierende Substanz bildet totalreflektiert wird. Die Mechanismen der Totalreflexion sind dem Fachmann wohlbe- kannt. Bei der Totalreflexion kommt es zur Änderung der Polarisa¬ tionseigenschaften des einfallenden Lichtes. Sind nun die Polarisa¬ tionseigenschaften des einfallenden Lichtes bekannt, erlaubt eine Analyse der Polarisationseigenschaften des reflektierten Lichtes Rückschlüsse auf die Eigenschaften, insbesondere auf die Massenver- teilung und/oder Schichtdicke der zu analysierenden Substanz auf der Oberfläche. In US 6594011 ist die Wechselwirkung des Lichtes auf le¬ diglich eine Totalreflexion begrenzt. Dadurch wird erreicht, dass die Gesamtauflösung der Messanordung ausschließlich durch das Auflö¬ sungsvermögen der Detektoranordung begrenzt ist. Damit könnte die Messung theoretisch mit einer beliebig hochauflösenden Detektoranor¬ dung räumlich beliebig genau durchgeführt werden. Allerdings fällt auch hier die erfolgte Änderung der Polarisationseigenschaften bei der einmaligen Totalreflexion sehr gering aus, so dass ein stark verrauschtes Signal detektiert wird.The problem of the influence of the surrounding medium can be largely circumvented if an optically transparent substrate and the principle of Total Internal Reflection (TIR) is used. A measuring device comprising a light source assembly, a total reflection assembly and a detection assembly is known from US 6594011 to Kempen. In this case, the surface with the substance to be measured is formed as a total reflection layer system. This means that the surface on which the substance to be analyzed comes to lie is formed by an interface of two transparent layers, whose relative refractive indices are selected such that light which is coupled into a transparent layer above the so-called critical angle is applied to one the Grenz¬ surfaces, which forms the substance to be analyzed is totally reflected. The mechanisms of total reflection are well known to those skilled in the art. In total reflection, the polarization properties of the incident light change. Now, if the polarization properties of the incident light are known, an analysis of the polarization properties of the reflected light allows conclusions to be drawn about the properties, in particular the mass distribution and / or layer thickness of the substance to be analyzed on the surface. In US 6594011 the interaction of the light is limited to only a total reflection. This ensures that the total resolution of the Messanordung is limited solely by the Auflö¬ sungsvermögen the detector arrangement. Thus, theoretically, the measurement could be carried out spatially arbitrarily with an arbitrarily high-resolution detector array. However falls Here too, the change made in the polarization properties during the single total reflection is very low, so that a strongly noisy signal is detected.
Eine Möglichkeit, um das Signal und damit die Empfindlichkeit zu steigern ist die Kombination der Ellipsometrie mit der Oberflächen- Plasmonen-(SPR) -Techologie. Im Rahmen der konventionellen SPR- Technologie wird das reflektierte Licht als Funktion des Einfalls¬ winkels gemessen. Beim sogenannten Resonanzwinkel werden Oberflä- chenplasmonen angeregt, die zu einen starken evaneszenten Feld imOne way to increase the signal and thus sensitivity is to combine ellipsometry with surface plasmon (SPR) chemistry. In the context of conventional SPR technology, the reflected light is measured as a function of the angle of incidence. At the so-called resonance angle, surface plasmons are excited, resulting in a strong evanescent field in the
Bereich der Oberfläche und zu einer stark reduzierten Reflexion füh¬ ren. Das Minimum in der Reflexion, das mit der Anregung von Oberflä- chenplasmonen einhergeht, verschiebt sich wenn eine Substanz auf der Oberfläche adsorbiert wird, d.h. eine Schicht bildet und die Schichtdicke vergrössert. Das Eilipsometer misst die ellipsometri- schen Parameter Psi und Delta. Dabei ist Psi analog zum Messignal der klassischen SPR-Methode zu sehen, während Delta zusätzliche In¬ formationen liefert und insbesondere als Funktion des Einfallswin¬ kels eine scharfe Resonanz zeigen kann. Nachteilig ist, dass das Substrat, auf dessen Oberfläche die Plasmonen angeregt werden sollen metallisch ist oder zumindest einen metallischen Film aufweisen. Die Verwendung metallischer Filme ist in der Anwendung von Bioanalysen jedoch häufig nachteilig weil, diese Filme Schwierigkeiten in der Herstellung bereiten, insbesondere was Reproduzierbarkeit angeht. Insbesondere ist die Lebensdauer metallischer Filme häufig sehr be¬ grenzt.The minimum in the reflection associated with the excitation of surface plasmons shifts when a substance is adsorbed on the surface, i. forms a layer and increases the layer thickness. The ellipsometer measures the ellipsometric parameters Psi and Delta. Psi is analogous to the measurement signal of the classical SPR method, while delta provides additional information and in particular can show a sharp resonance as a function of the angle of incidence. The disadvantage is that the substrate on the surface of which the plasmons are to be excited is metallic or at least have a metallic film. However, the use of metallic films is often disadvantageous in the application of bioanalyses because these films cause difficulties in production, especially as far as reproducibility is concerned. In particular, the lifetime of metallic films is often very limited.
Da dem Auflösungsvermögen der Detektoranordnung selbst physikalische und technische Grenzen gesetzt sind, kann ein Totalreflexionssystem mit Mehrfachreflexionen zu verwendet werden. Licht wird unter einem die Totalreflexion ermöglichenden Minimalwinkel in eine hochbrechen¬ de Schicht eingekoppelt und mehrfach totalreflektiert bevor es aus der Schicht austritt. Der Abstand zwischen Lichteinkopplung undSince the resolving power of the detector array itself has physical and technical limitations, a total reflection system with multiple reflections can be used. Light is coupled into a highly refractive layer under a minimum angle enabling total reflection, and is totally reflected several times before it emerges from the layer. The distance between light coupling and
Lichtauskopplung ist dabei so gewählt, dass der Bereich der mehrfa- chen Totalreflexion dem Auflösungsvermögen der Detektoranordnung entspricht. Die Schichtdicke wird dabei so gewählt, dass in der Schicht das Licht mehrfach totalreflektiert wird, bevor es aus der Schicht austritt. Durch die Ausgestaltung des Totalreflexionssy- stems kommt es in einem räumlichen Bereich um jeden Messpunkt herum, der dem Auflösungsvermögen der Detektionsanordnung entspricht, zu einer vielfachen Wechselwirkung zwischen dem evaneszenten Feld des eingekoppeltes Lichtes und der zu analysierenden Schicht. Eine sol¬ che Anordnung ist dem Fachmann als asymmetrischer Wellenleiter ge- läufig. Die Einkopplung in einen solchen Wellenleiter ist ein typi¬ sches optisches Resonanzphänomen. Die beschriebene mehrfache Total¬ reflexion wird als Wellenleitung bezeichnet. Wellenleitung findet lediglich oberhalb einer bestimmten Schichtdicke statt und lediglich für bestimmte (Resonanz-) Winkel. Die damit verbundene Ausbreitung des Lichtes wird als Wellenleitermoden bezeichnet. Falls allerdings die Schichtdicke unterhalb einen sogenannten cut-off Wert fällt, findet beim asymetrischen Wellenleiter überhaupt keine Mehrfach- Totalreflexion mehr statt, da keine Mode mehr zugelassen ist. Der Weg, den das Licht im Wellenleiter innerhalb einer Zickzack- Periode zurücklegt, entspricht dem inversen der Propagationskonstan- ten. Für einen typische Wellenleiterschicht mit dem Brechungsindex Ns=2.2 auf Glas mit Brechungsindex Ng=I.5 und bei einer Wellenlänge in Vakuum von 633nm liegt die cut-off Dicke bei 200nm. Das Licht propagiert dann knapp oberhalb des Totalreflexionswinkels zwischen Glas und der Schicht. Um zweimalige Totalreflexion an der äußeren Grenzfläche zu erhalten wird daher eine Ausbreitung um mehr als 400nm benötigt. Bei 11 Totalreflexionen sind es bereits 4μm und be¬ grenzt das Auflösungsvermögen in ganz erheblichem Maß.Light decoupling is chosen so that the range of multipath Total reflection corresponds to the resolution of the detector array. The layer thickness is chosen such that in the layer the light is repeatedly totally reflected before it emerges from the layer. The configuration of the total reflection system results in a multiple interaction between the evanescent field of the coupled-in light and the layer to be analyzed in a spatial area around each measuring point which corresponds to the resolution capability of the detection arrangement. Such an arrangement is familiar to the person skilled in the art as an asymmetrical waveguide. The coupling into such a waveguide is a typical optical resonance phenomenon. The described multiple total reflection is called waveguiding. Waveguide takes place only above a certain layer thickness and only for certain (resonance) angle. The associated propagation of light is referred to as waveguide modes. If, however, the layer thickness falls below a so-called cut-off value, the asymmetric waveguide no longer undergoes any multiple total reflection, since no more mode is permitted. The path the light travels in the waveguide within a zigzag period corresponds to the inverse of the propagation constants. For a typical waveguide layer with refractive index Ns = 2.2 on glass with refractive index Ng = I.5 and at a wavelength in vacuum of 633nm the cut-off thickness is 200nm. The light propagates just above the total reflection angle between the glass and the layer. In order to obtain twice total reflection at the outer interface, therefore, a propagation of more than 400 nm is needed. At 11 total reflections it is already 4μm and limits the resolution to a very considerable extent.
Übersicht über die vorliegende ErfindungOverview of the present invention
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung, die auf der ortsaufgelösten Detektion der Änderungen der Lichteigenschaften im Bereich optischer Resonanz beruht, derart weiterzubilden, dass die Qualität des detektierten Signals verbes- sert wird und insbesondere ein verbessertes Auflösungsvermögen er¬ reicht werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelost, dass die erfxndungsgemaße Vor¬ richtung eine Resonanz-Plattform umfasst, die so ausgelegt ist, dass sie die Anregung von lateral lokalisierten Resonanzen ermöglicht.It is therefore an object of the present invention, a generic device that is based on the spatially resolved detection of changes in the light properties in the range of optical resonance, such that the quality of the detected signal is improved and in particular improved resolution can be achieved er¬ , This object is achieved in that the device according to the invention comprises a resonance platform which is designed such that it enables the excitation of laterally localized resonances.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gat- tungsgemaßes Verfahren, das auf der ortsaufgelosten Detektion der Änderungen der Lichteigenschaften im Bereich optischer Resonanz be¬ ruht derart weiterzubilden, dass die Qualität des detektierten Si- gnals verbessert wird und insbesondere ein verbessertes Auflösungs¬ vermögen erreicht werden kann.It is a further object of the present invention to develop a generic method which is based on the spatially resolved detection of the changes in the light properties in the region of optical resonance in such a way that the quality of the detected signal is improved and in particular an improved resolution assets can be achieved.
Diese Aufgabe wird dadurch gelost, dass im Verfahren eine Resonanz- Plattform mit Licht mit solchen Parametern beaufschlagt wird, die zur Anregung lateral lokalisierter Resonanzen fuhren.This object is achieved by the fact that in the process a resonant platform is exposed to light with such parameters, which lead to the excitation of laterally localized resonances.
Die Erfindung umfasst also eine Vorrichtung zur Durchfuhrung von El- lipsometriemessungen, mit einem Eilipsometer und einer Resonanz¬ plattform wobei an der Resonanzplattform Mittel vorgesehen sind, durch die bei Beaufschlagung mit Licht des Eilipsometers lateral lo¬ kalisierte Resonante Moden angeregt werden können.The invention thus comprises a device for carrying out ellipsometry measurements, with an ellipsometer and a resonance platform, wherein means are provided on the resonance platform, by means of which laterally localized resonant modes can be excited when exposed to light from the ellipsometer.
Beispielsweise können die in der Resonanzplattform vorgesehenen Mit¬ tel ein resonantes Gitter umfassen, dessen Gitterperiode in der Gro- ßenordnung der Wellenlange des Lichtes ist, das die Lichtquelle des Ellipsometers aussendet.For example, the means provided in the resonance platform may comprise a resonant grating whose grating period is of the order of the wavelength of the light which emits the light source of the ellipsometer.
Die Resonanzplattform mit dem resonanten Gitter kann ein transparen¬ tes Substrat umfassen, das mit mindestens einer dielektrischen Schicht beschichtet ist und das resonante Gitter in dieser Schicht oder an zumindest einer der diese Schicht begrenzenden Grenzflache vorgesehen ist.The resonance platform with the resonant grating may comprise a transparent substrate which is coated with at least one dielectric layer and the resonant grating is provided in this layer or at at least one of the boundary surface bounding this layer.
Zur Messung kann es von Vorteil sein, wenn die Resonanzplattform in der Vorrichtung um eine Achse, die senkrecht auf der Oberflache der Resonanzplattform steht, relativ zur Einfallsebene des Lichtes des Eilipsometers drehbar gelagert ist und in gedrehter Stellung fixiert werden kann.For measurement, it may be advantageous if the resonance platform in the device about an axis which is perpendicular to the surface of the resonance platform, relative to the plane of incidence of the light of the Eilipsometers is rotatably mounted and can be fixed in a rotated position.
Die Vorrichtung der oben beschriebenen Art kann ein abbildendes El- lipsometer umfassen.The device of the type described above may comprise an imaging ellipsometer.
Erfindungsgemäß kann zur Messung der Adsorption oder Desorption von Stoffen an einer Oberfläche das folgendermaßen vorgegangen werden:According to the invention, the following procedure can be used to measure the adsorption or desorption of substances on a surface:
- Bereitstellen eines Eilipsometers - Bereitstellen eines Substrates mit für lateral lokalisierte Moden resonanter OberflächeProviding an ellipsometer; providing a substrate having resonant surface for laterally located modes
- Kontaktierung der Oberfläche mit einem den zu messenden Stoff um¬ fassenden Medium- Contacting the surface with a substance to um¬ measuring medium
- Anregung lateral lokalisierter Moden durch Beaufschlagung der Re- sonanzplattform mit polarisiertem Licht- Excitation of laterally localized modes by exposure of the resonance platform with polarized light
- Ermittlung der Lage der Resonanzkurve in Abhängigkeit mindestens eines Anregungsparameters.- Determining the position of the resonance curve as a function of at least one excitation parameter.
Zusätzlich kann als Referenz die Lage der Resonanzkurve bei Kontak- tierung der Oberfläche mit dem Medium ohne den zu messenden Stoff ermittelt werden.In addition, the position of the resonance curve on contact with the surface without the substance to be measured can be determined as a reference.
Wird ein abbildendes Verfahren angewandt, so kann die Ermittlung der Lage der Referenzkurve örtlich aufgelöst erfolgen. Dies eröffnet die Möglichkeit, die ermittelten örtlich aufgelösten Lagedaten zu einem Bild zu verarbeiten.If an imaging method is used, the location of the reference curve can be determined locally. This opens up the possibility of processing the determined spatially resolved position data into an image.
Vorteilhaft ist, wenn die in der Ellipsometrie üblichen Parameter PSI und/oder DELTA ermittelt werden, wobei PSI das Verhältnis der Amplitudenänderung der s- und p-Polarisation nach Reflexion und DEL¬ TA den relativen Phasenschift (Delta) der Polarisationskomponenten nach Reflexion angibt.It is advantageous if the parameters PSI and / or DELTA customary in ellipsometry are determined, wherein PSI indicates the ratio of the amplitude change of the s and p polarization after reflection and DELTA the relative phase shift (delta) of the polarization components after reflection.
Optimiert werden kann das Verfahren dadurch, dass zur Anregung late- ral lokalisierter Moden konisch mit Licht beaufschlagt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sollen im Folgenden gemeinsam diskutiert werden.The method can be optimized by applying light to the excitation of latently localized modes. The device according to the invention and the method according to the invention will be discussed together below.
Im Rahmen dieser Anmeldung zählen die Oberflächenplasmonen (SPR) nicht als lateral lokalisierte Resonanzen, da deren Ausbreitung sich in der Regel über mehrere Mikrometer erstreckt. Das für eine hohe Auflösung notwendige mögliche Anregung von dicht beieinander liegen¬ den Resonanzen ist daher nicht möglich.For the purposes of this application, surface plasmons (SPRs) do not count as laterally located resonances because their propagation typically extends over several microns. The possible excitation of resonances lying close to each other, which is necessary for a high resolution, is therefore not possible.
Als lateral lokalisierte Resonanz wird in dieser Anmeldung jede op¬ tische Resonanz bezeichnet, die nicht eine Plasmonenresonanz ist und die die resonante Wechselwirkung mit der Oberfläche im wesentlichen maximal auf einen Bereich begrenzt, der in der Größenordung des mit der klassischen Totalreflexion einhergehenden und dem Fachmann ge- läufigen Goos-Hänchen Effektes liegt.In this application, as laterally localized resonance, any optical resonance is referred to which is not a plasmon resonance and which limits the resonant interaction with the surface essentially to a maximum of the order of magnitude of the classic total reflection associated with those skilled in the art - common Goos-Hänchen effect lies.
Zu den lateral lokalisierten Resonanzen Phänomenen gehört unter an¬ derem die sogenannte evansezente Resonanz, die beispielsweise durch resonante Gitter erzielt werden kann. Bei resonanten Gittern liegt die Gitterperiode in der Größenordnung des zur Anregung der Resonanz verwendeten Lichtes. Die in der englischsprachigen Literatur als photonic band gap structures bezeichneten Strukturen führen zu in der Propagation extrem verlustreichen und damit lokalisierte Moden die ein hohes Feld an der Oberfläche aufweisen, wie zum Beispiel ausführlich in ' 'Localisation of One Photon States1' by C. Adlard, E.R. Pike Sarkar in Physical Review Letters, VoI 79, No 9, pages 1585-87 (1997) diskutiert wird. Einige der evanseszenten Resonatoren zeigen in der Resonanz anormal hohe Reflexion oder Transmission. Ei¬ ne solche Struktur mit anomal hoher Reflektion ist in der Patentan- meidung WO2001002839 offenbart. Hierbei sei speziell vermerkt, dass diese Struktur im Bereich der Fluoreszenzanalyse erfolgreich einge¬ setzt wird. Gegenüber den traditionellen Wellenleiterstrukturen hat diese Gitterstruktur den Vorteil, dass das beaufschlagte Licht nahe¬ zu nicht in der hochbrechenden Schicht propagiert. Die hier beispielhaft diskutierte Struktur umfasse ein Glassubstrat (es kann auch Plastik verwendet werden) mit Brechungsindex ns=1.52 auf dessen einer Oberfläche ein periodisches Oberflächengitter (Git¬ terperiode p=360nm, Gittertiefe 40nm, Steg zu Grabenverhältniss 1:1) realisiert ist. Diese ist mit einer 150nm dickem Ta2O5 Schicht (Bre¬ chungsindex nf=2.1) beschichtet (Andere Schichtmaterialien wie z.B TiO2, Nb2O3 und andere können mit entsprechend angepassten Parame¬ tern verwendet werden) . Hierbei ist man keineswegs auf hochbrechende Materialien beschränkt, wenn beispielsweise ein Schichtsystem aufge¬ baut wird) . Das Gitter der Glasoberfläche reproduziert sich an der Oberfläche der Ta2O5 Schicht wieder. Das an die Schicht angrenzende Medium sei Wasser (nc=1.33). Wird diese Struktur mit Licht der Wel¬ lenlänge 633nm beaufschlagt mit Einfallswinkels von 0° bis 6°, wobei die Einfallsebene jeweils durch den Gittervektor und die Normale auf die Oberfläche aufgespannt wird (nichtkonische Beaufschlagung) , so ergibt sich die in Figur 1 mit gestrichelter Linie gezeigte Reflexi- on für TE-Polarisation (elektrische Feldvektor senkrecht zur Ein¬ fallsebene) und mit durchgezogener Linie gezeigte Reflexion für TM Polarisation (elektrische Feldvektor senkrecht zu Einfallsebene) . Für beide zählt die linke Y-Achse (Reflexion 1 entspricht 100%) . Zu¬ sätzlich dargestellt ist die Phasendifferenz des Phasenschubs in Re- flexion, die der aus der Ellipsometrie bekannten grosse Delta ent¬ spricht (Kreuze) . Hier zählt die rechte Y-Achse. Dabei fällt auf, dass es im Bereich von 4° bis 4,6° eine starke Änderung gibt, sowohl für die Reflexion TM als auch für Delta. Insbesondere die Steilheit von Delta als Funktion des Einfallswinkels ist interessant, da diese Steilheit für die traditionelle Ellipsometrie das Auflösungsvermögen des Messsystems bestimmt, d.h. die geringste noch messbare Schicht¬ dickenänderung festlegt. In der herkömmlichen Ellipsometrie gibt es hierzu eine funktionale Abhängigkeit, die für resonante Gitterstruk¬ turen nicht gültig ist. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass sich mittels theoretischer Simulation eine Zuordnung der Verschiebung der Deltakurve ermitteln läßt, die dann eine sehr genaue Bestimmung der Schichtdickenänderung auf Grundlage der Deltakurve zulässt. Für die im Rahmen dieser Anmeldung betrachteten biologischen Substanzen, de¬ ren Adsorption an der Oberfläche ermittelt werden sollen wird im er- sten Beispiel der Einfachheit halber angenommen werden, dass deren Brechungsindex dem der Beschichtung entspricht. Ablagerung der Bio- logie auf der Oberfläche entspricht dann im Wesentlichen einer Zu¬ nahme der Schichtdicke. Bei genaueren Betrachtungen kann ein der Biologie angepasster Index angenommen werden und die Belegung der Stegwände beachtet werden. Prinzipiell ändert dies jedoch nichts am Effekt. Figur 2 zeigt im Bereich von 3.8° bis 4.3° für 2 verschiede¬ ne Dicken (lOlnm und lOOnm) die in der Ellipsometrie üblichen Gro¬ ssen Psi=tan (RTM/RTE) und Delta. Es wird klar, dass eine weitaus fei¬ nere Auflösung als lnm Ablagerung messbar ist. Aus der Zeichnung ab¬ zuschätzen ist, dass eine Auflösung von O.lnm durchaus zu messen ist.The laterally localized resonance phenomena include, among others, the so-called evanescent resonance, which can be achieved, for example, by resonant gratings. For resonant gratings, the grating period is on the order of the light used to excite the resonance. The structures referred to in the English language literature as photonic band gap structures lead to extremely lossy and therefore localized modes in the propagation which have a high field at the surface, as described in detail in "Localization of One Photon States 1 " by C. Adlard , ER Pike Sarkar in Physical Review Letters, Vol. 79, No. 9, pages 1585-87 (1997). Some of the evanescent resonators exhibit abnormally high reflectance or transmittance at resonance. Such a structure with an abnormally high reflection is disclosed in patent application WO2001002839. It should be specifically noted that this structure is successfully used in the field of fluorescence analysis. Compared with the traditional waveguide structures, this lattice structure has the advantage that the light applied does not propagate near the high-index layer. The structure discussed here by way of example comprises a glass substrate (it is also possible to use plastic) with refractive index ns = 1.52 on one surface of which a periodic surface grating (grating period p = 360 nm, grating depth 40 nm, web to trench ratio 1: 1) is realized. This is coated with a 150 nm thick Ta 2 O 5 layer (refractive index nf = 2.1) (other layer materials such as TiO 2, Nb 2 O 3 and others can be used with appropriately adapted parameters). In this case, one is by no means limited to high-index materials, for example if a layer system is built up). The grating of the glass surface reproduces on the surface of the Ta2O5 layer again. The medium adjacent to the layer is water (nc = 1.33). If this structure is exposed to light of wavelength 633 nm with angles of incidence from 0 ° to 6 °, the plane of incidence being spanned by the grid vector and the normal to the surface (non-conical loading), the result is a dashed line in FIG Reflection shown for TE polarization (electric field vector perpendicular to Ein¬ fall plane) and shown with a solid line reflection for TM polarization (electric field vector perpendicular to plane of incidence). For both counts the left Y-axis (reflection 1 corresponds to 100%). The phase difference of the phase shift in reflection, which corresponds to the large delta known from ellipsometry (crosses), is shown in addition. Here counts the right Y-axis. It is striking that there is a strong change in the range of 4 ° to 4.6 °, both for the reflection TM and for delta. In particular, the steepness of delta as a function of the angle of incidence is interesting because this steepness for traditional ellipsometry determines the resolution of the measuring system, ie determines the smallest measurable layer thickness change. In conventional ellipsometry, there is a functional dependence which is not valid for resonant grating structures. However, the inventors have recognized that an assignment of the displacement of the delta curve can be determined by means of theoretical simulation, which then permits a very accurate determination of the layer thickness change on the basis of the delta curve. For the biological substances considered in the context of this application, whose adsorption on the surface is to be determined, it will be assumed in the first example for the sake of simplicity that their refractive index corresponds to that of the coating. Deposition of biologically On the surface, logy then essentially corresponds to an increase in the layer thickness. On closer consideration, an index adapted to the biology can be adopted and the occupancy of the web walls can be taken into account. In principle, this does not change the effect. FIG. 2 shows, in the range from 3.8 ° to 4.3 ° for 2 different thicknesses (10 nm and 100 nm), the sizes Psi = tan (R TM / R TE ) and delta customary in ellipsometry. It becomes clear that a much finer resolution than the deposit can be measured. From the drawing ab¬ is to estimate that a resolution of O.lnm is quite to measure.
Vorteilhaft ist, wenn im für die Messung relevanten Winkelbereich für beide Polarisationen ausreichend (größer gleich 1% der einge¬ strahlten Intensiät) Reflexionssignal vorhanden ist. Dann können die zur Berechnung der Größen Delta und Psi notwendigen Quotienten gut gebildet werden, ohne dass ein eventueller, beispielsweise elektro¬ nischer Hintergrund stört. Im hier betrachteten Beispiel beträgt die Reflexion sowohl für TM als auch TE Polarisation im Winkelbereich von 3.9° bis 4.3° Werte größer als 1%. Durch die Bildung der Quoti¬ enten TM/TE ist gewährleistet, dass sich beispielsweise Schwankungen in der Lichtintensität herausmitteln. Auf eine Kontrolle der Polari¬ sation wird allerdings in vorteilhafter Weise besonderen Wert ge¬ legt.It is advantageous if sufficient reflection signal is present in the angular range relevant for the measurement for both polarizations (greater than or equal to 1% of the irradiated intensity). Then, the quotients necessary for calculating the quantities delta and psi can be well formed without disturbing any possible, for example, electronic background. In the example considered here, the reflection for both TM and TE polarization in the angular range of 3.9 ° to 4.3 ° values is greater than 1%. The formation of the quotients TM / TE ensures that, for example, fluctuations in the light intensity are found out. However, special emphasis is placed on controlling the polarization.
In Figur 3 dargestellt sind nochmals dieselben Funktionen Psi und Delta für 4 verschiedene Schichtdicken (150nm 150. lnm 150.5nm und 151nm) . Die dicken Linien entsprechen den Werten für 150.lnm. Wie man sieht ist eine Auflösung von O.lnm und darunter ohne weiteres möglich.FIG. 3 again shows the same functions Psi and Delta for 4 different layer thicknesses (150 nm 150 nm and 150 nm and 151 nm). The thick lines correspond to the values for 150.lnm. As you can see a resolution of O.lnm and below is easily possible.
Wie oben bereits erwähnt, kann in einer etwas genaueren Betrachtung der genaue Index der Biologie (nb=1.48) und die Art, wie das Materi¬ al adsorbiert wird (auch die Seitenwände des Gitters bedeckend) in die Rechnung mit eingehen. Figur 4 zeigt Psi und Delta als Funktion des Einfallswinkel für eine mit lnm Biologie bedeckte Struktur (durchgezogene Linien), sowie die Werte ohne diese Bedeckung, d.h die Ausgangsstruktur mit 150nm Schichtdicke (durchbrochene Linien) . Auch hierbei wird deutlich, dass mit erheblicher Genauigkeit eine Schichtdickenänderung gemessen werden kann.As already mentioned above, in a somewhat more precise consideration, the exact index of the biology (nb = 1.48) and the way in which the material is adsorbed (also covering the sidewalls of the grid) can be included in the calculation. Figure 4 shows Psi and Delta as a function of angle of incidence for an Inm Biology-covered structure (solid lines) and values without this coverage, ie, the starting structure with 150nm layer thickness (broken lines). Here, too, it becomes clear that a change in layer thickness can be measured with considerable accuracy.
Wir hätten auch den Quotienten der Reflexionen im Winkelbereich von 0° bis 2° betrachten können. Hierbei ist allerdings das Reflexions¬ signal der TM-Polarisation bei ca 0.35% und die Quotientenbildung wird eher kritisch. In dem Fall geht man besser auf das Absolutsi¬ gnal der TE-Polarisation. Auch DELTA zeigt in diesem Winkelbereich eine sich mit zunehmender Schichtdicke verschiebende Charakteristik. Beide sind allerdings nicht so steil und liefern damit nicht die Auflösung.We could also have considered the quotient of the reflections in the angle range from 0 ° to 2 °. In this case, however, the reflection signal of the TM polarization is approximately 0.35% and the quotient formation becomes rather critical. In that case, one better approaches the absolute signal of the TE polarization. DELTA also shows a characteristic which shifts with increasing layer thickness in this angular range. Both are not so steep and do not deliver the resolution.
Mit einem solchen Verfahren kann sehr gut abbildende Ellipsometrie betrieben werden. Ein wie oben beschriebenes erfindungsgemäßes Sub- strat kann hiermit ortsaufgelöst und markerfrei hinsichtlich adsor¬ bierten Materials untersucht werden. Da dies berührungsfrei möglich ist, ist es auch möglich Dynamik-Messungen zu machen.With such a method very well-imaging ellipsometry can be operated. A substrate according to the invention as described above can hereby be investigated in a spatially resolved and label-free manner with respect to adsorbed material. Since this is possible without contact, it is also possible to make dynamic measurements.
Wie eingangs beschrieben, eignet sich prinzipiell jede Art von opti- schein Resonanzphänomen welches lateral lokalisiert auftritt. DerAs described above, in principle any type of optic resonance phenomenon which occurs laterally localized is suitable. Of the
Rahmen der Erfindung soll daher nicht auf die ausführlich diskutier¬ ten resonanten Gitter beschränkt sein, die eine Reflexionsanomalie aufweisen.The scope of the invention should therefore not be limited to the resonant gratings discussed in detail, which have a reflection anomaly.
Bisher wurde die Diskussion auf den Fall nichtkonischer Beleuchtung beschränkt. Unter nichtkonischer Beleuchtung wird diejenige Beauf¬ schlagung mit Licht bezeichnet, bei der die Einfallsebene senkrecht auf den Gitterstäben steht, d.h. der Gittervektor in der Einfallse¬ bene liegt. Wird der Gittervektor aus der Einfallsebene herausge- dreht, so spricht man von konischer Beleuchtung. Die Erfinder haben festgestellt, dass die konische Beleuchtung im Rahmen der Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden kann. Zu beachten ist dabei, dass sich der Resonanzwinkel mit dem Betrag des Gitterdrehwinkels, d.h. des Winkelbetrages, um den der Gittervektor aus der Einfallsebene her- ausgedreht ist, verändert. Wie bereits oben diskutiert, ist die Del¬ ta-Steigung limitierender Faktor für die Messgenauigkeit. Die fol- gende Tabelle gibt die gemessene Abhängigkeit der Delta-Steigung vom Gitterdrehwinkel an. In der letzten Spalte ist diese Messgröße über¬ setzt in die Sensitivität.So far, the discussion has been limited to the case of non-conical lighting. Non-conical illumination denotes the exposure to light in which the plane of incidence is perpendicular to the bars, ie the grid vector lies in the plane of incidence. If the grating vector is turned out of the plane of incidence, it is called conical illumination. The inventors have found that the conical illumination can be used advantageously in the context of the invention. It should be noted that the resonance angle changes with the amount of the grating rotation angle, ie the angle amount by which the grating vector is rotated out of the plane of incidence. As already discussed above, the Del ta gradient is limiting factor for the measurement accuracy. The following The table below gives the measured dependence of the delta slope on the lattice rotation angle. In the last column, this parameter translates into the sensitivity.
unterschiedlichste Gittergeometrien, die Resonanzen aufweisen, kön¬ nen verwendet werden. Es können auch Kreuzgitter mit beispielsweise unterschiedliche Gitterperiode in x- und y-Richtung können zur An- wendung kommen. Von besonderem Interesse sind diejenigen Struktu¬ ren, die eine Resonanz bei sehr kleinen Einfallswinkeln aufweisen. Hier wäre beispielsweise ein Ausbau der sonst üblichen Fluoreszenz¬ scanner auf die ellipsometrische Methode denkbar. Allerdings gibt es auch bereits Fluoreszenzscanner, die eine Wahl des Einfallswinkels gestatten (Beispiel Fa. Tecan) . Auch hier wäre ein Ausbau auf die oben beschriebene labelfreie Methode denkbar.Different grid geometries, which have resonances, can be used. Cross gratings with, for example, different grating periods in the x and y directions can also be used. Of particular interest are those structures which have a resonance at very small angles of incidence. Here, for example, an expansion of the otherwise customary fluorescence scanners to the ellipsometric method would be conceivable. However, there are already fluorescence scanners that allow a choice of the angle of incidence (example Fa. Tecan). Again, an extension to the above-described label-free method would be conceivable.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die mit der vorliegenden Erfin- düng erzielte Sensitivität derjenigen einer vollen SPR-Messung gleicht. Wie bereits ausgeführt, besteht die Möglichkeit, die Sensi¬ tivität auf einen gewünschten Wert durch Gitterdrehung einzustellen. Dazu sind keine aufwändigen Hilfsmittel, wie Anlegen eines elektri¬ schen Feldes im Fall des abstimmbaren SPR-Sensors [Patent DE 100 19 359] nötig. Es ist hier im Gegensatz zur SPR nicht nötig, durch ein Prisma unter Verwendung von Immersionsöl das Licht einzukoppeln. Ebenso wird die Verwendung eines Metallfilms vermieden. Der Nachteil von Metallfilmen besteht darin, dass Thiol als Aktivierung für die biologischen Bindungspartner verwendet werden muss, und dass die op- tischen Eigenschaften von Goldfilmen nicht gut reproduzierbar sind. Die Handhabung wird ohne Metall und ohne Immersionsöl deutlich ein¬ facher und schneller. Zur quantitativen Bestimmung der Dicke einer Reaktionsschicht auf einem SPR-Sensor müssen die Parameter Dicke, Index und Extinktion des Goldfilms auf jedem Sensor vor der Kinetik bestimmt werden, da diese Parameter im Allgemeinen über die Produktionschargen variie- ren. Dieses Problem besteht bei der Resonanzplattform nicht; im Ver¬ gleich mit der SPR zeichnet sich die Resonanzplattform also dadurch aus, dass Schichtdicken auf dem Ta2O5, z.B. bei einer Reaktionskine¬ tik, mit weniger Messaufwand und mit höherer Genauigkeit gemessen werden.In summary, it can be said that the sensitivity achieved with the present invention is equal to that of a full SPR measurement. As already stated, it is possible to set the sensitivity to a desired value by grid rotation. For this purpose, no complicated aids, such as applying an electric field in the case of the tunable SPR sensor [Patent DE 100 19 359] are necessary. Unlike the SPR, it is not necessary here to couple the light through a prism using immersion oil. Likewise, the use of a metal film is avoided. The disadvantage of metal films is that thiol must be used as an activator for the biological binding partners, and that the optical properties of gold films are not well reproducible. Handling is much simpler and faster without metal and without immersion oil. To quantitatively determine the thickness of a reaction layer on an SPR sensor, the parameters thickness, index, and extinction of the gold film on each sensor must be determined prior to kinetics, as these parameters generally vary across production batches. This problem does not exist with the resonant platform ; In comparison with the SPR, the resonance platform is therefore characterized by the fact that layer thicknesses on the Ta 2 O 5, for example in a reaction kinetics, are measured with less measurement effort and with higher accuracy.
Die Aufnahme von Reaktionskinetiken in vielen Kanälen gleichzeitig kann auf dem Gitterkoppler ebenso durchgeführt werden, wie es mit abbildender SPR auf einem SPR-Sensor üblich ist. Dabei wird die Delta-Änderung während einer Schichtdickenänderung bei konstantem Einfallswinkel aufgenommen und daraus die Schichtdickenkinetik be¬ stimmt. The recording of reaction kinetics in many channels simultaneously can be performed on the grating coupler as well as with imaging SPR on a SPR sensor. The change in delta during a change in layer thickness is recorded at a constant angle of incidence, and the layer thickness kinetics is determined therefrom.

Claims

Ansprüche: Claims:
1. Vorrichtung zur Durchführung von Ellipsometriemessungen, mit ei¬ nem Eilipsometer und einer Resonanzplattform, wobei an der Resonanz- plattform Mittel vorgesehen sind, durch die bei Beaufschlagung mit Licht des Eilipsometers lateral lokalisierte resonante Moden ange¬ regt werden können.1. An apparatus for performing ellipsometry measurements, with ei¬ nem Eilipsometer and a resonance platform, wherein on the resonance platform means are provided by the laterally located upon exposure to light of Eilipsometers located resonant modes can be ange¬ excited.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die be- sagten vorgesehenen Mittel ein resonantes Gitter umfassen, dessen2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the said means provided comprise a resonant grating whose
Gitterperiode in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichtes ist das die Lichquelle des Eilipsometers aussendet.Grating period in the order of the wavelength of the light is that emits the light source of the ellipsometer.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Re- sonanzplattforrn ein transparentes Substrat umfasst das mit minde¬ stens einer dielektrischen Schicht beschichtet ist und das resonante Gitter in dieser Schicht oder an zumindest einer der diese Schicht begrenzenden Grenzfläche vorgesehen ist.3. A device according to claim 2, characterized in that the resonant plates comprise a transparent substrate which is coated with at least one dielectric layer and the resonant grid is provided in this layer or at least one of the interface defining this layer.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Resonanzplattform in der Vorrichtung um eine Ach¬ se, die senkrecht auf der Oberfläche der Resonanzplattform steht, relativ zur Einfallsebene des Lichtes des Eilipsometers drehbar ge¬ lagert ist und in gedrehter Stellung fixiert werden kann.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that the resonance platform in the device about a Ach¬ se, which is perpendicular to the surface of the resonance platform, relative to the plane of incidence of the light of the ellipsometer rotatably ge is stored ge and can be fixed in the rotated position.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnt, dass das Eilipsometer ein abbildendes Eilipsometer ist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the ellipsometer is an imaging ellipsometer.
6. Verfahren zur Messung der Adsorption oder Desorption von Stoffen an einer Oberfläche, das folgende Schritte umfasst:6. A method of measuring the adsorption or desorption of substances on a surface comprising the steps of:
- Bereitstellen eines Eilipsometers- Provide an ellipsometer
- Bereitstellen eines Substrates mit für lateral lokalisierte Moden resonanter OberflächeProviding a substrate with resonant surface for laterally localized modes
- Kontaktierung der Oberfläche mit einem den zu messenden Stoff um- fassenden Medium - Anregung lateral lokalisierter Moden durch Beaufschlagung der Re¬ sonanzplattform mit polarisiertem Licht- contacting the surface with a medium comprising the substance to be measured - Excitation laterally localized modes by applying the Reε sonanzplattform with polarized light
- Ermittlung der Lage der Resonanzkurve in Abhängigkeit mindestens eines Anregungsparameters.- Determining the position of the resonance curve as a function of at least one excitation parameter.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Refe¬ renz die Lage der Resonanzkurve bei Kontaktierung der Oberfläche mit dem Medium ohne den zu messenden Stoff ermittelt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the position of the resonance curve when contacting the surface with the medium without the substance to be measured is determined as Refe¬ renz.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Ermittlung der Lage der Referenzkurve örtlich aufge¬ löst erfolgt.8. The method according to any one of claims 6 and 7, characterized gekennzeich¬ net, that the determination of the position of the reference curve takes place dissolved locally.
9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die ermit- telten örtlich aufgelösten Lagedaten zu einem Bild verarbeitet wer¬ den9. The method according to claim 8, characterized in that the determined spatially resolved position data are processed into an image
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeich¬ net, dass die in der Ellipsometrie üblichen Parameter PSI und/oder DELTA ermittelt werden, wobei PSI das Verhältnis der Amplitudenände¬ rung der s- und p-Polarisation nach Reflexion und DELTA den relati¬ ven Phasenschift (Delta) der Polarisationskomponenten nach Reflexion angibt.10. The method according to any one of claims 6 to 9 characterized gekennzeich¬ net, that the usual in ellipsometry parameters PSI and / or DELTA are determined, PSI the ratio of the amplitude change of the s and p polarization after reflection and DELTA the Relati¬ ven Phasenschift (delta) of the polarization components indicates after reflection.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass zur Anregung lateral lokalisierter Moden konisch mit Licht beaufschlagt wird. 11. The method according to any one of claims 6 to 10, characterized gekenn¬ characterized in that is applied to excite laterally localized modes conically with light.
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