WO2006008112A1 - Ellipsometrievorrichtung mit einer resonanzplattform - Google Patents

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WO2006008112A1
WO2006008112A1 PCT/EP2005/007795 EP2005007795W WO2006008112A1 WO 2006008112 A1 WO2006008112 A1 WO 2006008112A1 EP 2005007795 W EP2005007795 W EP 2005007795W WO 2006008112 A1 WO2006008112 A1 WO 2006008112A1
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light
resonance
ellipsometer
resonant
modes
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PCT/EP2005/007795
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Max Wiki
Johannes Edlinger
Matthias Vaupel
Andreas Eing
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Oc Oerlikon Balzers Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211—Ellipsometry

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.

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die vorteilhafte Fortbildung einer unter der Gattung der Ellipsometer einzuordnenden Vorrichtung. Dabei wird das herkömmliche Ellipsometer um eine so genannte Resonanzplattform ergänzt, auf deren Oberfläche Moden angeregt werden können. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Oberflächenplasmonen sind die erfindungsgemäßen Moden lateral lokalisiert. Ausserdem umfasst die Resonanzplattform nicht notwendigerweise eine metallische Schicht. Die Vorrichtung kann auch als abbildende Vorrichtung ausgestaltet sein. Im erfinderischen Verfahren wird die zu messende Probe auf die Oberfläche der Resonanzplattform aufgebracht und anschliessend mit Licht beaufschlagt und dadurch Moden angeregt. Die Resonanzlage der Moden wird durch das Adsortionsverhalten des zu messenden Stoffes bestimmt.

Description

Ellipsometrievorrichtung mit einer Resonanzplattform
Gebiet auf das sich die Erfindung bezieht
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.
Stand der Technik
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.
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.
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.
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 im
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.
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 und
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.
Übersicht über die vorliegende Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Vorrichtung der oben beschriebenen Art kann ein abbildendes El- lipsometer umfassen.
Erfindungsgemäß kann zur Messung der Adsorption oder Desorption von Stoffen an einer Oberfläche das folgendermaßen vorgegangen werden:
- Bereitstellen eines Eilipsometers - Bereitstellen eines Substrates mit für lateral lokalisierte Moden resonanter Oberfläche
- Kontaktierung der Oberfläche mit einem den zu messenden Stoff um¬ fassenden Medium
- Anregung lateral lokalisierter Moden durch Beaufschlagung der Re- sonanzplattform mit polarisiertem Licht
- Ermittlung der Lage der Resonanzkurve in Abhängigkeit mindestens eines Anregungsparameters.
Zusätzlich kann als Referenz die Lage der Resonanzkurve bei Kontak- tierung der Oberfläche mit dem Medium ohne den zu messenden Stoff ermittelt werden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Wie eingangs beschrieben, eignet sich prinzipiell jede Art von opti- schein Resonanzphänomen welches lateral lokalisiert auftritt. Der
Rahmen der Erfindung soll daher nicht auf die ausführlich diskutier¬ ten resonanten Gitter beschränkt sein, die eine Reflexionsanomalie aufweisen.
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.
Figure imgf000013_0001
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.
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.
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.

Claims

Ansprüche:
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.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die be- sagten vorgesehenen Mittel ein resonantes Gitter umfassen, dessen
Gitterperiode in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichtes ist das die Lichquelle des Eilipsometers aussendet.
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.
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.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnt, dass das Eilipsometer ein abbildendes Eilipsometer ist.
6. Verfahren zur Messung der Adsorption oder Desorption von Stoffen an einer Oberfläche, das folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines Eilipsometers
- Bereitstellen eines Substrates mit für lateral lokalisierte Moden resonanter Oberfläche
- Kontaktierung der Oberfläche mit einem den zu messenden Stoff um- fassenden Medium - Anregung lateral lokalisierter Moden durch Beaufschlagung der Re¬ sonanzplattform mit polarisiertem Licht
- Ermittlung der Lage der Resonanzkurve in Abhängigkeit mindestens eines Anregungsparameters.
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.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Ermittlung der Lage der Referenzkurve örtlich aufge¬ löst erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die ermit- telten örtlich aufgelösten Lagedaten zu einem Bild verarbeitet wer¬ den
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.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass zur Anregung lateral lokalisierter Moden konisch mit Licht beaufschlagt wird.
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