Prof. Dr. rer. nat. Burkhard Neumann

Photonen-Tunnel-Mikroskopie (PTM)
Simultane Optische Nahfeld-Mikroskopie (SONM)

Forschungsprojekt "Anwendungsorientiertes, hochauflösendes, simultanes optisches Nahfeldmikroskop zur Untersuchung technischer Oberflächen"

Motivation

In der Halbleiterindustrie, insbeson­dere in den Bereichen Mikrosystemtechnik und Mikrolithografie, hat sich in den letz­ten Jahren ein rasanter Entwicklungstrend mit einer exponentiellen Verkleinerung der herzustellenden Strukturen abgezeichnet. Diese Entwicklung fordert ebenfalls eine Evolution in den technologischen Verfah­ren zur Inspektion von lithografisch er­zeugten Halbleiterstrukturen. Da bei sol­chen technischen Oberflächen eine zerstörungsfreie und vor allem schnel­le In­spektion notwendig ist, scheiden bereits in anderen Bereichen etablierte Verfahren, wie die atomic force microscopy (AFM) oder die scanning nearfield optical microscopy (SNOM), aus, wohingegen in der Industrie ein großes Interesse an schneller, höchstauflösender optischer Mikroskopie besteht.

Aktueller Forschungsstand

An der Fachhochschule Südwestfa­len (FH-SWF) wurde im Rahmen mehrerer Diplomar­bei­ten [1-11] und einer kooperativen Promotion [12], sowie in enger Zusammenarbeit mit der Firma Leica Microsystems, ein Verfahren zur Auflösungssteigerung der klassischen Auflichtmikroskopie durch evaneszente Anregung im Nahfeld konzi­piert und in Form eines Prototyps mit der Bezeichnung Photonen-Tunnel-Mikroskop (PTM) bzw. simultanes optisches Nahfeldmikroskop (SONM, Synonym für PTM) realisiert. Für die Entwicklung des Prototyps wurde ein herkömmliches Auflichtmikro­skop modifiziert und mit speziell kon­struierten Komponenten ausgestattet. Auf diese Weise kann die bereits vorhandene Mikroskop-Infrastruktur erhalten bleiben und ein kostengünstiger Umbau ermöglicht werden.

Das Nahfeldobjektiv mit einer nume­rischen Apertur von NA=1,4 besteht im Wesentlichen aus einem Standard-Immersi­onsobjektiv, in dessen Objektebene ein optisches Bauteil, der sog. Transducer (TSD), adaptiert wurde. Der Transducer weist eine zent­rale Ausstülpung mit einem Durchmesser von einigen zehn Mikrometern auf, in des­sen Zentrum die optische Achse liegt. Diese Eigenschaft erlaubt eine Annäherung ohne Kontamination oder Zer­störung der Probe bis auf wenige Nanometer, auch bei verhältnismäßig großer Verkippung zwischen Probe und TSD. Hochpräzise Stelltechnik ermög­licht eine Nivellierung und Feinjustage der Fokuslage.

Durch Modifikation des Beleuch­tungsstrahlenganges wird an der Grenzflä­che zwischen TSD und Umgebung Totalre­flexion erzeugt, wodurch im unteren Halb­raum ein evaneszentes Wellenfeld entsteht. Die Eindringtiefe dieses evaneszenten Fel­des hängt dabei vom Einfallswinkel, der Wel­lenlänge und dem Brechungsindexver­hältnis zwischen Transducer und Umge­bung ab.

Der bei diesem Verfahren genutzte Kontrastmechanismus beruht auf der ge­störten inneren Totalreflexion (FTIR), die durch Einbringen einer Probe in das eva­neszente Wellenfeld verursacht wird. Die sich im Nahfeld befindende Probe kann als Bestandteil des Immersionssystems ange­sehen werden und wird deshalb mit voller Apertur abgebildet. Aufgrund dessen ergibt sich eine Auflösungssteigerung um den Brechungsindex des Transducers. Die daraus resultierende theoretisch erreichbare Auflösung von Strukturen in der Größenordnung 80nm (feature size) sind experimentell verifiziert worden.

PMMA auf Si-Substrat, 80nm (links) und 90nm (rechts) Lines & Spaces, λ=436nm, radiale Polarisation

Nach aktuellem Stand der Forschung verfügt das Labor für technische Optik der Fachhochschule Südwestfalen mit dem SONM über eine hervorragende Infrastruktur im Bereich der höchstauflösenden optischen Nahfeldmikroskopie, darunter auch ein Reinstraum (Kl. 100) für optimale Messbedingungen. Darüber hinaus besitzt die FH-SWF die Geräte und das technologische Know-how zur Fertigung und Justage der Transducer als zentrales Bauelement des Mikroskops.

Das Forschungsprojekt ist bislang in Europa einzigartig und ist in einer Reihe von Vorträgen und Veröffentlichungen [13-25] n der Fachwelt auf große Resonanz gestoßen. Das Verfahren zur Erzeugung eines optischen Kontrastes mittels des Transducers ist bereits in Deutschland, Europa und den USA patentiert [26, 27, 28]



[1] Flor, T.: Aufbau und Inbetriebnahme eines PTM. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH), Fachbereich Physikalische Technik, Diplomarbeit, 1995

[2] Krampe, C.: Entwicklung eines Photonen-Tunnel-Mikroskops für den kommerziellen Einsatz unter Berücksichtigung von Justier­barkeit, Transducergeometrie und Bilddaten­visualisierung. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH), Fachbereich Physikalische Technik, Diplomarbeit, 1997

[3] Beykirch, J.: Untersuchungen zur Auflösungs­steigerung eines optischen Mikro­skops mit Hilfe des Tunnelkontrastes und di­gitaler Bildverarbeitung. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH), Fachbereich Physikalische Technik, Diplomarbeit, 1998

[4] Emery, C.: Entwicklung eines Lasernivellier­systems zur Waferausrichtung für die Photo­nentunnelmikroskopie. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH),Fachbereich Physikalische Technik, Diplomarbeit, 2000

[5] Pelargus, C.: Konstruktion, Aufbau und Test einer Dunkelfeldanordnung für die simultan optische Nahfeldmikroskopie. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH), Fachbereich Physikalische Technik, Diplomarbeit, 2000

[6] Heymann, A.: Automatisierung der Probenan­näherung im Photonentunnelmikro­skop mit Laserautofokus und adaptiver Bil­derverarbeitung. Iserlohn, Märkische Fachhochschule (MFH), Fachbereich Physikalische Technik, Fachbereich Physikalische Technik, Diplomarbeit, 2001

[7] Sonjoto, A.: Entwicklung einer Nanometer genauen Scaneinheit für ein optisches Nah­feldmikroskop mit kombinierter Interfero­metrie und Bildverarbeitung. Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF), Fachbereich I+N, Diplomarbeit, 2003

[8] Wiesner, M.: Untersuchung und Optimierung des Beleuchtungsstrahlengangs zur Kontrast­verbesserung und der Steigerung der Be­leuchtungseffizienz beim optischen Nahfeld­mikroskop. Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF), Fachbereich I+N, Diplomarbeit, 2003

[9] Pieper, T.: Konzeption eines auf Bildverarbeitung basierenden Autofokus-Systems für ein optisches Nahfeldmikroskop. Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF), Fachbereich I+N, Diplomarbeit, 2003

[10] Luckas, G.: Bestimmung der Streucharakteristik von Submikrometerpartikeln bei evanescenter Anregung. Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF), Fachbereich I+N, Diplomarbeit, 2003

[11] Petersen, H.: Automatisierung des simulta­nen optischen Nahfeldmikroskops (SONM) zur Untersuchung von verfahrensspezifischen Abbildungsparametern. Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF), Fachbereich I+N, Diplomarbeit, 2004

[12] Krampe, C.: Erzeugung und Anwendung evaneszenter Wellenfelder und Untersuchung ihrer Wechselwirkung mit dem Objekt bei der simultanen optischen Nahfeldmikroskopie. Halle-Wittenberg, Martin-Luther-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftlich Technische Fakultät (Ingenieurwissenschaftlicher Bereich), Dissertation in Bearbeitung, 2004

[13] Krampe-Zadler, C. ; Neumann, B.: Vorstellung verschiedener Kontrastverfahren (HF, DF, Pol) für die Photonen-Tunnel-Mikroskopie. In: Physikalisch Technische Bundesanstalt (Veranst.): Aktuelle Entwicklungen der Mikroskopie. Braunschweig : Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB), November 2003 (187. PTB-Seminar)

[14] Krampe-Zadler, C. ; Neumann, B. ; Lorenz, H.: Anwendungsorientiertes, hochauflösendes, simultanes optisches Nahfeldmikroskop für die zerstörungsfreie Untersuchung technischer Oberflächen, Iserlohn : Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF), August 2003 (Abschlussbericht über Forschungsprojekt) – Forschungsbericht

[15] Krampe-Zadler. C.: Kontrastmechanismus und Anwendungen der simultanen optischen Nahfeldmikroslopie, Halle-Wittenberg, Martin-Luther-Universität, eingeladener Vortrag am Institut für Werkstoffwissenschaften, August 2002

[16] Krampe, C.: Kameras mit hohem Rauschabstand, Iserlohn, Fachhochschule Südwestfalen (FH-SWF), Symposium für Bildverarbeitung in verteilten Systemen, Juni 2002

[17] Krampe, C. ; Neumann, B.: Untersuchung der Streueigenschaften ebener Submikrometer-Strukturen mit evanesctenen Wellen. In: Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (Veranst.): 103. Jahrestagung. Innsbruck : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Juni 2002 (103. Jahrestagung der DGaO)

[18] Krampe, C. ; Neumann, B.: Die Photonen-Tunnel-Mikroskopie (PTM) – eine Möglichkeit zur Auflösungssteigerung der klassischen Auflichtmikroskopie. Zwickau, Westfälische Hochschule, 4. Symposium „Brennpunkt Messtechnik“, September 2001

[19] Krampe, C. ; Neumann, B.: Informationsgewinnung über dielektrische und metallische Oberflächen mit dem Photonen-Tunnel-Mikroskop. In: Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (Veranst.): 102. Jahrestagung. Göttingen : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Juni 2001 (102. Jahrestagung der DGaO)

[20] Krampe, C. ; Neumann, B.: Anwendungsmöglichkeiten der simultanen optischen Nahfeldmikroskopie in der Mikrooptik, Hagen, Fernuniversität, Workshop des Arbeitskreises Mikrooptik der Deutschen Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), August 2000

[21] Krampe, C. ; Pelargus, C. ; Neumann, B.: Vorstellung einer Dunkelfeldmethode zur simultanen optischen Nahfeldmikroskopie (SONM). In: Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (Veranst.): 101. Jahrestagung. Jena : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Juni 2000 (101. Jahrestagung der DGaO)

[22] Krampe, C. ; Neumann, B.: Über die Kontratsentstehung im simultanen optischen Nahfeldmikroskop (SONM). In: Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (Veranst.): 101. Jahrestagung. Jena : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Juni 2000 (101. Jahrestagung der DGaO)

[23] Krampe, C. ; Neumann, B.: Optimierungsmöglichkeiten von Transducern für die simultane Photonen-Tunnel-Mikroskopie mit Hilfe der Mikrooptik. In: Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (Veranst.): 100. Jahrestagung. Berlin : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Mai 1999 (100. Jahrestagung der DGaO)

[24] Krampe, C. ; Beykirch, J. ; Neumann, B.: Untersuchung zur Auflösungssteigerung mit einem Phtotonen-Tunnel-Mikroskop auf Basis klassischer Auflichtmikroskope. In: Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (Veranst.): 99. Jahrestagung. Bad Nenndorf : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Mai 1998 (99. Jahrestagung der DGaO)

[25] Krampe, C. ; Neumann, B.: Photonen-Tunnel-Mikroskopie auf Basis klassischer Auflichtmikroskopie. In: Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (Veranst.): 98. Jahrestagung. Staffelstein : Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), Juni 1997 (98. Jahrestagung der DGaO)

[26] Neumann, B. (Erfinder) ; Krampe, C. (Erfinder) ; Leica Microsystems GmbH (Anmelder): Transducer zur Erzeugung optischer Kontraste. Deutschland, 13.9.2001 – Patenterteilung, DP 19923295

[27] Neumann, B. (Erfinder) ; Krampe, C. (Erfinder) ; Leica Microsystems GmbH (Anmelder): Transducer zur Erzeugung optischer Kontraste. Europa, 13.9.2001 – Patenterteilung, EP 00108758

[28] Neumann, B. (Erfinder) ; Krampe, C. (Erfinder) ; Leica Microsystems GmbH (Anmelder): Transducer for generating optical contrasts. USA, 22.6.2004 – Patenterteilung, US 6753970

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