EP2561392A1 - Vorrichtung zur abbildung einer probenoberfläche - Google Patents

Vorrichtung zur abbildung einer probenoberfläche

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EP2561392A1
EP2561392A1 EP11716829A EP11716829A EP2561392A1 EP 2561392 A1 EP2561392 A1 EP 2561392A1 EP 11716829 A EP11716829 A EP 11716829A EP 11716829 A EP11716829 A EP 11716829A EP 2561392 A1 EP2561392 A1 EP 2561392A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
confocal
sample
topography
raman
light
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11716829A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Spizig
Wolfram Ibach
Detlef Sanchen
Gerhard Volswinkler
Olaf Hollricher
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.)
Witec Wissenschaftliche Instrumente und Technologie GmbH
Original Assignee
Witec Wissenschaftliche Instrumente und Technologie GmbH
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
Priority claimed from DE102010015428.8A external-priority patent/DE102010015428B4/de
Application filed by Witec Wissenschaftliche Instrumente und Technologie GmbH filed Critical Witec Wissenschaftliche Instrumente und Technologie GmbH
Publication of EP2561392A1 publication Critical patent/EP2561392A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0052—Optical details of the image generation
    • G02B21/006—Optical details of the image generation focusing arrangements; selection of the plane to be imaged

Definitions

  • the invention relates to a device for imaging the surface, in particular surface of a sample by scanning a plurality of substantially point-shaped regions of the surface by means of confocal microscopy.
  • confocal microscopy a confocal imaging of the substantially punctiform region of the surface takes place through a detector located in the image plane.
  • the invention relates to so-called confocal Raman and / or fluorescence microscopes or devices for confocal fluorescence and / or Raman microscopy, but without being limited thereto.
  • Device for determining the topography of a surface which can be imaged using confocal microscopy or confocal Raman and / or fluorescence microscopy.
  • Raman measurements or fluorescence measurements it is possible to excite a sample with a light source, for example a laser light source, and on the basis of the Raman signal emitted by the sample or
  • Fluorescence signal chemically different materials of the sample.
  • the light of a light source is passed through a lens on the way to the sample and thus focused on a substantially punctiform area or point of the sample surface.
  • the objective can be used to pick up the light emitted by the specimen, in particular the emitted Raman or fluorescence light, and to conduct it to a detector. With the aid of the objective, it is thus possible to confocally confine a point or a substantially punctiform region of the sample
  • Illustration is a substantially punctiform light source, preferably a laser light source, imaged on a resulting from the wave nature of the light focus (Abbe condition) or a substantially point-shaped area, ideally to a point of the sample. Subsequently, this pixel is preferably focused with the same lens, that is with the same lens on a pinhole, a so-called pinhole, in front of a detector. Instead of arranging a separate pinhole in front of the detector, it would also be possible for the detector itself to represent the pinhole. If the confocal image is used for microscopy, then a significant increase in the image contrast is achieved since only the focal plane of the objective contributes to the imaging.
  • the confocal measurement has in many applications, eg. B. Raman and / or fluorescence measurements advantages, since an existing scattered light background is suppressed very strong.
  • the problem with confocal measurements or confocal microscopy is that due to drift, sample unevenness, roughness, but also tilting of the sample, the plane or surface to be imaged, in particular the surface when scanning the sample, does not remain in the focal plane.
  • confocal light microscopy reference is made to DE 199 02 234 A1, in which a microscope with a confocal objective is described in detail.
  • a confocal Raman and / or fluorescence microscope is from the
  • US Pat. No. 5,581,082 discloses an AFM microscope or STM microscope which is combined with a confocal microscope. With the AFM tip, the sample can be scanned in the microscope known from US Pat. No. 5,581,082, in particular also in the z-direction. In US 5,581,082 depth information is obtained using the AFM tip. During the AFM measurement, in particular the AFM topography measurement, also recorded optical signals, so that the topography data obtained from the AFM topography measurement can be correlated with the optical data. In US Pat. No. 5,581,082, the confocal measurement is always performed simultaneously with the topography measurement. A disadvantage of US Pat. No.
  • 5,581,082 is the limited scan range, which is in the range from 100 .mu.m to a maximum of 300 .mu.m in the xy plane. Furthermore, with the AFM tip in z-direction only depth information maximum in the range 5-10 pm can be provided. Thus, US Pat. No. 5,581,082 does not permit measurements of sample areas> 300 pm and roughnesses> 10 pm.
  • the object of the invention is therefore to provide a device with which the disadvantages of the prior art can be avoided.
  • this object is achieved in a first aspect of the invention in that a device for imaging a plane or surface, in particular a sample surface with a topography with the aid of confocal Microscopy, in particular confocal Raman and / or fluorescence microscopy is provided, wherein values for the topography of the surface by means of a surface topography, preferably a non-tactile
  • Surface sensor to be determined and using the values for the topography of the surface of the surface to be imaged, in particular surface, when scanning in the confocal plane for confocal microscopy, in particular Raman and / or fluorescence microscopy spent.
  • the determination of the surface topography according to the invention makes it possible to remain on the surface during a subsequent Raman measurement or to measure it at a defined depth.
  • the measured topography is stored, processed and subsequently traced.
  • a control is used to keep the sample in focus (or a plane parallel thereto) (1-step process).
  • the image of the plane or surface, in particular surface with confocal microscopy, in particular Raman and / or fluorescence microscopy, is obtained by screening a plurality of substantially point-shaped regions of the plane or surface, in particular surface with a device for confocal imaging of the substantially point-like Area of the plane or surface, in particular surface in a focal plane to a detector achieved.
  • the sample can be held in two ways while knowing the values of the surface topography in the confocal plane or focal plane.
  • a first embodiment of the invention two-stage process
  • Sample level is mapped.
  • the values for the surface topography are used in this device to move the sample so that the plane to be imaged when scanning the sample by means of a confocal
  • Microscope in particular a confocal Raman or fluorescence microscope in the focal plane of the confocal microscope, remains independent of
  • a value for the surface topography is first determined at a substantially point-shaped region of the sample, the sample is placed in the focal plane or confocal plane of the plane to be imaged, and then this region confocal, z.
  • This type of device is characterized in that
  • the sample When scanning, the sample is first placed on a substantially point-shaped area, determined a value for the topography of the surface and moved with the value for the topography of the sample in the confocal plane and the substantially point-shaped area is mapped;
  • Surface topography using a surface topography in particular a non-tactile surface topography sensor, for example, a confocal chromatic sensor takes place.
  • a confocal chromatic sensor has been exemplified herein as a surface topography sensor, the invention is by no means limited thereto.
  • Surface topography sensors can be any type of non-tactile or tactile sensors that can obtain information about the topography of a sample surface. Examples of tactile sensors are, for example, surface topography sensors, which are referred to as so-called profilometers, or stylus cutters
  • non-tactile or non-tactile sensors are essentially optical sensors based on surface topography sensors
  • White light interferometer a triangulation sensor, a laser scanning system or just the described confocal chromatic sensor.
  • Spectrometer mapped and evaluated by means of a spectrometer, so can from this signal directly the distance, for example, the confocal
  • Spectrometer a sample distance can be assigned.
  • the confocal chromatic sensor allows optical determination of the sample surface topography and thus a rastering of the samples and a confocal imaging of the sample surface even with insufficiently flat topography.
  • a position signal of the confocal chromatic sensor for example in the case of a Raman microscope, to track the focal plane or confocal plane and thus also confocal Raman microscopy, even if the intensity is pronounced, i. to operate a non-planar sample topography.
  • a position signal of the confocal chromatic sensor for example in the case of a Raman microscope, to track the focal plane or confocal plane and thus also confocal Raman microscopy, even if the intensity is pronounced, i. to operate a non-planar sample topography.
  • Chromatic sensor is an optical system, in particular a lens system with a large chromatic error.
  • a chromatic aberration or chromatic aberration is understood to mean an error caused by the wavelength dependence of the
  • Refractive indices of the material used in the lenses instead of lenses as optical components to produce a large chromatic aberration, diffractive components could also be used in the confocal chromatic sensor. From the wavelength dependence of the refractive index of the glass of the refractive component then follows that the focal length has a wavelength dependence, that is, the confocal plane for
  • Confocal chromatic sensors are particularly suitable for the distance measurement with a resolution in the range of greater than 1 nm to 1 pm, preferably greater than 1 nm to 100 nm, since they due to their high accuracy and their simultaneously large measuring range for example, from 100 ⁇ to 40 mm, in particular from 120 pm to 21 mm, most preferably 40 pm to 12 mm ranges, do not need to be refocused.
  • the light spot in the xy plane has a size ⁇ in the range of for example 0.1 to 1 mm, preferably 7 ⁇ to 150 pm, in particular 10 ⁇ ⁇ to 100 pm, depending on the measuring range and a large working distance, depending to the sensor from greater than 100 ⁇ to 200 mm is enough.
  • the sample surface can first be measured with a confocal chromatic sensor in a two-stage process, and then this topography can be traced in a confocal optical measurement, for example a confocal Raman microscopy. In this way one becomes
  • the light of a non-monochromatic, preferably broadband light source is in the confocal chromatic sensor by the refractive
  • Sample surface passed as a light spot, reflected from the sample, collected and evaluated by means of a spectrometer, wherein the wavelength in the focal plane of the sample surface, in the spectrometer a
  • Intensity maximum shows. Preferably, it is not
  • broadband light source around a white light source, i. a broadband light source in the visible wavelength range.
  • broadband light sources that emit non-visible light, for example in the IR wavelength range or in the ultraviolet
  • Wavelength range Such illumination of the sample surface would provide the opportunity to decouple the beam paths from the confocal chromatic sensor and, for example, a Raman microscope and to use the same objective both for Raman measurements using the Raman microscope and for the chromatic sensor.
  • determining the values of the surface topography with the aid of a confocal chromatic sensor other possibilities are also conceivable. For example, it would also be possible not to determine the surface topography by means of a confocal chromatic sensor, but the sample could also be periodically moved along the z-direction, for example.
  • By periodically moving the sample one can obtain an average in the direction perpendicular to the sample surface, ie in the z-direction, and thus obtain an always sharp image of the sample surface with a relatively uniform intensity.
  • This device is also referred to as extended-focus device or extended focus device.
  • the modulation depth of the movement of the roughness or topography of the sample is also referred to as extended-focus device or extended focus device.
  • the center of the modulation i. the periodic movement, tracked in the z-direction, in order not to have to choose the modulation depth too large for very rough samples. This makes use of the fact that during the modulation, the focus of the
  • the detected signal is similar to a Gaussian curve, whose position of the maximum coincides with the ideal focus on the surface.
  • Compensate for surface roughness Such a tracking is described in detail by way of example in FIG. 6 of the application. Reference is made to the description there. It is particularly preferred that the confocal Raman microscope and / or
  • Fluorescence microscope comprises a light source for exciting a light emission in the sample and a detector for detecting the photons emitted by the light emission, in particular the emitted Raman and / or
  • the invention also provides a device for imaging the surface of a sample by scanning a plurality of substantially point-shaped areas of the surface, comprising means for confocal imaging of the substantially point-shaped area of the surface
  • the device preferably has a surface topography sensor.
  • the surface topography sensor may in one embodiment be an independent device. However, this is not mandatory for the invention.
  • Surface topography sensors are suitable for any type of sensors with which it is possible to determine the surface topography, i. for example, the deviation of a sample surface from the sample plane in the direction perpendicular to the sample surface, i. in the z direction, to measure.
  • Surface topography sensors can be both non-contact and non-contact, ie, tactile, surface topography sensors.
  • tactile surface topography sensors are mechanical profilometers, atomic force microscopes (AFM microscopes), for example the AFM microscope alpha 300A from WiTec GmbH or styli.
  • non-contact surface topographies are, in particular, optical sensors such as white light interferometers, triangulation sensors, laser scanning systems, which exploit, for example, confocal microscopy, and confocal chromatic sensors.
  • the surface topography sensor is an optical sensor, then in a first embodiment it has an independent beam path next to it
  • the excitation focus of the laser for the Raman measurement is passed through the same objective as the excitation focus of the surface topography sensor.
  • the light of the confocal Raman and / or fluorescence microscopes comes to lie in a first wavelength range and the light of the confocal chromatic sensor in a second wavelength range, wherein it is particularly preferred if the first and second wavelength ranges do not overlap.
  • Wavelength ranges do not overlap, they are preferably chosen so that the first wavelength range emitted by the boundaries
  • Lumineszenzsektrums and / or Ramanspektrums the size to be examined is defined and the second wavelength above or below the first wavelength range without overlapping with the first
  • Wavelength range is.
  • the first wavelength range for the emitted luminescence or Raman spectrum of the sample to be examined may be in the range from 500 nm to 1100 nm, in particular 532 nm to 650 nm.
  • the second wavelength range is from 350nm to 500nm, preferably from 400nm to 500nm.
  • a confocal Raman microscope as a tactile device for a combination with the Raman microscopes Atomic Force Microscopy (AFM) is.
  • Scanning probe in the form of a tip scanned the sample surface.
  • the light of the monochromatic light source is passed through a lens on the way to the sample and thus focused substantially at a point on the sample surface.
  • a spectrometer measures the light emitted by the sample, i. spectrally decomposed the Raman or fluorescence light.
  • Such a spectral decomposition can be done in the spectrometer, for example with a grating or a prism. If the thus decomposed light is recorded with a CCD camera, it is possible to record a complete spectrum of the Raman or fluorescence light scattered by the sample.
  • the advantage of the spectral decomposition of the Raman light in a Raman microscope is that, for example, by turning the grating in the spectrometer, an arbitrary spectral range can be selected for the detector for the measurement.
  • the device in particular the confocal microscope, preferably the confocal Raman and / or confocal fluorescence microscope, can have a movable sample table which makes it possible, by moving the sample
  • the excitation light source or the detector can also be moved, to get an image of the sample. It is also possible to record spatial maps of spectral properties of the sample. Especially with a confocal image, a very high depth resolution is achieved.
  • the confocal chromatic sensor is typically in addition to the imaging device, i. with own beam path
  • the surface topography determined, for example, by means of a confocal optical sensor will usually be used to be used in a downstream or simultaneous Raman measurement to continuously scan the sample surface in the focal plane of the objective, e.g. B. to keep in the plane for confocal Raman microscopy.
  • the X-Y scan of the sample is extended to an X-Y-Z scan, whereby the Z-scan serves to equalize the sample topography.
  • Surface topography sensor in particular an optical surface topography sensor, wherein the beam path of the
  • Surface topography sensor is different from the beam path of the Raman microscope
  • Fig. 1b shows the basic structure of a Raman microscope with an optical surface topography, wherein the
  • Fig. 1c topography measurement on a sample with a device according to
  • Fig. 2 is a topography of a coin measured with a device with a confocal chromatic sensor.
  • Fig. 3 is a topography image of a tablet overlaid with information from Raman microscopy
  • Fig. 5a - 5b shows a recording of a rough silicon surface as konfokales
  • FIGS. 7a-7b show a measurement with confocal automatic focus tracking as an optical image and as a topography image.
  • a so-called confocal Raman microscope the invention is not limited thereto. Rather, it includes all Confocal microscopes, in particular confocal light microscopes or fluorescence microscopes. Also, for such confocal microscopes, a chromatic sensor can be used to add to the confocal plane
  • FIG. 1a shows the basic structure of a first embodiment of a confocal Raman microscope for receiving a sample surface.
  • confocal Raman microscopy chemical properties and phases of liquid and solid components can be analyzed down to the diffraction-limited resolving power of approximately 200 nanometers. A marking of the sample, for example, with fluorescers as in fluorescence microscopy is not necessary.
  • the confocal design provides a depth resolution that allows the sample to be analyzed in depth without having to make cuts, for example.
  • a point light source preferably a laser
  • this pixel is preferably focused with the same optics on a pinhole, a so-called pin-hole, in front of a detector.
  • the size of the pinhole must be adapted to the diffraction limited image of the
  • Be lighting picture The image is now generated by rasterizing a point of the illumination source over the sample so that the sample is scanned point by point.
  • the resolution due to the convolution of the diffraction point with the aperture of the pinhole can be reduced by about a factor of 2 to about ⁇ / 3.
  • a three-dimensional image of the sample structure with an axial resolution of about one wavelength can be obtained.
  • FIG. 1a shows a possible structure of a confocal Raman microscope, for example of the microscope alpha300 R of Witec GmbH, D-89081 Ulm, Germany.
  • the light from a light source 10 is directed onto the sample table 8 at a beam splitter mirror 12 after a beam widening 14 in the direction of the sample 16.
  • the deflected light beam 19 is focused by a suitable optical system 21 on a substantially point-shaped region 20 on the sample 16.
  • the light of the laser 10 interacts with the matter of the sample 16.
  • Rayleigh light of the same wavelength as the incident light is scattered back from the sample. This light is deflected via a beam splitter 12 to a
  • Edge filter or notch filter 13 and does not reach the detection optics.
  • Optical fiber 30 coupled and passes to a spectrometer 40.
  • the beam is re-expanded with Raman light by a suitable optics, resulting in the beam 42, which hits a grating spectral filter 44.
  • the grating spectral filter 44 diffracts the light according to its wavelength in different directions, so that on the CCD chip 50 location-dependent a spectral signal can be recorded.
  • the CCD chip 50 has
  • the image of the sample is formed by scanning in the x- / y-plane in the direction of arrow 130.
  • the confocal Raman microscope 1 further includes a confocal chromatic sensor 80.
  • the confocal chromatic sensor 80 is implemented in addition to the confocal Raman microscope 1.
  • the confocal chromatic sensor comprises in the illustrated embodiment according to FIG. 1a a separate beam path independent of the Raman microscope 1.
  • the confocal chromatic sensor 80 has its own white light source 8120, a refractive optical element 8122, an optical arrangement for receiving the light reflected from the sample, and a photosensitive sensor unit which can detect and evaluate the associated spectral color, for example a spectrometer ,
  • the light from the white light source 8120 passes through the lens system with a high chromatic aberration of the refractive optical element. Depending on the wavelength, the incident white light is imaged into different focal planes. The light imaged in different focal planes is reflected by the sample 16, e.g. B. recorded by the optics and supplied to the spectrometer 8140 as a sensor component. With the help of the spectrometer 8140, the signal can be evaluated and determined from this signal directly the distance of the refractive optical element 8122 of the confocal chromatic sensor 80 to the surface of the sample 16 and thus the surface topography can be determined.
  • the wavelength in whose focal plane the sample surface is located shows, for example, an intensity maximum in a spectrometer 8140.
  • the determination of the intensity values allows each wavelength in spectrometer 8140 to have a sample spacing, i. one
  • Distance sample 16 - refractive optical element 8122 is assignable.
  • the confocal chromatic sensor 80 it is possible to determine the topography of the sample purely optically fast and directly, ie without a time-consuming scanning perpendicular to the sample plane, ie in the z-direction.
  • the confocal chromatic sensor 80 thus enables an optical
  • the confocal chromatic sensor has its own beam path, this is not mandatory.
  • the confocal chromatic sensor has its own beam path, this is not mandatory.
  • FIG. 1b shows the basic structure of a confocal Raman microscope, wherein the excitation radiation of the light source or of the laser for the Raman measurement according to a second exemplary embodiment of the invention is guided parallel to the excitation radiation for the topography measurement.
  • both the light of the light source 2010 for exciting the Raman effect and the light of the confocal chromatic sensor 2080 are focused by the same optic 2029 on substantially the same area 2020 of the sample 2016.
  • the focus position for the Raman measurement, i. the confocal focus of the excitation laser light of the light source 2010 for excitation of the Raman effect can be within the measurement range of the confocal chromatic
  • the light from the light source 2010 is coupled in by means of a beam splitter 2012.1 in the direction of the sample 2016.
  • the light beam 2019 is deflected in the beam splitter 2012.1 in the direction of the sample 2016 and passes through the further beam splitter 2012.2.
  • the Raman light generated by the sample through interaction passes through both the beam splitter 2012.1 and the beam splitter 2012.2 and is designated 2022 after beam splitter 2012.2.
  • Behind beam splitter 2012.2, the beam of light 2022 is on a pinhole 2013 in front of a
  • Detector (not shown) focused.
  • the ellipsoid 2092 shown in the light path between the chromatic sensor 2080 and the lens 2094 indicates.
  • the Raman light is detected, for example, spectrally resolved.
  • the light from the light source (not shown) of the confocal chromatic sensor 2080 is transmitted via the further beam splitter 2012.2 through the same optics 2029 as the light for excitation of the Raman. Effect on the sample 2016 steered.
  • the light beam is designated 2019.
  • the white light from the light source of the confocal chromatic sensor directed to the sample is designated 2088.
  • the white light irradiated onto the sample is imaged into different focal planes and reflected by the sample.
  • the reflected light 2089 is in turn directed to the confocal chromatic sensor 2080 via the further beam splitter 2012.2 and evaluated in order to determine the surface topography.
  • time-division device For example, the light of the chromatic optical sensor in the wavelength range of 400 nm to 500 nm and the wavelength of light to excite the Raman effect at 532 nm. Such a constellation would then allow the recording of Raman spectra usually above 532 nm. Of course, the selection of other wavelengths would be conceivable. Alternative to different
  • Wavelength ranges the measurements could also be carried out in temporal change and then the evaluation in the time-division multiplex device.
  • the focus position of the laser in the sample can be set arbitrarily within the capture range for the chromatic sensor 2080.
  • the descendant of the scanner or the stepper motor can be done both via a controller and via an actuator. In the second case, however, the 2080 chromatic optical sensor must be used for the high-resolution
  • a pure topography measurement by means of a high-resolution objective 2029 alone is possible because the lateral image of the chromatic optical sensor improves by the factor of the reduction due to the decreasing image. At the same time, the topography resolution is also improved.
  • This non-contact topography measurement is particularly suitable for samples whose topography is already too high for the AFM (> 5 ⁇ ) or whose lateral structures are much larger than the typical scanning ranges of piezo scanners (100pm).
  • the scanning range is 500 ⁇ x 500pm and the color scale (black to white) ranges from 0-5 ⁇ .
  • the recorded light of the topography or Raman measurement according to FIG. 1a or 1b is transmitted with the aid of, for example, a CCD chip 50 to an evaluation unit 100, 2100.
  • the evaluation unit 100, 2100 is part of a control of the sample table 18, 2018. From the evaluation unit 100, 2100 The exact positions in the x and y direction and in the z direction of the sample table 18, 2018 are also recorded.
  • the sample 16, 2016 is scanned by moving it as a translation stage 110, 2110
  • the translation table can be designed as a piezo table.
  • the displacement of the displacement table 110 with the samples arranged thereon in the x, y and z directions can be carried out with piezo elements.
  • the surface topography or the image of the sample is determined by scanning in the x, y plane. For this purpose, the light source or the Einkoppelmaschine be moved and / or the sample. When the surface topography is first determined, the surface topography values are recorded and
  • the sample is at least a part of the substantially point-shaped areas for which the values of the
  • FIG. 2 shows the difference of a pure topography image ( Figure 2) and an image obtained in the one-step process showing a surface topography with additional Raman information ( Figure 3).
  • FIG. 2 shows the topography of a 10 cent coin measured with a confocal chromatic sensor (reference numeral 80 in FIG. 1).
  • the x, y plane in which the scan is performed is indicated.
  • the topography extends in the z-direction.
  • Sample surface is located in the spectrum shows an intensity maximum. If the sample is now scanned in the x, y direction, it is possible to determine for each largely point-like region of the sample in which
  • the topography image is again obtained by scanning in the x / y direction. Is at a point z. B. found that the wavelength at which the
  • Intensity maximum occurs is at 500 nm, but at another location of the sample, for example, at 550 nm, the one area is increased compared to the other area, for example.
  • the image shown in FIG. 2 is such a pure one
  • FIG. 3 shows a photograph of a surface in which, in addition to the surface topography determined by means of the chromatic sensor, Raman data were also collected in the context of confocal Raman microscopy. Again, the x / y direction and the z direction are indicated.
  • the dimension is 12 mm, in the z-direction 384 micrometers.
  • the examined surface is a surface of a
  • FIG. 3 shows for the first time a representation in which an active substance distribution in a non-planar sample could be determined.
  • the sample is moved through the focus in the z-direction. If the surface topography is caused merely by the roughness of the sample, for example, at least one can be achieved by moving the sample
  • FIG. 4 shows the optical beam path of a system in which the sample is moved periodically in the z-direction.
  • the excitation light is provided by a laser light source 1000 and directed to the sample surface 1016 via the objective 1010. That through this
  • Excitation generated light i. the reflected, emitted or scattered light is directed via the beam splitter 1030 to the detector 1050, for example a CCD camera.
  • the generation of Raman light is a scattering process.
  • the sample While the sample is moved to different locations in the x / y direction and the image of the sample is formed by scanning in the x / y direction, the sample is additionally moved periodically in the z direction. At a periodic
  • Figure 5a shows a confocal Raman measurement without a modulation in the z direction.
  • the method is an alternative method to determine or balance the topography.
  • the advantage is that it is a one-pass process, ie the Raman and topography measurements are done simultaneously. At high amplitudes, however, the focus is only in the area of the sample surface for a small part of the modulation amplitude, which may result in the Raman measurement time not being used efficiently. In order to use the measuring time optimally, one can work with smaller modulation amplitudes. In such a case, a control ensures that the modulation always takes place around the last found topography value, ie, the modulation in the z direction is used to a confocal automatic
  • the sample is modulated in the z-direction and the signal profile of the reflection is recorded. From the waveform of the reflection, the position of the maximum intensity is determined, with the position of the maximum intensity with the optimum focus on the surface
  • FIG. 7a shows the reflected light
  • FIG. 7b shows the surface topography of the sample determined from the focus tracking.
  • FIGS. 8a to 8d show an object to be examined, in this case the stone 5000 shown in FIG. 8a, whose surface 5100 was examined by means of a device according to FIG. 1b.
  • Fig. 8b a Raman measurement at the surface, which has been designated 5100 in Fig. 8a, is shown.
  • a Raman signal 5200 can be obtained only in the region of the focal plane of the Raman microscope.
  • the topographical image shown in FIG. 8c results. If the topography obtained in FIG. 8c with a device according to FIG. 1b is used to track the focus for the Raman measurement, the surface shown in FIG. 8d results. For different areas of the surface 5100, different Raman signals result for different ones
  • Fig. 8c which are shown, for example, reference numeral 5300.1, 5300.2, marked.
  • topography tracking it is thus possible to spectroscopically examine the entire surface of the object according to FIG. 8a. If the topography measurement does not flow into the Raman measurement, a Raman measurement results only for the area in which the focus of the Raman microscope comes to rest, as shown in FIG. 8b.
  • a device is provided for the first time, which makes it possible to obtain information about the surface topography in a simple manner and quickly. In particular, this is done with the help of a
  • optical measurement methods for example, with confocal Raman microscopy.
  • the surface topography can be determined by modulating the sample in the z-direction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abbildung einer Fläche, insbesondere einer Oberfläche, einer Probe (16) mit einer Topographie der Oberfläche mit Hilfe konfokaler Mikroskopie, insbesondere konfokaler Raman- und/oder Fluoreszenz- Mikroskopie in im Wesentlichen einer konfokalen Ebene, bzw. Fokusebene. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung, insbesondere einen Oberflächentopograph iesensor, umfasst, wobei mit Hilfe der Einrichtung, insbesondere des Oberflächentopographiesensors, Werte für die Topographie der Oberfläche bestimmt werden und mit Hilfe der Werte für die Topographie der Oberfläche die abzubildende Fläche, insbesondere Oberfläche, beim Rastern mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie, insbesondere der konfokalen Raman- und/oder Fluoreszenzmikroskopie, in die konfokale Ebene verbracht wird.

Description

Vorrichtung zur Abbildung einer Probenoberfläche
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abbildung der Fläche, insbesondere Oberfläche einer Probe durch Rastern einer Vielzahl von im Wesentlichen punktförmigen Bereichen der Oberfläche mit Hilfe konfokaler Mikroskopie. Bei der konfokalen Mikroskopie erfolgt eine konfokale Abbildung des im Wesentlichen punktförmigen Bereiches der Oberfläche durch einen sich in der Bildebene befindlichen Detektor . Insbesondere betrifft die Erfindung sogenannte konfokale Raman- und/oder Fluoreszenz-Mikroskope bzw. Vorrichtungen für die konfokale Fluoreszenz- und/oder Raman-Mikroskopie, ohne hierauf jedoch beschränkt zu sein.
Neben der Vorrichtung zur Abbildung einer Fläche, insbesondere einer
Oberfläche, wird auch eine
Vorrichtung zur Ermittlung der Topographie einer Oberfläche, die mit Hilfe von konfokaler Mikroskopie oder konfokaler Raman- und/oder Fluoreszenz- Mikroskopie abgebildet werden kann, beschrieben. Mit Hilfe von Raman- Messungen beziehungsweise Fluoreszenz-Messungen ist es möglich, eine Probe mit einer Lichtquelle, beispielsweise einer Laserlichtquelle anzuregen und aufgrund des von der Probe emittierten Raman-Signals beziehungsweise
Fluoreszenz-Signals chemisch unterschiedliche Materialien der Probe abzubilden.
Bei der konfokalen Mikroskopie wird das Licht einer Lichtquelle auf dem Weg zur Probe durch ein Objektiv geleitet und so auf einen im Wesentlichen punktförmigen Bereich beziehungsweise Punkt der Probenoberfläche fokussiert. Gleichzeitig kann das Objektiv dazu dienen, das von der Probe emittierte Licht, insbesondere das emittierte Raman- beziehungsweise Fluoreszenz-Licht aufzunehmen und an einen Detektor zu leiten. Mit Hilfe des Objektivs ist es also möglich, einen Punkt bzw. einen im Wesentlichen punktförmigen Bereich der Probe konfokal im
Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Beleuchtungs- und/oder Detektions- Strahlengangs abzubilden. Wird die Probe bzw. das Objektiv bzw. die
Beleuchtung verfahren, so ist es möglich, einen Scan in x-y-Richtung durchzuführen und so die ganze Probe abzurastern. Bei einer konfokalen
Abbildung wird eine im Wesentlichen punktförmige Lichtquelle, vorzugsweise eine Laserlichtquelle, auf einen sich aus der Wellennatur des Lichtes ergebenden Fokus (Abbe-Bedingung) bzw. einen im Wesentlichen punktförmigen Bereich, im Idealfall auf einen Punkt der Probe abgebildet. Anschließend wird dieser Bildpunkt vorzugsweise mit derselben Optik, das heißt mit dem gleichen Objektiv auf eine Lochblende, ein sogenanntes Pinhole, vor einem Detektor fokussiert. Anstelle der Anordnung eines separaten Pinholes vor dem Detektor wäre es auch möglich, dass der Detektor selbst das Pinhole darstellt. Wird die konfokale Abbildung für die Mikroskopie eingesetzt, so erreicht man eine erhebliche Steigerung des Bildkontrastes, da zur Abbildung nur die Fokusebene des Objektivs beiträgt.
Die konfokale Messung hat bei vielen Anwendungen, z. B. Raman- und/oder Fluoreszenzmessungen Vorteile, da ein vorhandener Streulichtuntergrund sehr stark unterdrückt wird. Problematisch bei konfokalen Messungen bzw. konfokaler Mikroskopie ist jedoch, dass durch Drift, Probenunebenheit, Rauhigkeit, aber auch Verkippung der Probe oftmals die abzubildende Ebene bzw. Fläche, insbesondere Oberfläche beim Abrastern der Probe nicht in der Fokusebene bleibt. Betreffend die konfokale Lichtmikroskopie wird auf die DE 199 02 234 A1 verwiesen, in der ein Mikroskop mit einem konfokalen Objektiv eingehend beschrieben ist.
Ein konfokales Raman- und/oder Fluoreszenz-Mikroskop ist aus der
nachveröffentlichten DE 10 2009 015 945 A1 bekannt geworden.
Aus der US 5,581 ,082 ist ein AFM-Mikroskop oder STM-Mikroskop bekannt geworden, das mit einem konfokalen Mikroskop kombiniert wird. Mit der AFM- Spitze kann die Probe bei dem aus der US 5,581 ,082 bekannten Mikroskop insbesondere auch in z-Richtung abgetastet werden. Bei der US 5,581 ,082 wird mit Hilfe der AFM-Spitze Tiefeninformation gewonnen. Während der AFM-Messung, insbesondere der AFM-Topographiemessung, auch optische Signale aufgenommen, so dass die aus der AFM-Topographiemessung gewonnenen Topographiedaten mit den optischen Daten korreliert werden können. Bei der US 5,581 ,082 wird die konfokale Messung immer gleichzeitig zur Topographiemessung durchgeführt. Nachteilig an der US 5,581 ,082 ist der eingeschränkte Scanbereich, der im Bereich von 100 pm bis maximal 300 pm in der x-y-Ebene liegt. Des Weiteren kann mit der AFM-Spitze in z-Richtung nur Tiefeninformation maximal im Bereich 5-10 pm zur Verfügung gestellt werden. Die US 5,581 ,082 erlaubt somit keine Messungen von Probenbereichen > 300 pm und von Rauhigkeiten > 10 pm.
Bei der konfokalen Mikroskopie, insbesondere bei der konfokalen Raman- Mikroskopie und/oder Fluoreszenz-Mikroskopie an Oberflächen, insbesondere an größeren Probenbereichen, insbesondere > 300 pm und an technischen
Oberflächen, ergibt sich das Problem, dass eine Abbildung nur sehr schwer möglich ist, da oftmals eine nicht hinreichend flache Probentopographie gegeben ist. Bei einem Scan in einer vorgegebenen Ebene, einem sogenannten X- Y-Scan, verlässt dann die Probenoberfläche immer wieder die Fokusebene des
Mikroskops, so dass eine einfache und vollständige Abbildung der
Probenoberfläche bzw. der Probe nicht möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können. Insbesondere soll es die Erfindung ermöglichen, eine Ebene bzw. eine Fläche, insbesondere eine
Oberfläche einer Probe konfokal abzubilden, d.h. mit Hilfe konfokaler Mikroskopie. Dies soll auch bei Proben mit nicht hinreichend flacher Probentopographie, beispielsweise einer gekrümmten Probe, möglich sein. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einem ersten Aspekt der Erfindung dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zur Abbildung einer Ebene bzw. Fläche, insbesondere einer Probenoberfläche mit einer Topographie mit Hilfe konfokaler Mikroskopie, insbesondere konfokaler Raman- und/oder Fluoreszenzmikroskopie, zur Verfügung gestellt wird, wobei Werte für die Topographie der Oberfläche mit Hilfe eines Oberflächentopographiesensors, bevorzugt eines nicht-taktilen
Oberflächensensors bestimmt werden und mit Hilfe der Werte für die Topographie der Oberfläche die abzubildende Fläche, insbesondere Oberfläche, beim Rastern in die konfokale Ebene für die konfokale Mikroskopie, insbesondere Raman- und/oder Fluoreszenzmikroskopie, verbracht wird.
Die Ermittlung der Oberflächentopographie gemäß der Erfindung, bevorzugt mit einem nicht-taktilen Sensor, ermöglicht es, bei einer anschließenden Raman- Messung an der Oberfläche zu verbleiben oder in einer definierten Tiefe zu messen.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung (2-stufiges Verfahren) wird die gemessene Topographie gespeichert, bearbeitet und anschließend nachgefahren.
In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Regelung verwendet, um die Probe im Fokus (oder einer dazu parallelen Ebene) zu halten (1 -stufiges Verfahren).
Die Abbildung der Ebene bzw. Fläche, insbesondere Oberfläche mit konfokaler Mikroskopie, insbesondere Raman- und/oder Fluoreszenzmikroskopie, wird durch Rastern einer Vielzahl von im Wesentlichen punktförmigen Bereichen der Ebene bzw. Fläche, insbesondere Oberfläche mit einer Einrichtung zur konfokalen Abbildung des im Wesentlichen punktförmigen Bereiches der Ebene bzw. Fläche, insbesondere Oberfläche in einer Fokusebene auf einen Detektor erreicht.
Wie zuvor beschrieben, kann die Probe auf zwei Arten und Weisen bei Kenntnis der Werte der Oberflächentopographie in der konfokalen Ebene bzw. Fokusebene gehalten werden. In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung (zweistufiges Verfahren) ist
vorgesehen, dass zunächst der abzubildende Teil der Probe gerastert und hierbei die Werte für die Oberflächentopographie aufgenommen werden und daran anschließend unter Berücksichtigung der Oberflächentopographie eine
Probenebene abgebildet wird. Die Werte für die Oberflächentopographie werden bei dieser Vorrichtung dazu genutzt, die Probe derart zu verfahren, dass die abzubildende Ebene beim Abrastern der Probe mit Hilfe eines konfokalen
Mikroskops, insbesondere eines konfokalen Raman- oder Fluoreszenzmikroskops in der Fokusebene des konfokalen Mikroskops, verbleibt, unabhängig von
Probenunebenheiten oder Krümmungen.
Was in vorliegender Anmeldung unter der Topographie einer Oberfläche bzw. unter einer Probentopographie verstanden wird, soll beispielhaft aber nicht abschließend für ein konfokales Raman Mikroskop mit einem konfokalen chromatischen Sensor beschrieben werden. Unter Probentopographie werden bei einer derartigen Anordnung mit einem konfokalen chromatischen Sensor
Probenunebenheiten größer 1 nm, insbesondere größer 10nm, bevorzugt größer als 100nm verstanden. Unter Rauhheiten werden in vorliegender Anmeldung Probenunebenheiten, im
Wesentlichen in z-Richtung, verstanden, die insbesondere aufgrund der lateralen Ausdehnung des Lichtfleckes des konfokalen chromatischen Sensors nicht aufgelöst werden können. Bei einem Raman-Mikroskop mit einem konfokalen chromatischen Sensor wären dies beispielsweise Probenunebenheiten im
Wesentlichen in z-Richtung von weniger als beispielsweise 100nm, bevorzugt weniger als 10nm, insbesondere weniger als 1nm, also der sub- m-Bereich.
Bei der Abbildung einer Ebene können in einem ersten Schritt für eine Vielzahl von im Wesentlichen punktförmigen Bereichen der Probe die Werte für die
Topographie der Oberfläche ermittelt und hieraus die Oberflächentopographie der Probe bestimmt werden und in einem zweiten Schritt die Probe an die Vielzahl von im Wesentlichen punktförmigen Bereichen und unter Berücksichtigung der im Schritt 1 ermittelten Werte für die Oberflächentopographie in die konfokale Ebene für eine konfokale Mikroskopie verbracht werden. Dies ist ein zweistufiger
Prozess, bei der zunächst die Oberflächentopographie bestimmt wird, dann die konfokale Mikroskopie durchgeführt wird.
In einer alternativen Ausgestaltung wird zunächst an einem im Wesentlichen punktförmigen Bereich der Probe ein Wert für die Oberflächentopographie bestimmt, die Probe in die Fokusebene bzw. konfokale Ebene der abzubildenden Ebene verbracht und anschließend dieser Bereich konfokal, z. B. mit Hilfe konfokaler Raman- oder Fluoreszenzmikroskopie abgebildet. Auf diese Art und Weise kann die gesamte Probe abgerastert werden. Diese Art der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass
- beim Rastern die Probe zunächst an einen im Wesentlichen punktförmigen Bereich verbracht, ein Wert für die Topographie der Oberfläche bestimmt und mit dem Wert für die Topographie die Probe in die konfokale Ebene verfahren und der im Wesentlichen punktförmige Bereich abgebildet wird;
- nach Abbildung des im Wesentlichen punktförmigen Bereiches in einem weiteren Schritt die Probe an einen weiteren, im Wesentlichen
punktförmigen Bereich verfahren wird und dort wiederum ein weiterer Wert für die Topographie der Oberfläche bestimmt und mit dem weiteren Wert für die Topographie die Probe in die konfokale Ebene verfahren und der im Wesentlichen weitere punktförmige Bereich abgebildet wird, wobei die Schritte so lange wiederholt werden, bis wenigstens ein Teil der Ebene bzw. Fläche, insbesondere Oberfläche, abgerastert ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Ermittlung der Werte für die
Oberflächentopographie mit Hilfe eines Oberflächentopographiesensors, insbesondere eines nicht-taktilen Oberflächentopographiesensors, beispielsweise eines konfokalen chromatischen Sensors erfolgt. Obwohl beispielhaft vorliegend als Oberflächentopographiesensor ein konfokaler chromatischer Sensor genannt wurde, ist die Erfindung hierauf keineswegs beschränkt. Oberflächentopographiesensoren können jedwede Art von berührungslosen (nicht taktilen) bzw. berührenden (taktilen)Sensoren sein, mit denen Informationen über die Topographie einer Probenoberfläche gewonnen werden können. Beispiele für taktile Sensoren sind beispielsweise Oberflächentopographiesensoren, die als sogenannte Profilometer bezeichnet werden oder Tastschnittgeräte
Beispiele für nicht berührende bzw. nicht taktile Sensoren sind im Wesentlichen optische Sensoren, die Oberflächentopographiesensoren auf Basis eines
Weißlichtinterferometers, eines Triangulationssensors, eines Laser-Scanning- Systems oder eben der beschriebene konfokale chromatische Sensor.
Ein konfokaler chromatischer Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass bei
Bestrahlung mit Weißlicht das Licht unterschiedlicher Wellenlänge in
unterschiedliche Fokalebenen abgebildet wird. Wird das reflektierte in
unterschiedliche Fokalebenen abgebildete Licht durch ein Pinhole auf ein
Spektrometer abgebildet und mit Hilfe eines Spektrometers ausgewertet, so kann aus diesem Signal direkt der Abstand beispielsweise des konfokalen
chromatischen Sensors zur Oberfläche der Probe bestimmt und damit die
Oberflächentopographie ermittelt werden. Hierbei macht man es sich zunutze, dass die Wellenlänge, in deren fokalen Ebene sich die Probenoberfläche befindet beispielsweise in einem Spektrometer ein Intensitätsmaximum zeigt. Dies ermöglicht es, dass jeder Wellenlänge im
Spektrometer ein Probenabstand zuordenbar ist. Mit Hilfe des konfokalen chromatischen Sensors ist es also möglich, rein optisch schnell und direkt die Topographie der Probe zu bestimmen. Der konfokale chromatische Sensor ermöglicht eine optische Bestimmung der Probenoberflächentopographie und damit ein Rastern der Proben und eine konfokale Abbildung der Probenoberfläche auch bei nicht hinreichend flacher Topographie.
Insbesondere ist es möglich mit Hilfe des konfokalen chromatischen Sensors beispielsweise bei einem Raman-Mikroskop die Fokusebene bzw. konfokale Ebene nachzuführen und somit die konfokale Raman-Mikroskopie auch bei ausgeprägter, d.h. nicht ebener Probentopographie zu betreiben. In einer besonderen Ausgestaltung wird ein Positionssignal des
Oberflächentopographiesensors zur Regelung der konfokalen Ebene bzw. der Fokusebene verwendet. Besonders bevorzugt umfasst der konfokale
chromatische Sensor ein optisches System, insbesondere ein Linsensystem mit einem großen chromatischen Fehler. Bei einem Linsensystem wird unter einem chromatischen Fehler beziehungsweise der chromatischen Abberation ein Fehler verstanden, der verursacht wird durch die Wellenlängenabhängigkeit des
Brechungsindizes des bei den Linsen verwendeten Materials. Anstelle von Linsen als optischen Komponenten zur Erzeugung eines großen chromatischen Fehlers könnten auch diffraktive Komponenten beim konfokalen chromatischen Sensor eingesetzt werden. Aus der Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex des Glases der refraktiven Komponente folgt dann, dass auch die Brennweite eine Wellenlängenabhängigkeit aufweist, das heißt die konfokale Ebene für
unterschiedliche Wellenlängen an unterschiedlichen Orten zu liegen kommt. Betreffend konfokale chromatische Sensoren wird beispielhaft auf die konfokalen chromatischen Sensoren der Firma Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG, Königsbacher Straße 15, 94496 Ortenburg, Deutschland, www.micro-epsilon.de Bezug genommen, wobei der Offenbarungsgehalt der Internet-Seite voll umfänglich in die Anmeldung mit einbezogen wird. Konfokale chromatische Sensoren eignen sich besonders für die Abstandsmessung mit einer Auflösung im Bereich von größer 1 nm bis 1 pm, bevorzugt größer 1 nm bis 100 nm, da sie aufgrund ihrer hohen Messgenauigkeit und ihrem gleichzeitig großen Messbereich der beispielsweise von 100 μηη bis 40 mm, insbesondere von 120 pm bis 21 mm ganz bevorzugt 40 pm bis 12 mm reicht, nicht nachfokussiert werden müssen. Der Lichtfleck in der x-y-Ebene hat eine Größe, im Bereich von beispielsweise 0,1 μηη bis 1 mm, bevorzugt 7 μιη bis 150 pm, insbesondere 10 μιη bis 100 pm je nach Messbereich sowie einen großen Arbeitsabstand, der je nach Sensor von größer als 100 μιη bis 200 mm reicht.
Wie zuvor für die erste Vorrichtung beschrieben, kann in einem zweistufigen Prozess zunächst die Probenoberfläche mit einem konfokalen chromatischen Sensor vermessen werden und anschließend diese Topographie in einer konfokalen optischen Messung, beispielsweise einer konfokalen Raman- Mikroskopie, nachgefahren werden. Auf diese Art und Weise wird eine
vorbestimmte Ebene einer Probe, z. B. die Oberfläche, konfokal abgebildet. Das Licht einer nicht monochromatischen, bevorzugt breitbandigen Lichtquelle wird bei dem konfokalen chromatischen Sensor durch das refraktive
Linsensystem, auf den im Wesentlichen punktförmigen Bereich der
Probenoberfläche als Lichtfleck geleitet, von der Probe reflektiert, gesammelt und mit Hilfe eines Spektrometers ausgewertet , wobei die Wellenlänge, in deren fokalen Ebene sich die Probenoberfläche befindet, im Spektrometer ein
Intensitätsmaximum zeigt. Bevorzugt handelt es sich bei der nicht
monochromatischen, bevorzugt breitbandigen Lichtquelle um eine Weißlichtquelle, d.h. eine breitbandige Lichtquelle im sichtbaren Wellenlängenbereich. Möglich wären aber auch breitbandige Lichtquellen, die nicht sichtbares Licht aussenden, beispielsweise im IR-Wellenlängenbereich oder im ultravioletten
Wellenlängenbereich. Eine derartige Beleuchtung der Probenoberfläche würde die Möglichkeit geben, die Strahlengänge vom konfokalen chromatischen Sensor und beispielsweise Ramanmikroskop zu entkoppeln und das gleiche Objektiv sowohl für die Raman-Messungen mit Hilfe des Ramanmikroskopes sowie für den chromatischen Sensor zu verwenden. Damit ist es möglich, mit Hilfe des Spektrometers den Abstand von Sensor zur Probenoberfläche zu bestimmen, da jeder Wellenlänge genau ein Probenabstand zuordenbar ist. Neben der Bestimmung der Werte der Oberflächentopographie mit Hilfe eines konfokalen chromatischen Sensors sind auch andere Möglichkeiten denkbar. Beispielsweise wäre es auch möglich, nicht die Oberflächentopographie mit Hilfe eines konfokalen chromatischen Sensors zu bestimmen, sondern die Probe könnte auch entlang der z-Richtung beispielsweise periodisch bewegt werden. Hierdurch würde die Probe in z-Richtung periodisch durch den Fokus bewegt. Durch periodisches Bewegen der Probe kann man einen Mittelwert in Richtung senkrecht zur Probenoberfläche, d.h. in z-Richtung, erhalten und so ein immer scharfes Bild der Probenoberfläche mit relativ gleichmäßiger Intensität. Diese Vorrichtung wird auch als extended-focus-Vorrichtung bzw. ausgedehnte Fokus- Vorrichtung bezeichnet. Hierbei ist es allerdings erforderlich, die Modulationstiefe der Bewegung der Rauhigkeit beziehungsweise Topographie der Probe
anzupassen.
Das Bewegen der Probe zur Fokusbestimmung, wie zuvor beschrieben, eine sogenannte ausgedehnte Fokusmessung, kann man auch mit einer
automatischen Fokusnachführung kombinieren. Hierbei wird das Zentrum der Modulation, d.h. der periodischen Bewegung, in z-Richtung nachgeführt, um bei sehr rauhen Proben die Modulationstiefe nicht zu groß wählen zu müssen. Hierbei macht man sich zunutze, dass während der Modulation sich der Fokus der
Lichtquelle durch die Oberfläche bewegt. Das dabei detektierte Signal ähnelt einer Gausskurve, dessen Lage des Maximums mit der idealen Fokussierung auf die Oberfläche übereinstimmt. Gibt man nun die Position der maximalen Intensität auf einen Regler, so ermöglicht dies, das Zentrum der Modulation nachzuführen.
Durch diese Art der Messung kann man wiederum die Topographie der Probe bestimmen, da das Intensitätsmaximum bei dem modulierten Signal mit der Probentopographie korreliert. Die Bewegung der Probe in z-Richtung, um Oberflächenrauheiten auszugleichen, kann auch der Nachführung der Probe aufgrund einer mit Hilfe eines konfokalen chromatischen Sensors bestimmten Oberflächentopographie überlagert sein. Die Kombination beider Vorrichtungen ermöglicht es dann, die
Oberflächentopographie einer Probe zu berücksichtigen und gleichzeitig
Oberflächenrauheiten auszugleichen. Eine solche Nachführung ist beispielhaft in Fig. 6 der Anmeldung detailliert beschrieben. Auf die dortige Beschreibung wird verwiesen. Besonders bevorzugt ist es, dass das konfokale Raman-Mikroskop und/oder
Fluoreszenz-Mikroskop eine Lichtquelle zum Anregen einer Lichtemission in der Probe umfasst sowie einen Detektor zur Detektion der durch die Lichtemission emittierenden Photonen, insbesondere der emittierten Raman- und/oder
Fluoreszenz-Photonen.
Neben der Vorrichtung stellt die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Abbildung der Oberfläche einer Probe durch Rastern einer Vielzahl von im Wesentlichen punktförmigen Bereichen der Oberfläche, umfassend eine Einrichtung zur konfokalen Abbildung des im Wesentlichen punktförmigen Bereiches der
Oberfläche in eine Fokusebene auf einem Detektor zur Verfügung, wobei die Vorrichtung bevorzugt einen Oberflächentopographiesensor aufweist. Der Oberflächentopographiesensor kann in einer Ausgestaltung eine eigenständige Einrichtung sein. Dies ist aber für die Erfindung nicht zwingend. Als
Oberflächentopographiesensor sind jedwede Art von Sensoren geeignet, mit denen es möglich ist, die Oberflächentopographie, d.h. die Abweichung beispielsweise einer Probenoberfläche von der Probenebene in Richtung senkrecht zur Probenoberfläche, d.h. in z-Richtung, zu messen. Derartige
Oberflächentopographiesensoren können sowohl berührungslose wie nicht berührungslose, d.h. taktile Oberflächentopographiesensoren, sein. Beispiele für taktile Oberflächentopographiesensoren sind mechanische Profilometer, Atomic- Force-Mikroskope (AFM-Mikroskope), beispielsweise das AFM-Mikroskop alpha 300A der WiTec GmbH oder Tastschnittgeräte. Beispiele für berührungslose Oberflächentopographien sind insbesondere optische Sensoren wie Weißlichtinterferrometer, Triangulationssensoren, Laser- Scanning-Systeme, die beispielsweise die konfokale Mikroskopie ausnutzen sowie konfokale chromatische Sensoren.
Ist der Oberflächentopographiesensor ein optischer Sensor, so hat dieser in einer ersten Ausführungsform einen eigenständigen Strahlengang neben der
Einrichtung zur konfokalen Abbildung des im Wesentlichen punktförmigen
Bereiches der Oberfläche.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der Anregungsfokus des Lasers für die Raman-Messung durch das gleiche Objektiv geführt, wie der Anregungsfokus des Oberflächentopographiesensors.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kommt das Licht der konfokalen Raman- und/oder Fluoreszenzmikroskope in einem ersten Wellenlängenbereich zu liegen und das Licht des konfokalen chromatischen Sensors in einem zweiten Wellenlängenbereich, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn sich erster und zweiter Wellenlängenbereich nicht überschneiden. Wenn sich die
Wellenlängenbereiche nicht überschneiden, werden diese bevorzugt so gewählt, dass der erste Wellenlängenbereich durch die Grenzen emittierter
Lumineszenzsektrums und/oder Ramanspektrums der zu untersuchende Größe definiert wird und der zweite Wellenlänge oberhalb oder unterhalb des ersten Wellenlängenbereiches ohne Überschneidung mit dem ersten
Wellenlängenbereich liegt. Beispielsweise kann der erste Wellenlängenbereich für das emittierte Lumineszenz- oder Ramanspektrum der zu untersuchenden Probe im Bereich von 500nm bis 1100nm, insbesondere 532nm bis 650nm reichen. Der zweite Wellenlängenbereich reicht von 350nm bis 500nm, bevorzugt von 400nm bis 500nm. Kombiniert man eine taktile Vorrichtung zur Bestimmung der
Oberflächentopographie mit einem konfokalen optischen Mikroskop,
beispielsweise einem konfokalen Raman-Mikroskop, so eignet sich als taktile Vorrichtung für eine Kombination mit der Raman Mikroskope die Atomic-Force- Mikroskopie (AFM).
Betreffend AFM-Mikroskope wird auf die WO 02/48644 A1 verwiesen, die ein derartiges AFM zeigt. Bei einem AFM wird insbesondere mit Hilfe einer
Rastersonde in Form einer Spitze die Probenoberfläche abgetastet.
Der Offenbarungsgehalt der WO 02/48644 wird voll umfänglich in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.
Wie zuvor beschrieben, wird bei der konfokalen Mikroskopie das Licht der monochromatisch Lichtquelle auf dem Weg zur Probe durch ein Objektiv geleitet und so im Wesentlichen auf einem Punkt der Probenoberfläche fokussiert. Im Fall, dass die Vorrichtung insbesondere ein konfokales Raman-Mikroskop ist, kann vorgesehen sein, dass ein Spektrometer das Licht, das von der Probe emittiert wird, d.h. das Raman- beziehungsweise Fluoreszenz-Licht spektral zerlegt. Eine solche spektrale Zerlegung kann in dem Spektrometer zum Beispiel mit einem Gitter oder einem Prisma erfolgen. Wird das so zerlegte Licht mit einer CCD- Kamera aufgenommen, so ist es möglich, ein komplettes Spektrum des von der Probe gestreuten Raman- bzw. Fluoreszenz-Lichtes aufzunehmen. Der Vorteil der spektralen Zerlegung des Raman-Lichtes bei einem Raman-Mikroskop liegt daran, dass zum Beispiel durch Drehen des Gitters im Spektrometer ein beliebiger Spektralbereich für den Detektor zur Messung selektiert werden kann.
Die Vorrichtung, insbesondere das konfokale Mikroskop, bevorzugt das konfokale Raman- und/oder konfokale Fluoreszenz-Mikroskop kann einen verfahrbaren Probentisch aufweisen, der es ermöglicht, durch Verfahren der Probe
beispielsweise die Probenoberfläche abzubilden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Anregungslichtquelle beziehungsweise der Detektor verfahren werden, um ein Abbild der Probe zu erhalten. Auch ist es möglich, räumliche Karten von spektralen Eigenschaften der Probe aufzunehmen. Insbesondere mit einer konfokalen Abbildung wird eine sehr hohe Tiefenauflösung erreicht. Die
Verfahrbarkeit des Probentisches ermöglicht ein Abrastern der Probe
beziehungsweise eines Probenbereiches.
Wie zuvor beschrieben, ist der konfokale chromatische Sensor in der Regel zusätzlich zur abbildenden Vorrichtung, d.h. mit eigenem Strahlengang
angeordnet.
Die beispielsweise mit Hilfe eines konfokalen optischen Sensors bestimmte Oberflächentopographie wird in der Regel dazu verwendet werden, in einer nachgeschalteten oder simultan durchgeführten Raman-Messung verwendet zu werden, um die Probenoberfläche beim Abrastern ständig in der Fokalebene des Objektivs, z. B. in der Ebene für die konfokale Raman-Mikroskopie zu halten.
Hierzu erweitert man den X-Y-Scan der Probe auf einen X-Y-Z-Scan, wobei der Z- Scan dazu dient, die Probentopographie auszugleichen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben werden:
Es zeigen:
Fig. 1a den prinzipiellen Aufbau eines Raman-Mikroskops mit einem
Oberflächentopographiesensor, insbesondere einem optischen Oberflächentopographiesensor, wobei der Strahlengang des
Oberflächentopographiesensors unterschiedlich zum Strahlengang des Raman-Mikroskopes ist;
Fig. 1b zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Raman-Mikroskopes mit einem optischen Oberflächentopographiesensor, wobei der
Anregungsfokus des Lasers für die Raman-Messung durch das gleiche Objektiv geführt wird, wie der Anregungsfokus des optischen Oberflächentopographiesensors.
Fig. 1c Topographiemessung an einer Probe mit einer Vorrichtung gemäß
Fig. 1b
Fig. 2 eine Topographie einer Münze gemessen mit einer Vorrichtung mit einem konfokalen chromatischen Sensor.
Fig. 3 ein Topographiebild einer Tablette, überlagert mit Informationen aus der Raman-Mikroskopie;
Fig. 4 einen optischen Strahlengang für eine ausgedehnte Fokusmessung und eine automatische Fokusnachführung;
Fig. 5a - 5b eine Aufnahme einer rauhen Siliziumoberfläche als konfokales
Raman-Bild (Figur 5a) und als konfokales Raman-Bild, wobei die Probe bzw. das Objektiv periodisch in z-Richtung bewegt wird (Figur 5b);
Fig. 6 Schema eines Regelkreises für eine automatische
Fokusnachführung;
Fig. 7a-7b eine Messung mit konfokaler automatischer Fokusnachführung als optisches Bild und als Topographiebild.
Fig. 8a-8d Probe und eine Messung mit einer Einrichtung gemäß Fig. 1b
Obwohl vorliegende Erfindung nachfolgend an den Ausführungsbeispielen einer Vorrichtung zur Abbildung einer Probenoberfläche, insbesondere mit gestreutem Ramanlicht, einem so genannten konfokalen Raman-Mikroskop beschrieben wird, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Vielmehr umfasst sie sämtliche konfokale Mikroskope, insbesondere auch konfokale Lichtmikroskope oder Fluoreszenzmikroskope. Auch für derartige konfokale Mikroskope kann ein chromatischer Sensor eingesetzt werden, um die konfokale Ebene bei
ausgeprägter Oberflächentopographie der zu untersuchenden Probe
nachzuführen.
In Figur 1a ist der prinzipielle Aufbau einer ersten Ausführungsform eines konfokalen Raman-Mikroskops zur Aufnahme einer Probenoberfläche dargestellt. Mit Hilfe der konfokalen Raman-Mikroskopie können chemische Eigenschaften und Phasen von flüssigen und festen Komponenten analysiert werden bis in den Bereich des durch Beugung begrenzten Auflösungsvermögens von ungefähr 200 Nanometern. Eine Markierung der Probe beispielsweise mit Fluoreszenzstoffen wie in der Fluoreszenzmikroskopie ist nicht notwendig. Durch den konfokalen Aufbau wird eine Tiefenauflösung zur Verfügung gestellt, die es erlaubt, die Probe in die Tiefe zu analysieren, ohne beispielsweise Schnitte durchführen zu müssen.
Bei der konfokalen Mikroskopie wird eine punktförmige Lichtquelle, vorzugsweise ein Laser, auf einem Punkt der Probe abgebildet. Anschließend wird dieser Bildpunkt vorzugsweise mit derselben Optik auf eine Lochblende, ein so genanntes Pin-Hole, vor einem Detektor fokussiert. Die Größe der Lochblende muss dabei angepasst an die beugungsbegrenzte Abbildung des
Beleuchtungsbildes sein. Das Bild wird nun dadurch erzeugt, dass ein Punkt der Beleuchtungsquelle über die Probe gerastert wird, die Probe also Punkt für Punkt abgetastet wird. Mit dieser Art der Abbildung erreicht man eine erhebliche
Steigerung des Bildkontrastes, da zur Abbildung nur die Fokusebene des
Objektivs beiträgt. Außerdem kann die Auflösung aufgrund der Faltung des Beugungspunktes mit der Apertur der Lochblende um etwa den Faktor 2 auf etwa λ/3 reduziert werden Zusätzlich kann man ein dreidimensionales Bild der Probenstruktur mit einer axialen Auflösung von etwa einer Wellenlänge erhalten.
Betreffend die konfokale Mikroskopie wird beispielsweise auf die DE 199 02 234 A1 verwiesen. In Figur 1a ist ein möglicher Aufbau eines konfokalen Raman-Mikroskopes beispielsweise des ikroskopes alpha300 R der Witec GmbH, D - 89081 Ulm, Deutschland, dargestellt. Bei dem konfokalen Raman-Mikroskop 1 wird das Licht einer Lichtquelle 10 an einem Strahlteilerspiegel 12 nach einer Strahlaufweitung 14 in Richtung der Probe 16 auf den Probentisch 8 gelenkt. Der umgelenkte Lichtstrahl 19 wird dabei durch eine geeignete Optik 21 auf einen im Wesentlichen punktförmigen Bereich 20 auf der Probe 16 fokussiert. Das Licht des Lasers 10 wechselwirkt mit der Materie der Probe 16. Es entsteht zum einen von der Probe zurückgestreutes Rayleigh-Licht derselben Wellenlänge wie das eingestrahlte Licht. Dieses Licht wird über einen Strahlenteiler 12 umgelenkt auf einen
Kantenfilter bzw. Notchfilter 13 und gelangt nicht in die Detektionsoptik.
Das Licht mit unterschiedlicher(n) Frequenz(en), als das von der Probe emittierte Rayleigh-Licht, nämlich das Raman-Licht, durchtritt den Strahlenteiler 12. Hinter dem Strahlenteiler 12 ist das Raman-Licht mit Bezugsziffer 22 gekennzeichnet. Über ein nicht dargestelltes Pin-Hole wird das Raman-Licht 22 in eine
Lichtleitfaser 30 eingekoppelt und gelangt zu einem Spektrometer 40. Im
Spektrometer 40 wird der Strahl mit Raman-Licht durch eine geeignete Optik wieder aufgeweitet, ergebend den Strahl 42, der auf einen Gitterspektralfilter 44 trifft. Der Gitterspektralfilter 44 beugt das Licht entsprechend seiner Wellenlänge in unterschiedliche Richtungen, so dass auf dem CCD-Chip 50 ortsabhängig ein spektrales Signal aufgenommen werden kann. Der CCD-Chip 50 weist
beispielsweise 1024 Kanäle auf, so dass insgesamt 1024 Kanäle des CCD-Chips Licht unterschiedlicher Wellenlänge aufnehmen können.
Das Bild der Probe entsteht durch Abrastern in der x-/y-Ebene in Pfeilrichtung 130.
Zur Justage bzw. zur Beobachtung kann auch Licht einer Weißlichtquelle 120 auf die Probe 16 eingekoppelt werden. Das konfokale Raman-Mikroskop 1 umfasst des Weiteren einen konfokalen chromatischen Sensor 80. Der konfokale chromatische Sensor 80 ist zusätzlich zum konfokalen Raman-Mikroskop 1 ausgeführt. Der konfokale chromatische Sensor umfasst in der dargestellten Ausführungsform gemäß Figur 1a einen eigenen, vom Raman-Mikroskop 1 unabhängigen Strahlengang. So weist der konfokale chromatische Sensor 80 eine eigene Weißlichtquelle 8120, ein refraktives optisches Element 8122, eine optische Anordnung zur Aufnahme des von der Probe reflektierten Lichtes sowie eine lichtempfindliche Sensoreinheit auf, der die zugehörige Spektralfarbe erkennt und ausgewertet werden kann, beispielsweise ein Spektrometer, auf.
Das Licht der Weißlichtquelle 8120 tritt durch das Linsensystem mit einem hohen chromatischen Fehler des refraktiven optischen Elements hindurch. Dabei wird das eingestrahlte Weißlicht je nach Wellenlänge in unterschiedliche Fokalebenen abgebildet. Das in unterschiedliche Fokalebenen abgebildete Licht wird von der Probe 16 reflektiert, z. B. von der Optik aufgenommen und dem Spektrometer 8140 als Sensorbauteil zugeführt. Mit Hilfe des Spektrometers 8140 kann das Signal ausgewertet werden und aus diesem Signal direkt der Abstand des refraktiven optischen Elementes 8122 des konfokalen chromatischen Sensors 80 zur Oberfläche der Probe 16 bestimmt und damit die Oberflächentopographie ermittelt werden .
Hierbei macht man sich zunutze, dass die Wellenlänge, in deren fokaler Ebene sich die Probenoberfläche befindet, beispielsweise in einem Spektrometer 8140 ein Intensitätsmaximum zeigt. Die Bestimmung der Intensitätswerte ermöglicht es, dass jeder Wellenlänge im Spektrometer 8140 ein Probenabstand, d.h. ein
Abstand Probe 16 - refraktives optisches Element 8122 zuordenbar ist. Mit Hilfe des konfokalen chromatischen Sensors 80 ist es also möglich, rein optisch schnell und direkt, d.h. ohne ein zeitaufwändiges Scannen senkrecht zur Probenebene, d.h. in z-Richtung, die Topographie der Probe zu bestimmen. Der konfokale chromatische Sensor 80 ermöglicht damit eine optische
Bestimmung der Probenoberflächentopographie.
Obwohl in vorliegendem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1a der konfokale chromatische Sensor einen eigenen Strahlengang aufweist, ist dies nicht zwingend. In einer alternativen Ausführungsform gemäß Figur 1b kann der
Strahlengang des konfokalen chromatischen Sensors auch in den des konfokalen Mikroskops, beispielsweise des konfokalen Raman-Mikroskops, integriert sein. In Figur 1b ist der prinzipielle Aufbau eines konfokalen Raman-Mikroskopes gezeigt, wobei der Anregungsstrahlung der Lichtquelle bzw. des Lasers für die Raman-Messung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung parallel zum Anregungsstrahlung für die Topographiemessung geführt wird.
Gleiche Bauteile wie in der vorangegangenen Figur 1a werden mit um 2000 erhöhten Bezugsziffern gekennzeichnet. Bei dem in Figur 1b gezeigten Raman- Mikroskop 2001 wird sowohl das Licht der Lichtquelle 2010 zur Anregung des Raman-Effektes wie das Licht des konfokalen chromatischen Sensors 2080 durch die gleiche Optik 2029 auf im Wesentlichen denselben Bereich 2020 der Probe 2016 fokussiert. Die Fokuslage für die Raman-Messung, d.h. der konfokale Fokus des Anregungslaserlichtes der Lichtquelle 2010 für die Anregung des Raman- Effektes kann innerhalb des Messbereiches des konfokalen chromatischen
Sensors gewählt werden. Das Einkoppeln des Lichtes der Lichtquelle 2010 erfolgt mittels eines Strahlteilers 2012.1 in Richtung der Probe 2016. Der Lichtstrahl 2019 wird im Strahlteiler 2012.1 umgelenkt in Richtung der Probe 2016 und durchtritt den weiteren Strahlteiler 2012.2. Das von der Probe durch Wechselwirkung erzeugte Raman-Licht durchtritt sowohl den Strahlteiler 2012.1 als auch den Strahlteiler 2012.2 und ist hinter Strahlteiler 2012.2 mit 2022 bezeichnet. Hinter Strahlteiler 2012.2 wird der Lichtstrahl 2022 auf ein Pinhole 2013 vor einem
Detektor (nicht dargestellt) fokussiert. Das Ellipsoide 2092 das im Lichtweg zwischen dem chromatischen Sensor 2080 und der Linse 2094 gezeigt ist, deutet. Die räumliche Verteilung der Fokusebenen des chromatischen Sensors 2080 an. Diese wird durch die Linse 2094 und das Objektiv 2029 auf die Probe 20 6 abgebildet. Durch die Verkleinerung dieses Linsensystems aus Linse 2094 und Objektiv 2029 wird das Ellipsoid gestaucht. Im Detektor wird das Raman-Licht beispielsweise spektral aufgelöst detektiert. Zusätzlich zum Licht der Lichtquelle 2010, die der Anregung des Raman-Effektes in der Probe dient, wird über den weiteren Strahlteiler 2012.2 das Licht der Lichtquelle (nicht gezeigt) des konfokalen chromatischen Sensors 2080 durch dieselbe Optik 2029 wie das Licht zur Anregung des Raman-Effektes auf die Probe 2016 gelenkt. Der Lichtstrahl ist mit 2019 bezeichnet. Das Weißlicht der Lichtquelle des konfokalen chromatischen Sensors, das auf die Probe geleitet wird, ist mit 2088 bezeichnet. Das auf die Probe eingestrahlte Weißlicht wird je nach Wellenlänge in unterschiedliche Fokalebenen abgebildet und von der Probe reflektiert. Das reflektierte Licht 2089 wird wiederum über den weiteren Strahlteiler 2012.2 auf den konfokalen chromatischen Sensor 2080 gelenkt und ausgewertet, um damit die Oberflächentopographie zu bestimmen.
Damit sowohl das Licht zur Anregung des Raman-Effektes wie auch des konfokalen chromatischen Sensors dieselbe Optik durchlaufen können, ist es vorteilhaft, wenn entweder unterschiedliche Spektralbereiche oder eine
zeitmultiple Vorrichtung eingesetzt wird. Beispielsweise kann das Licht des chromatischen optischen Sensors im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 500 nm liegen und die Lichtwellenlänge zur Anregung des Raman-Effektes bei 532 nm. Eine solche Konstellation würde dann die Aufnahme von Raman-Spektren in der Regel oberhalb von 532 nm ermöglichen. Selbstverständlich wäre auch die Auswahl anderer Wellenlängen denkbar. Alternativ zu unterschiedlichen
Wellenlängenbereichen könnten die Messungen auch zeitlich im Wechsel erfolgen und die Auswertung dann in der Zeitmultiplex-Vorrichtung.
Der in Fig. 1b gezeigte Aufbau ermöglicht es mit Hilfe des konfokalen
chromatischen Sensors 2080 die Topographie einer Probenoberfläche
nachzufahren, wobei der Anregungsfokus des Lasers für die Raman-Messung parallel zur Topographie geführt wird. Die Fokusposition des Lasers in der Probe kann beliebig innerhalb des Fangbereiches für den chromatische Sensor 2080 eingestellt werden. Das Nachfahren des Scanners oder des Schrittmotors kann sowohl über einen Regler als auch über ein Stellglied erfolgen. Im zweiten Fall muss aber der chromatische optische Sensor 2080 für das hochauflösende
Objektiv 2029 kalibriert sein.
Neben der Raman-Messung ist auch eine reine Topographiemessung durch ein hochauflösendes Objektiv 2029 alleine möglich, da sich durch die verkleinernde Abbildung die lateral Auflösung des chromatischen optischen Sensors um den Faktor der Verkleinerung verbessert. Gleichzeitig wird auch die Topographie Auflösung verbessert. Diese berührungslose Topographiemessung eignet sich besonders gut für Proben, deren Topographie schon zu hoch für das AFM (>5μπι) ist oder deren laterale Strukturen viel größer sind als die typischen Scanbereiche von Piezo Scannern (100pm) ist.
Fig. 1c zeigt ein Topographie Bild, welches mittels eines chromatischen optischen Sensors durch ein hochauflösendes Objektiv (50x / NA=0.8) aufgenommen wurde. Der Scanbereich beträgt 500μηι x 500pm und die Farbskala (schwarz nach weiß) erstreckt sich von 0-5μηΊ. Bei diesem Bild wurde der Scantisch mit dem
Positionssignal des chromatischen optischen Sensors 2080 in z-Richtung, d. h. senkrecht zur Probenoberfläche geregelt. Mit einer derartigen Regelung wird bei einer zeitgleichen Raman Messung der Anregungslaser immer im gleichen
Abstand zu Probenoberfläche gehalten. Die laterale Verschiebung, d. h. die Verschiebung in x- und y-Richtung des
Probentisches wurde mit Schrittmotoren durchgeführt.
Das aufgenommene Licht der Topographie- bzw. Raman-Messung gemäß Fig. 1a bzw. 1b wird mit Hilfe beispielsweise eines CCD-Chips 50 an eine Auswerteeinheit 100, 2100 übertragen. Die Auswerteeinheit 100, 2100 ist Teil einer Steuerung des Probentisches 18, 2018. Von der Auswerteeinheit 100, 2100 werden auch die genauen Positionen in x- und y-Richtung und in z-Richtung des Probentisches 18, 2018 aufgenommen. Im Allgemeinen erfolgt das Abrastern der Probe 16, 2016 durch Verschieben des als Verschiebetisch 110, 2110
ausgelegten Probentisches. Der Verschiebetisch kann als Piezotisch ausgebildet sein. Die Verschiebung des Verschiebetisches 110 mit den darauf angeordneten Proben in x-, y- und z-Richtung kann mit Piezoelementen erfolgen.
Die Oberflächentopographie bzw. das Bild der Probe wird durch Abrastern in der x-, y-Ebene bestimmt. Hierzu kann die Lichtquelle oder die Einkoppelfaser bewegt werden und/oder die Probe . Wird zunächst die Oberflächentopographie bestimmt, so werden die Werte für die Oberflächentopographie aufgenommen und
zugeordnet zu den jeweiligen, im Wesentlichen punktförmigen Bereichen abgelegt. Nachdem die ganze Probe abgerastert und die Werte der
Oberflächentopographie bestimmt wurden, wird die Probe zumindest an einen Teil der im Wesentlichen punktförmigen Bereiche, für die die Werte der
Oberflächentopographie bestimmt wurden, verbracht, um an diesen Punkten Raman- und/oder Fluoreszenzmessungen unter Berücksichtigung der
Oberflächentopographie durchzuführen. Bei diesem Prozess handelt es sich somit um einen sogenanntes Zwei-Pass-Prozess, d.h. die Topographie- und Raman- Messung erfolgt zeitlich nacheinander. Bei dieser Vorrichtung könnte man zusätzlich kleine Modulationen um die Topographie vornehmen, wodurch einer Probenrauhigkeit Rechnung getragen wird.
Werden hingegen zusätzlich zur Topographie beispielsweise auch Raman-Daten erhoben, d.h wird das Topographie-Signal zur Regelung der Fokusebene für das Raman-Signal verwandt, so handelt es sich um einen einstufigen Prozess.
Nachfolgende Figuren 2 und 3 zeigen den Unterschied eines reinen Topographie- Bildes (Figur 2) und eines Bildes, gewonnen im einstufigen Verfahren, das eine Oberflächentopographie mit zusätzlicher Raman-Information (Figur 3) zeigt. In Figur 2 ist die Topographie einer 10-Cent-Münze, gemessen mit einem konfokalen chromatischen Sensor (Bezugsziffer 80 in Figur 1), dargestellt.
Wiederum ist die x-, y-Ebene angegeben, in der der Scan durchgeführt wird. Die Topographie erstreckt sich in der z-Richtung. Durch den chromatischen
Sensor 80, 2080 gemäß Figur 1a bzw. 1b, bei dem Weißlicht durch das refraktive optische Element auf die Probe in der x-, y-Ebene gelenkt wird, wird aufgrund des großen chromatischen Fehlers des refraktiven Linsensystems des chromatischen Sensors 80, 2080 Licht unterschiedlicher Wellenlänge in unterschiedliche
Fokalebenen, abgebildet. Wird nunmehr das von der Probe 16 reflektierte Licht spektral analysiert, beispielsweise in einem Spektrometer, so kann man aus der Intensitätsverteilung Schlüsse auf den Abstand Sensor - Probenoberfläche ziehen. Dabei gilt, dass die Wellenlänge, in deren fokaler Ebene sich die
Probenoberfläche befindet, im Spektrum ein Intensitätsmaximum zeigt. Wird nunmehr die Probe in der x-, y-Richtung abgerastert, so kann man zu jedem weitgehend punktförmigen Bereich der Probe bestimmen, bei welcher
Wellenlänge das Intensitätsmaxium auftritt. Aus der Wellenlänge wiederum kann man aufgrund des chromatischen Fehlers dann auf den Abstand des
chromatischen Sensors zur Oberfläche und damit auf eine
Oberflächentopographie zurückschließen.
Das Topographiebild erhält man wiederum durch Abrastern in x-/y-Richtung. Wird an einem Punkt z. B. festgestellt, dass die Wellenlänge, bei der das
Intensitätsmaximum auftritt, bei 500 nm liegt, an einem anderen Ort der Probe jedoch beispielsweise bei 550 nm, so ist der eine Bereich gegenüber dem anderen Bereich beispielsweise erhöht.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Bild handelt es sich um eine solche rein
topographische Aufnahme der Probenoberfläche, d.h. Figur 2 ist lediglich eine Darstellung der Oberflächentopographie mit Hilfe eines chromatischen Sensors ohne jedwede Information über Substanzen der Oberfläche, die beispielsweise mittels Raman- oder Fluoreszenzmessungen ermittelt werden können. Figur 3 zeigt hingegen eine Aufnahme einer Oberfläche, bei der zusätzlich zur Oberflächentopographie, die mittels des chromatischen Sensors bestimmt wurde, auch Raman-Daten im Rahmen der konfokalen Raman-Mikroskopie erhoben wurden. Wiederum ist die x-/y-Richtung sowie die z-Richtung angegeben.
In x-/y-Richtung beträgt die Abmessung je 12 mm, in z-Richtung 384 Mikrometer.
Bei der untersuchten Oberfläche handelt es sich um eine Oberfläche einer
Tablette. Die Wirkstoffverteilung in der Tablette selbst wurde mit Hilfe von Raman- Spektren ermittelt.
Mit Hilfe des Topographiebildes wurde simultan zu den durchgeführten Raman- Messungen die Probenoberfläche ständig in der Fokalebene des Raman-Objektivs gehalten. Hierdurch konnte Figur 3 erhalten werden.
Bei der Aufnahme gemäß Figur 3 wurde in dem Topographiebild die mit den ersten Raman-Spektren gewonnene Information über die Wirkstoffverteilung hinzugefügt.
Figur 3 ist erstmalig eine Darstellung, bei der eine Wirkstoffverteilung in einer nicht ebenen Probe ermittelt werden konnte, gezeigt.
Anstelle der Bestimmung der Oberflächentopographie mittels chromatischer Sensoren wäre es auch möglich, die Probe entlang der z-Richtung periodisch zu bewegen. Hierdurch wird die Probe in z-Richtung durch den Fokus bewegt. Ist die Oberflächentopographie lediglich beispielsweise durch die Rauhigkeit der Probe verursacht, so kann man durch das Bewegen der Probe zumindest einen
Mittelwert der Raman-Spektren in einer gemittelten x-/y-Ebene erhalten und so stets ein scharfes Bild der Probenoberfläche mit relativ gleichmäßiger Intensität. In Figur 4 ist der optische Strahlengang eines Systems gezeigt, in der die Probe in z-Richtung periodisch bewegt wird.
Das Anregungslicht wird von einer Laserlichtquelle 1000 bereitgestellt und über das Objektiv 1010 auf die Probenoberfläche 1016 gelenkt. Das durch diese
Anregung erzeugte Licht, d.h. das reflektierte, emittierte bzw. gestreute Licht wird über den Strahlteiler 1030 auf den Detektor 1050, beispielsweise eine CCD- Kamera, gelenkt. Bei der Erzeugung von Raman-Licht handelt es sich um einen Streuprozess.
Während die Probe in x-/y-Richtung an unterschiedliche Orte verbracht wird und das Bild der Probe durch Abrastern in x-/y-Richtung entsteht, wird die Probe zusätzlich noch in z-Richtung periodisch bewegt. Bei einer periodischen
Bewegung der Probe in z-Richtung wird die Probe stets durch die konfokale Fokusebene bewegt. Hierdurch können Probenrauhigkeiten ausgemittelt werden.
Wie aus den Figuren 5a bis 5b hervorgeht, gelingt es, durch eine Bewegung in der z-Richtung dann auch bei einer rauen Oberfläche, ein Signal für die konfokale Raman-Messung zu erhalten. Dies soll nachfolgend erläutert werden.
Hierbei zeigt Figur 5a eine konfokale Raman-Messung ohne eine Modulation in z- Richtung.
Da sich viele Bereiche in Figur 5a aufgrund der Rauhheit der Probe nicht im Fokus befinden, sind viele Bereiche des Bildes dunkel, d. h. ohne Signal.
Bei eingeschalteter Modulation, d.h. Bewegung in z-Richtung, verschwinden die dunklen Bereiche und man erhält, wie in Figur 5b gezeigt, ein stets scharfes Bild mit gleichmäßiger Intensität.
Ist die Modulationsamplitude groß genug, d.h. größer als die höchste
Probentopographie, so kann durch die Ermittlung der Lage des Raman- und/oder Raleigh-Intensitätsmaximums bei jeder Modulationsperiode die Topographie bestimmt werden. In einem solchen Fall ist kein konfokaler chromatischer Sensor nötig. Die Methode ist eine Alternativmethode, um die Topographie zu ermitteln bzw. auszugleichen. Der Vorteil ist, dass es sich um ein Ein-Pass-Prozess handelt, d.h. die Raman- und die Topographiemessung simultan erfolgt. Bei großen Amplituden befindet sich allerdings der Fokus nur während eines kleinen Teils der Modulationsamplitude im Bereich der Probenoberfläche, was dazu führen kann, dass die Raman-Messzeit nicht effizient genutzt wird. Um die Messzeit optimal zu nutzen, kann mit kleineren Modulationsamplituden gearbeitet werden. In einem solchen Fall sorgt eine Regelung dafür, dass die Modulation immer um den zuletzt gefundenen Topographiewert stattfindet, d.h. die Modulation in z-Richtung dazu genützt wird, eine konfokale automatische
Fokusnachführung durchzuführen. Ein Signalverlauf für eine derartige
Nachführung ist in Figur 6 gezeigt.
Wie aus Figur 6 hervorgeht, wird die Probe in z-Richtung moduliert und der Signalverlauf der Reflektion aufgenommen. Aus dem Signalverlauf der Reflektion wird die Position der maximalen Intensität bestimmt, wobei die Position der maximalen Intensität mit der optimalen Fokussierung auf die Oberfläche
übereinstimmt. Gibt man nun die Position der maximalen Intensität auf einen Regler, so kann damit das Zentrum der Modulation nachgeführt werden, d.h. an die Oberflächentopographie der Probe angepasst werden. Eine Messung mit einer derartigen konfokalen automatischen Fokusnachführung ist in den Figuren 7a und 7b gezeigt. Hierbei zeigt Figur 7a das reflektierte Licht und Figur 7b die aus der Fokusnachführung bestimmte Oberflächentopographie der Probe.
In den Figuren 8a bis 8d ist ein zu untersuchendes Objekt, hier der in Figur 8a dargestellte Stein 5000, dessen Fläche 5100 mit Hilfe einer Vorrichtung gemäß Fig. 1b untersucht wurde, dargestellt. In Fig. 8b ist eine Raman-Messung an der Oberfläche, die in Fig. 8a mit 5100 bezeichnet wurde, dargestellt. Wenn die Topographie der Probenoberfläche 5100 des Körpers aus Fig. 8a unberücksichtigt bleibt, kann ein Raman-Signal 5200 lediglich im Bereich der Fokusebene des Raman-Mikroskopes erhalten werden.
Nimmt man mit Hilfe des konfokalen chromatischen Sensors die Topographie beziehungsweise die Höhenlinien der Probenoberfläche auf, so gibt sich das in Fig. 8c gezeigte Topograhie-Bild. Wird die in Fig. 8c mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1b erhaltene Topographie dazu verwendet, den Fokus für die Raman-Messung nachzuführen, so ergibt sich die in Fig. 8d gezeigte Oberfläche. Für verschiedene Bereiche der Oberfläche 5100 ergeben sich unterschiedliche Raman-Signale für unterschiedliche
Materialien. Die Bereiche unterschiedlicher Materialien, die sich bei
Berücksichtigung der Topographie aus Fig. 8c, die ergeben sind beispielsweise mit Bezugsziffer 5300.1 , 5300.2, gekennzeichnet.
Durch die Topographienachführung ist es somit möglich, die gesamte Oberfläche des Gegenstandes gemäß Fig. 8a spektroskopisch zu untersuchen,. Fließt die Topographie-Messung in die Raman-Messung nicht ein, so ergibt sich eine Raman-Messung lediglich für den Bereich in dem der Fokus des Raman- Mikroskopes zu liegen kommt, wie in Fig. 8b gezeigt.
In der Erfindung wird erstmals eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die es ermöglichen, Informationen über die Oberflächentopographie auf einfache Art und Weise und schnell zu erhalten. Insbesondere wird dies mit Hilfe eines
chromatischen Sensors erreicht, der wiederum mit optischen Messmethoden, beispielsweise mit konfokale Raman-Mikroskopie, kombiniert werden kann.
Alternativ kann die Oberflächentopographie mit Hilfe einer Modulation der Probe in z-Richtung ermittelt werden.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Abbildung einer Fläche, insbesondere einer Oberfläche, einer Probe (16) mit einer Topographie der Oberfläche mit Hilfe konfokaler Mikroskopie, insbesondere konfokaler Raman- und/oder Fluoreszenz- Mikroskopie in im Wesentlichen einer konfokalen Ebene, bzw. Fokusebene dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung,
insbesondere einen Oberflächentopographiesensor, umfasst, wobei mit Hilfe der Einrichtung, insbesondere des Oberflächentopographiesensors, Werte für die Topographie der Oberfläche bestimmt werden und mit Hilfe der Werte für die Topographie der Oberfläche die abzubildende Fläche, insbesondere Oberfläche, beim Rastern mit Hilfe der konfokalen
Mikroskopie, insbesondere der konfokalen Raman- und/oder
Fluoreszenzmikroskopie, in die konfokale Ebene verbracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
zunächst für eine Vielzahl von im Wesentlichen punktförmigen Bereichen der Probe die Werte für die Topographie der Oberfläche ermittelt und hieraus die Oberflächentopographie der Probe bestimmt wird und
darauffolgend die Probe an die Vielzahl von im Wesentlichen
punktförmigen Bereichen und unter Berücksichtigung der in Schritt 1 ermittelten Werte für die Oberflächentopographie in die konfokale Ebene für die konfokale Mikroskopie, insbesondere die konfokale Raman und/oder Fluoreszenz-Mikroskopie, verbracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
beim Rastern die Probe zunächst an einen im Wesentlichen punktförmigen Bereich verbracht, ein Wert für die Topographie der Oberfläche bestimmt und mit dem Wert für die Topographie die Probe in die konfokale Ebene verfahren und der im Wesentlichen punktförmige Bereich mit konfokaler Mikroskopie, insbesondere konfokaler Raman- und/oder Fluoreszenz- Mikroskopie, abgebildet wird;
nach Abbildung des im Wesentlichen punktförmigen Bereiches mit konfokaler Mikroskopie, insbesondere konfokaler Raman- und/oder
Fluoreszenz-Mikroskopie, in einem weiteren Schritt die Probe an einen weiteren, im Wesentlichen punktförmigen Bereich verfahren wird und dort wiederum ein weiterer Wert für die Topographie der Oberfläche bestimmt und mit dem weiteren Wert für die Topographie die Probe in die konfokale Ebene verfahren und der im Wesentlichen weitere punktförmige Bereich mit konfokaler Mikroskopie, insbesondere konfokaler Raman- und/oder
Fluoreszenzmikroskopie, abgebildet wird, wobei die Schritte so lange wiederholt werden, bis wenigstens ein Teil der Ebene bzw. Fläche, insbesondere Oberfläche, abgerastert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wert für die Topographie der Oberfläche mit Hilfe eines konfokalen chromatischen Sensors mit wenigstens einem refraktiven optischen
Element und einem Spektrometer ermittelt wird, wobei weißes Licht oder Licht mit mehreren Wellenlängen oder Licht eines Wellenlängenbereiches einer Lichtquelle durch das refraktive optische Element auf den im
Wesentlichen punktförmigen Bereich der Oberfläche der Probe gelenkt und das von dem im Wesentlichen punktförmigen Bereich reflektierte Licht mit Hilfe eines Spektrometers spektral analysiert wird, ergebend den Wert für die Topographie der Oberfläche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wert für die Topographie der Oberfläche durch Bewegen, insbesondere periodisches Bewegen der Probe im Wesentlichen senkrecht zur
Oberfläche und durch Analyse des optischen Signales bestimmt wird. Vorrichtung (1) zur Abbildung der Oberfläche einer Probe (16) durch Rastern einer Vielzahl von im Wesentlichen punktförmigen Bereichen (20) der Oberfläche mit Hilfe konfokaler Mikroskopie, insbesondere konfokaler Raman- und/oder Fluoreszenzmikroskopie, umfassend
eine Einrichtung zur konfokalen Abbildung des im Wesentlichen
punktförmigen Bereiches der Oberfläche in einer Fokusebene auf einem Detektor (50),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung einen Oberflächentopographiesensor, insbesondere einen konfokalen chromatischen Sensor (80, 2080) oder ein Profilometer oder ein AFM oder ein Weißlichtinterferometer oder ein Triangulationssensor oder ein Laser-Scanning-System aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Oberflächen-Topographiesensor ein Positionssignal zur Verfügung stellt und die Vorrichtung eine Regeleinrichtung umfasst, die konfokale Ebene bzw. Fokusebene eingestellt bzw. geregelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der konfokale chromatische Sensor (80, 2080) ein optisches System, insbesondere ein optisches System mit refraktiven und/oder diffraktiven Komponenten mit einem großen chromatischen Fehler und ein
Spektrometer umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung eine der nachfolgenden Vorrichtungen ist:
ein konfokales Raman-Mikroskop;
ein konfokales Fluoreszenz-Mikroskop;
ein konfokales Raman/Fluoreszenz-Mikroskop; ein konfokales Lichtmikroskop.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung ein konfokales Raman- Mikroskop und/oder Fluoreszenz-Mikroskop ist und das konfokale Raman- und/oder Fluoreszenz-Mikroskop eine Lichtquelle (10, 2010) zum Anregen einer Lichtemission in der Probe umfasst, und einen Detektor (50) zur Detektion der von der Probe in der Lichtemission emittierten Photonen, insbesondere der emittierten Raman- und/oder Fluoreszenz-Photonen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das konfokale Raman- und/oder
Fluoreszenzmikroskop ein optisches Element, insbesondere Objektiv (2029) umfasst, mit dem das Licht der Lichtquelle (10, 2010) auf die Probe fokussiert wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung derart aufgebaut ist, dass das Licht des konfokalen chromatischen Sensors und das Licht der Lichtquelle (2010) für die
Anregung der konfokalen Raman- und/oder Fluoreszenzmikroskopie durch dasselbe optische Element, insbesondere Objektiv (2029) wie das Licht des konfokalen chromatischen Sensors (2080) auf die Probe (2016) geführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Licht der konfokalen Raman- und/oder Fluoreszenzmikroskope in einem ersten Wellenlängenbereich zu liegen kommt und das Licht des konfokalen chromatischen Sensors in einem zweiten Wellenlängenbereich.
Vorrichtung nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass erster und zweiter Wellenlängenbereich sich nicht überschneiden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Wellenlängenbereich durch die Grenzen der emittierten
Lumineszenzspektrums und/oder Ramanspektrums der zu untersuchenden Probe definiert wird und der zweite Wellenlängenbereich oberhalb oder unterhalb des ersten Wellenlängenbereiches ohne Überschneidung mit dem ersten Wellenlängenbereich liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Wellenlängenbereich von 500 nm bis 1100 nm, insbesondere 532 nm bis 650 nm, umfasst und der zweite Wellenlängenbereich Wellenlängen von 350 nm bis 500 nm, insbesondere 400 nm bis 500 nm.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
der im Wesentlichen punktförmige Bereich des konfokalen chromatischen Sensors eine laterale Ausdehnung im Bereich von 0,1 μητι bis 1 mm, bevorzugt von 7 pm bis 150 μητι, insbesondere 10 μηι bis 100 pm liegt und/oder der Messbereich des konfokalen chromatischen Sensors zwischen 100 μιη und 40 mm, bevorzugt zwischen 120 μηι und 21 mm liegt und/oder die Auflösung in z-Richtung im Bereich 1nm bis 1 μηι bevorzugt zwischen 1 nm und 100 nm liegt.
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