DE102014205660A1 - specimen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Prüfkörper (10) zur Kalibrierung eines Raman-Mikroskops mit einem Substrat (12) aus einem ersten Material und einer darauf aufgebrachten Kalibrierstruktur, (14) aus einem von dem ersten Material verschiedenen zweiten Material, wobei zumindest entweder das erste Material oder das zweite Material Raman-aktiv ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kalibrierstruktur (14) eine Dicke d1 von unter 30 nm aufweistThe invention relates to a test body (10) for calibrating a Raman microscope with a substrate (12) of a first material and a calibration structure applied thereon, (14) of a second material different from the first material, wherein at least one of the first material and the second material is Raman active. According to the invention, it is provided that the calibration structure (14) has a thickness d1 of less than 30 nm
Description
Die Erfindung betrifft einen Prüfkörper zur Kalibrierung eines Raman-Mikroskops sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Prüfkörpers zur Kalibrierung eines Raman-Mikroskops.The invention relates to a test specimen for calibrating a Raman microscope and to a method for producing a test specimen for calibrating a Raman microscope.
Ein Raman-Mikroskop ist ein Mikroskop, das die charakteristischen Vibrationsschwingungen in Molekülen zur Abbildung verwendet, indem nach einer Anregung der Moleküle mittels eines Lasers die bei der Relaxation ausgesandten Photonen detektiert werden und so die Stokes-Linien ermittelt werden. Mit einem Raman-Mikroskop werden so neben dem lichtoptischen Bild auch die Raman-Spektren der Probe aufgenommen. Es wird mit einem Rasterverfahren gearbeitet, so dass die Raman-Spektren ortsaufgelöst vorliegen. Dabei wird der untersuchte Bereich mit der gewählten Schrittweite zeilenweise Punkt für Punkt unter dem Mikroskopobjektiv hindurch bewegt. Dieses Verfahren wird „mapping” genannt. Das Raman-Mikroskop kombiniert somit optische Mikroskopie und Raman-Spektroskopie.A Raman microscope is a microscope that uses the characteristic vibrational vibrations in molecules to image by detecting after excitation of the molecules by means of a laser, the photons emitted during relaxation and thus the Stokes lines are determined. Using a Raman microscope, the Raman spectra of the sample are recorded in addition to the light-optical image. It is worked with a raster method, so that the Raman spectra are spatially resolved. In this case, the examined area with the selected step size is moved line by line point by point under the microscope objective. This procedure is called "mapping". The Raman microscope thus combines optical microscopy and Raman spectroscopy.
Raman-Mikroskope werden heutzutage insbesondere eingesetzt, um biologische Systeme auf zellularer Ebene, ggf. auch zeitaufgelöst, zu untersuchen. So können Abbildungen von lebenden Zellen erzeugt werden. Ebenfalls ist es möglich, über Markerverfahren z. B. Transportprozesse nachzuvollziehen, was beispielsweise für klinische Forschungsarbeiten relevant ist. Die Raman-Mikroskopie ist also eine vielseitige Messmethode zur zerstörungsfreien Charakterisierung von z. B. chemischer Probenzusammensetzung, Kristallinität und mechanischen Spannungseinflüssen. Da ortsaufgelöste Informationen im Mikrometerbereich durch schrittweises Abrastern der Probe unter dem Mikroskop erhalten werden, ist die die Qualität der erhaltenen Bilder maßgeblich von der Scan-Einrichtung abhängig.Raman microscopes are currently used in particular to study biological systems at the cellular level, possibly also with time resolution. This way images of living cells can be generated. It is also possible via marker method z. B. to understand transport processes, which is relevant for clinical research, for example. Raman microscopy is thus a versatile measurement method for nondestructive characterization of z. B. chemical sample composition, crystallinity and mechanical stress influences. Since spatially resolved information in the micrometer range is obtained by stepwise scanning of the sample under the microscope, the quality of the images obtained is significantly dependent on the scanning device.
Daher muss ein Raman-Mikroskop wie jedes hochauflösende scannende Mikroskop kalibriert werden. Insbesondere muss der Probentisch kalibriert werden, um sicherzustellen, dass die gewünschte Position der zu untersuchenden Probe mit ihrer tatsächlichen Position übereinstimmt. Eine übliche Methode zur Kalibrierung von Mikroskopen ist die Verwendung eines sogenannten Standards oder Normals. Bei einem solchen Standard bzw. Normal handelt es sich um Prüfkörper mit exakt definierten, messbaren Eigenschaften, die auf das internationale Einheitensystem (SI) durch eine lückenlos geschlossene Kalibrierkette rückgeführt sind. Der Prüfkörper wird mit dem Mikroskop vermessen und die erhaltenen Messergebnisse werden mit den aufgrund der über den Prüfkörper bekannten Daten verglichen und eine Kalibrierung durchgeführt.Therefore, a Raman microscope must be calibrated like any high-resolution scanning microscope. In particular, the sample stage must be calibrated to ensure that the desired position of the sample to be tested matches its actual position. A common method for calibrating microscopes is the use of a so-called standard or standard. Such a standard or normal are test specimens with precisely defined, measurable properties that are traced back to the international system of units (SI) through a completely closed calibration chain. The test specimen is measured with the microscope and the measurement results obtained are compared with the data known from the specimen and a calibration is performed.
Zur Kalibrierung von Scan-Einrichtungen an Raman-Mikroskopen werden bisher in der Regel Prüfkörper verwendet, die auch für andere Mikroskoparten verwendet werden können. Bekannte Prüfkörper, z. B. für Rasterkraftmikroskope, Rasterelektronenmikroskope oder Fluoreszenzmikroskope werden u. a. von der Fa. Piano und der Fa. NT-MDT hergestellt. Die verfügbaren 1D-Strichgitter mit 120 nm tiefen Einkerbungen zeigen jedoch keinen ausreichenden Raman-Kontrast zwischen den oberen und unteren Plateaus und führen zusätzlich zu störenden Kanteneffekten.To calibrate scanning devices on Raman microscopes, test specimens have generally been used which can also be used for other microscope types. Known test specimens, z. B. for atomic force microscopes, scanning electron microscopes or fluorescence microscopes u. a. produced by the company Piano and the company NT-MDT. However, the available 1D graticules with 120 nm deep indentations do not show sufficient Raman contrast between the upper and lower plateaus and additionally lead to disturbing edge effects.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Prüfkörper bereitzustellen, der eine gesteigerte Genauigkeit bei der Kalibrierung eines Raman-Mikroskops ermöglicht, wobei die Kalibrierung ohne zusätzliche apparative Ausrüstung vorgenommen werden kann.The object of the invention is therefore to provide a test specimen which allows an increased accuracy in the calibration of a Raman microscope, wherein the calibration can be carried out without additional equipment.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch einen Prüfkörper mit einem Substrat aus einem ersten Material, und einer darauf aufgebrachten Kalibrierstruktur aus einem von dem ersten Material verschiedenen zweiten Material, wobei zumindest entweder das erste Material oder das zweite Material Raman-aktiv ist und wobei die Kalibrierstruktur eine Dicke d1 von unter 30 nm aufweist.The invention achieves the object by a test body having a substrate made of a first material, and a calibration structure applied thereon of a second material different from the first material, wherein at least one of the first material and the second material is Raman active and wherein the calibration structure is a Thickness d 1 of less than 30 nm.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Raman-Prüfkörpers mit den Schritten:
- a. Aufbringen einer Schicht eines photosensitiven oder elektronenstrahlsensitiven Lacks auf einem Substrat, das aus einem ersten Material besteht,
- b. Belichten der Lackschicht mit einem zur Kalibrierung eines Raman-Mikroskops geeigneten Muster,
- c. Aufbringen einer Schicht einer Dicke d1 von unter 30 nm eines von dem ersten Material verschiedenen Materials auf das Substrat, wobei das erste Material und/oder das zweite Material Raman-aktiv ist,
- d. Entfernen der Schicht des photosensitiven Lacks.
- a. Applying a layer of a photosensitive or electron beam-sensitive lacquer to a substrate which consists of a first material,
- b. Exposing the lacquer layer with a pattern suitable for the calibration of a Raman microscope,
- c. Depositing a layer of thickness d 1 of less than 30 nm on the substrate of a material other than the first material, wherein the first material and / or the second material is Raman-active,
- d. Removing the layer of the photosensitive varnish.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Prüfkörpers zur Kalibrierung eines Raman-Mikroskops.Furthermore, the object is achieved by the use of a test body according to the invention for calibrating a Raman microscope.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass unter Ausnutzung des im Raman-Mikroskops integrierten Raman-Spektrometers eine Kalibrierung höherer Genauigkeit erreicht werden kann. Erfindungsgemäß besteht ein Prüfkörper aus einem Substrat aus einem ersten Material, und einer darauf aufgebrachten Kalibrierstruktur aus einem von dem ersten Material verschiedenen zweiten Material, wobei zumindest entweder das erste Material oder das zweite Material Raman-aktiv ist und wobei die Kalibrierstruktur eine Dicke d1 von unter 30 nm aufweist. Der Prüfkörper ist also nicht wie bekannte Prüfkörper hinsichtlich seiner Topographie oder Fluoreszenz, sondern hinsichtlich lokaler Unterschiede in der Raman-Aktivität strukturiert. Ist die Struktur des Prüfkörpers hinreichend genau bekannt, so wird eine rückführbare Kalibrierung des Raman-Mikroskops möglich.The invention is based on the finding that a calibration of higher accuracy can be achieved by utilizing the Raman spectrometer integrated in the Raman microscope. According to the invention, a test specimen consists of a substrate made of a first material and a calibration structure applied thereon of a second material different from the first material, wherein at least one of the first material and the second material is Raman active and wherein the calibration structure has a thickness d 1 of less than 30 nm. The specimen is thus not structured as known specimens with respect to its topography or fluorescence, but with respect to local differences in Raman activity. If the structure of the test specimen is known with sufficient accuracy, a traceable calibration of the Raman microscope becomes possible.
Unter einem Prüfkörper wird insbesondere ein Körper verstanden, dessen Struktur genau bekannt ist. Beispielsweise kann die Struktur hochgenau vermessen und durch ein Prüfzertifikat dokumentiert sein. Ein Körper, der zwar eine Struktur aufweist, dessen Struktur aber nicht hinreichend genau bekannt ist, ist als Prüfkörper ungeeignet. Für einen erfindungsgemäßen Prüfkörper zur Kalibrierung eines Raman-Mikroskops ist die Struktur, d. h. insbesondere die Ausdehnungen der Strukturschicht in x- und y-Richtung mit einer erweiterten Messunsicherheit von 1% (Erweiterungsfaktor k = 2) bekannt.Under a test specimen is understood in particular a body whose structure is known exactly. For example, the structure can be measured with high precision and documented by a test certificate. A body which, although having a structure whose structure is not known with sufficient accuracy, is unsuitable as a test specimen. For a test specimen according to the invention for calibrating a Raman microscope, the structure, i. H. in particular, the expansions of the structural layer in the x and y directions with an expanded measurement uncertainty of 1% (expansion factor k = 2) known.
Unter einem Raman-aktiven Material wird insbesondere ein Material verstanden, das eine während einer Molekül- oder Gitterschwingung veränderliche Polarisierbarkeit aufweist.A Raman-active material is understood in particular to mean a material which has a polarizability that changes during a molecular or lattice vibration.
Es besteht sowohl die Möglichkeit, dass das erste Material und somit das Substrat Raman-aktiv ist, und das zweite Material und somit die Kalibrierstruktur Raman-inaktiv ist, sowie der umgekehrte Fall, dass das erste Material und somit das Substrat Ramaninaktiv ist und das zweite Material und somit die Kalibrierstruktur Raman-aktiv ist. Entscheidend ist lediglich, dass im Raman-Bild ein ausreichend hoher Kontrast zwischen Substrat und Kalibrierstruktur besteht. Dies kann auch der Fall sein, wenn sowohl das erste als auch das zweite Material Raman-aktiv sind. Entscheidender Faktor ist der Kontrast, der sich nach Addition der Signale beider Materialien bei der zur Kalibrierung betrachteten Wellenzahl ergibt.There is the possibility that the first material and thus the substrate is Raman-active, and the second material and thus the calibration structure is Raman-inactive, as well as the opposite case that the first material and thus the substrate is Ramaninaktiv and the second Material and thus the calibration structure is Raman active. All that matters is that the Raman image has a sufficiently high contrast between the substrate and the calibration structure. This may also be the case when both the first and second materials are Raman active. The decisive factor is the contrast that results after the addition of the signals of both materials at the wavenumber considered for calibration.
Unter einer Kalibrierstruktur wird dabei eine Struktur verstanden, die derart geformt und dimensioniert ist, dass sie für die Kalibrierung des Mikroskops geeignet ist. Eine geeignete Struktur für die Kalibrierung in einer Dimension hat z. B. die Form eines Maßbandes incl. der zugehörigen Skala. In anderen Worten ist die Kalibrierstruktur geeignet, um gemessene Größen wie Abstände, Winkel u. ä. mit bekannten Größen, die in der Regel aufgrund einer vorherigen Vermessung des Prüfkörpers bekannt sind, zu vergleichen. Die Kalibrierstruktur ist dabei in der Regel für sichtbares Licht und allgemein für vom Raman-Mikroskop abgestrahlte Anregungsstrahlung weitgehend oder vollständig intransparent. SERS-Substrate weisen oftmals ähnliche Strukturen auf, sind zur Kalibrierung aber dennoch nicht geeignet, da die Dimensionen nicht in der benötigten Größenordnung liegen.A calibration structure is understood to mean a structure which is shaped and dimensioned in such a way that it is suitable for the calibration of the microscope. A suitable structure for the calibration in one dimension has z. B. the shape of a tape measure incl. The associated scale. In other words, the calibration structure is suitable for measuring measured quantities such as distances, angles u. Ä. With known sizes, which are usually known due to a prior measurement of the specimen to compare. The calibration structure is generally largely or completely non-transparent to visible light and generally to excitation radiation radiated by the Raman microscope. SERS substrates often have similar structures, but are still not suitable for calibration because the dimensions are not in the required order of magnitude.
Es hat sich herausgestellt, dass eine ausgeprägte Topographie für einen solchen Prüfkörper von Nachteil ist, da sich Kanteneffekte in Form von Intensitätsüberhöhungen an den Kanten der Kalibrierstruktur ergeben können. Daher ist es notwendig, dass die Kalibrierstruktur möglichst dünn ist. Unter einer dünnen Struktur wird dabei eine Struktur verstanden, deren Dicke kleiner als 30 nm, bevorzugt kleiner als 20 nm ist. Es ergibt sich dann ein nahezu topographieloser Prüfkörper.It has been found that a pronounced topography is disadvantageous for such a test body, since edge effects in the form of intensity peaks at the edges of the calibration structure can result. Therefore, it is necessary that the calibration structure is as thin as possible. A thin structure is understood to mean a structure whose thickness is less than 30 nm, preferably less than 20 nm. This results in a nearly topographieloser specimen.
Wünschenswert ist ein hoher Kontrast, das heißt also ein großes Verhältnis zwischen der Raman-Aktivität der durch die Kalibrierstruktur abgedeckten Bereiche und der Raman-Aktivität der nicht abgedeckten Bereiche des Substrats. Der Kontrast kann dabei auch durch Unterschiede in der Wellenlänge der als Raman-Strahlung abgestrahlten Strahlung entstehen.It is desirable to have a high contrast, that is to say a large ratio between the Raman activity of the regions covered by the calibration structure and the Raman activity of the uncovered regions of the substrate. The contrast can also be caused by differences in the wavelength of the radiation emitted as Raman radiation.
Der Kontrast lässt sich zum einen durch die Materialauswahl und zum anderen durch die Schichtdicke der Kalibrierstruktur beeinflussen. Eine dickere Schicht erzeugt eine bessere Abschattung des darunter liegenden Substrats, führt also zu einer geringeren Raman-Aktitivät im Bereich der Kalibrierstruktur. Gleichzeitig verstärken sich mit der Schichtdicke wie oben beschrieben auch die Kanteneffekte, so dass hier ein Kompromiss zwischen gewünschtem hohen Kontrast und unerwünschten Kanteneffekten gefunden werden muss. Vorteilhafterweise weist die Kalibrierstruktur daher eine Dicke zwischen 10 und 25 nm, bevorzugt zwischen 15 und 20 nm auf. In von den Erfindern durchgeführten Versuchen haben sich Prüfkörper mit einer Schichtdicke der Kalibrierstruktur zwischen 15 und 20 nm als optimal herausgestellt.The contrast can be influenced on the one hand by the material selection and on the other hand by the layer thickness of the calibration structure. A thicker layer produces better shading of the underlying substrate, thus resulting in lower Raman activity in the area of the calibration structure. At the same time, the edge thicknesses increase with the layer thickness as described above, so that a compromise between the desired high contrast and undesired edge effects must be found here. Advantageously, therefore, the calibration structure has a thickness between 10 and 25 nm, preferably between 15 and 20 nm. In tests carried out by the inventors, specimens with a layer thickness of the calibration structure between 15 and 20 nm have been found to be optimal.
Vorteilhaft an einem erfindungsgemäßen Prüfkörper ist es, dass er die Kalibrierung der Verstelleinrichtung des Mikroskoptisches im point-by-point oder line-by-line scanning anhand der Raman-Emission erlaubt. Weiterhin kann die Punkt-Spreizfunktion der optischen Auflösung beim point-by-point oder line-by-line scanning anhand des Raman-Signals ermittelt werden.An advantage of a test specimen according to the invention is that it allows the calibration of the adjustment of the microscope stage in point-by-point or line-by-line scanning based on the Raman emission. Furthermore, the point spread function of the optical resolution in the case of point-by-point or line-by-line scanning can be determined on the basis of the Raman signal.
Der erfindungsgemäße Prüfkörper weist Kalibrierstrukturen auf, die keine Kanten-Artefakte aufweisen und somit nahezu topographielos sind. Es ist möglich, einen Prüfkörper herzustellen, der periodische Strukturen aufweist, die bei geringer Dicke der Kalibrierstruktur einen ausreichenden Raman-Kontrast auch bei kleinen pitches aufweisen, um kleine Bereiche sehr genau zu kalibrieren. Ebenso können periodische Strukturen auf dem Prüfkörper vorhanden sein, die ausreichend groß sind, um lange Reichweiten zu kalibrieren.The test specimen according to the invention has calibration structures which have no edge artifacts and are therefore virtually topographical. It is possible to produce a test specimen which has periodic structures which, with a small thickness of the calibration structure, have sufficient Raman contrast, even at small pitches, in order to calibrate small areas very precisely. Similarly, periodic structures may be present on the specimen that are sufficiently large to calibrate long ranges.
Die verschiedenen Muster der Kalibrierstruktur können in verschiedenen Größen auf dem Prüfkörper vorhanden sein, um alle gängigen Kombinationen von Anregungswellenlängen und Objektiv sowie verschiedene pitches und verschiedene Kreisdurchmesser abzudecken.The different patterns of the calibration structure can be in different sizes on the Test specimens may be present to cover all common combinations of excitation wavelengths and objective as well as different pitches and different circle diameters.
Durch die Verwendung von zweidimensionalen, orthogonalen Strukturen können beide Hauptachsen simultan kalibriert und Verzerrungen im Bild sichtbar gemacht werden. Eine Rückführung auf das Meter mit Hilfe von Referenzanalytiken (AFM, REM) ist möglich. Weiterhin kann der Prüfkörper mit einem Tropfen Immersionsflüssigkeit benetzt und wieder gereinigt werden, da er resistent gegen organische Lösungsmittel ausgeführt werden kann.By using two-dimensional, orthogonal structures, both major axes can be calibrated simultaneously and distortion in the image can be visualized. A return to the meter with reference analysis (AFM, REM) is possible. Furthermore, the test piece can be wetted with a drop of immersion liquid and cleaned again, since it can be carried out resistant to organic solvents.
Ein Problem bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Prüfkörpers kann eine mangelhafte Haftung der Kalibrierstruktur auf dem Substrat sein. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, dass sich zwischen dem Substrat und der Kalibrierstruktur ein Haftvermittler befindet, wobei die Dicke einer von dem Haftvermittler gebildeten Schicht vorzugsweise unter 5 nm liegt. Ein solcher Haftvermittler kann z. B. Titan sein. Geeignet ist aber prinzipiell auch jedes andere Material, das eine gute Haftung auf dem Substrat aufweist und auf dem die Kalibrierstruktur aufgebracht werden kann.A problem in the production of a test specimen according to the invention may be a poor adhesion of the calibration structure on the substrate. A development of the invention therefore provides that there is an adhesion promoter between the substrate and the calibration structure, wherein the thickness of a layer formed by the adhesion promoter is preferably less than 5 nm. Such a primer can, for. B. be titanium. In principle, however, any other material which has good adhesion to the substrate and on which the calibration structure can be applied is also suitable.
Als Substrat sind bevorzugt Halbmetalle wie Silizium und Germanium denkbar, wobei die Ramanaktivität von Germanium deutlich geringer als die von Silizium ist. Quarz ist ein geeignetes nichtmetallisches Material für ein Raman-aktives Substrat. Raman-inaktive Substrate können aus Metallen mit den Kristallsystemen fcc, hcp und bcc bestehen (Gold, Palladium, Titan oder Platin). Diese Metalle sind auch geeignete Raman-inaktive Materialien für die Strukturschicht und sind in der Lage, das darunter liegende Substrat „abzuschatten”, so dass sich ein hoher Kontrast im Raman-Bild ergibt. Besonders geeignet als Material der Kalibrierstruktur ist eine Legierung aus Gold und Palladium. Dabei kann das Verhältnis von Gold zu Palladium z. B. im Bereich zwischen 40:60 und 70:30 liegen. In anderen Worten enthält die Kalibrierstruktur 40 bis 70% Gold und 60 bis 30% Palladium. Ein geeignetes Material für eine Raman-aktive Strukturschicht bzw. Kalibrierstruktur ist neben Silizium und Germanium z. B. Graphen, eine aus nur einer Monolage bestehende Modifikation des Kohlenstoffs. Wird also z. B. eine Kombination von Graphen auf Silizium gewählt, so ist die Kalibrierstruktur bei der zur Kalibrierung verwendeten Wellenzahl im Raman-Bild zu sehen und das Substrat bleibt dunkel, wohingegen z. B. Gold auf Silizium das inverse Bild liefert. Graphen zeichnet sich weiterhin durch eine sehr gute Haftung auch ohne Haftvermittler auf dem Substrat aus.Semi-metals such as silicon and germanium are preferably conceivable as substrates, the Raman activity of germanium being significantly lower than that of silicon. Quartz is a suitable non-metallic material for a Raman active substrate. Raman-inactive substrates can consist of metals with the crystal systems fcc, hcp and bcc (gold, palladium, titanium or platinum). These metals are also suitable Raman-inactive materials for the structural layer and are capable of "shadowing" the underlying substrate to give a high contrast in the Raman image. Particularly suitable as the material of the calibration structure is an alloy of gold and palladium. The ratio of gold to palladium z. B. in the range between 40:60 and 70:30. In other words, the calibration structure contains 40 to 70% gold and 60 to 30% palladium. A suitable material for a Raman-active structure layer or calibration structure is in addition to silicon and germanium z. As graphene, consisting of only a monolayer modification of the carbon. So if z. For example, if a combination of graphene on silicon is selected, then the calibration structure will be seen in the Raman image at the wavenumber used for calibration, and the substrate will remain dark, whereas, for example, in FIG. Gold on silicon provides the inverse image. Graphene is further characterized by a very good adhesion even without adhesion promoter on the substrate.
Um eine umfassende Kalibrierung zu ermöglichen, kann die Kalibrierstruktur mehrere der folgenden Muster umfassen: Schachbrettmuster, Punktgitter, Strichgitter, Punktstreuzentren, große Flächen mit scharfen Kanten. Beliebige Kombinationen sind je nach den spezifischen Anforderungen möglich.To allow for full calibration, the calibration structure may include several of the following patterns: checkerboard pattern, dot grid, grating, dot scatter centers, large areas with sharp edges. Any combinations are possible depending on the specific requirements.
Ein Muster ist dabei jede regelmäßige Struktur, die eine Kalibrierung erlaubt. Im Regelfall wiederholt sich ein Muster nach einer bestimmten räumlichen Periode. Dies ist aber nicht unbedingt notwendig, so kann eine „große Fläche mit scharfen Kanten” auch aus einer beliebigen Abbildung eines Gegenstands oder z. B. einem Schriftzeichen bestehen.A pattern is any regular structure that allows calibration. As a rule, a pattern repeats after a certain spatial period. However, this is not absolutely necessary, so can a "large area with sharp edges" from any image of an object or z. B. consist of a character.
Als „Schachbrettmuster” werden dabei zweidimensionale, orthogonale Strukturen angesehen. Diese können in verschiedenen Größen ausgeführt werden, sind aber zumindest 200 μm × 200 μm groß. Solche schachbrettartigen Strukturen sind geeignet, um beide laterale Hauptachsen gleichzeitig zu kalibrieren, ohne dass eine Rotation der Probe, also des Prüfkörpers, erforderlich wird. Es hat sich herausgestellt, dass sich bei der Kalibrierung einer einzelnen Hauptachse im line mapping Verfahren andere Kalibrierfaktoren für den Tisch ergeben können als bei einem zweidimensionalen Mapping. Wenn die Kalibrierstruktur eine Schachbrettanordnung aufweist, so kann diese weiterhin zur gleichzeitigen Beurteilung der Gleichförmigkeit der Zeilenverschiebung dienen, was mittels einer Kalibrierstruktur, die lediglich Punktgitter aufweist, nicht möglich wäre. Eine solche zweidimensionale Struktur muss nicht zwingend orthogonal und ein Schachbrettmuster sein, ebenfalls denkbar sind z. B. rautenartige oder sechseckige Strukturen.Two-dimensional, orthogonal structures are considered as "checkerboard patterns". These can be made in different sizes, but are at least 200 microns × 200 microns in size. Such checkerboard-like structures are suitable for simultaneously calibrating both major lateral axes without requiring rotation of the sample, ie the specimen. It has been found that calibrating a single major axis in the line mapping process can result in different table calibration factors than two-dimensional mapping. If the calibration structure has a checkerboard arrangement, this can continue to serve for the simultaneous assessment of the uniformity of the line shift, which would not be possible by means of a calibration structure which has only point grids. Such a two-dimensional structure need not necessarily be orthogonal and a checkerboard pattern, also conceivable z. B. diamond-like or hexagonal structures.
Unter einem „Strichgitter” wird eine periodische, eindimensionale Struktur verstanden, die verschiedene Abstände zwischen den einzelnen Teilen der Struktur, sog. pitches, aufweisen kann. Die Strukturen sind dabei natürlich nicht im streng geometrischen Sinn eindimensional, sondern weisen eine Breite von zumindest 200 μm auf. Die geometrische Struktur der Strichgitter erlaubt die Messpunktaufnahme über den gesamten verwendeten Verstellbereich des Mikroskoptisches. Die Strichgitter ermöglichen aufgrund des erhöhten Kontrasts gegenüber den zweidimensionalen Strukturen auch die 1D-Kalibrierung bei sehr kleinen pitches in der Größenordnung nahe der optischen Auflösung.A "grating" is understood to mean a periodic, one-dimensional structure which may have different distances between the individual parts of the structure, so-called pitches. Of course, the structures are not one-dimensional in the strictly geometrical sense, but have a width of at least 200 μm. The geometric structure of the grating allows the measurement point recording over the entire adjustment range of the microscope stage used. The grids also allow 1D calibration at very small pitches on the order of near optical resolution due to the increased contrast to the two-dimensional structures.
Die Strukturen werden dabei vorteilhafter Weise jeweils mehrfach mit unterschiedlichen pitches hergestellt. So dient ein großer pitch von z. B. 4 μm dazu, um über einen großen Kalibrierbereich bei einer Schrittweite von z. B. 1 μm eine dem Nyquist-Theorem entsprechende Mindestabtastung sicherzustellen. Ein relativ kleiner pitch von 0,8 μm stellt eine ausreichende Anzahl von Perioden für eine hochauflösende Kalibrierung kleiner Bereiche mit einer Schrittweite von z. B. 0,1 μm sicher. Ein weiterer pitch von z. B. 2 μm ermöglicht es, verschiedene Anregungswellenlängen oder Objektivkombinationen und Schrittweiten abzudecken.The structures are advantageously each made several times with different pitches. Thus, a large pitch of z. B. 4 microns to order over a large calibration range at a pitch of z. B. 1 micron to ensure the Nyquist theorem minimum sampling. A relatively small pitch of 0.8 μm provides a sufficient number of periods for a high-resolution calibration of small areas with a pitch of z. B. 0.1 micron sure. Another pitch from Z. B. 2 microns makes it possible to cover different excitation wavelengths or lens combinations and step sizes.
Als weitere Merkmale der Kalibrierstruktur können einzelne Punktstreuzentren vorhanden sein. Diese können z. B. Durchmesser von 100 nm, 200 nm und/oder 400 nm aufweisen. Mit Hilfe solcher Punktstreuzentren kann dann die detektierte Punktspreizfunktion und damit die optische Auflösung ermittelt werden. Ebenfalls können doppelte Punktstreuzentren vorhanden sein. Die Durchmesser können dabei denen der einzelnen Punktstreuzentren entsprechen; zweckmäßiger Weise beträgt der Zentrenabstand im Fall der 100 nm großen Punktstreuzentren das vierfache (400 nm), ansonsten das doppelte (400 nm, 800 nm) des Durchmessers. Anhand solcher doppelten Punktstreuzentren lässt sich die optische Auflösung z. B. nach dem Rayleigh-Kriterium validieren.As further features of the calibration structure, individual point scattering centers may be present. These can be z. B. diameter of 100 nm, 200 nm and / or 400 nm. With the help of such Punktstreuzentren then the detected point spread function and thus the optical resolution can be determined. There may also be duplicate point spread centers. The diameters can correspond to those of the individual Punktstreuzentren; Expediently, the center distance in the case of the 100 nm point scattering centers is four times (400 nm), otherwise double (400 nm, 800 nm) of the diameter. On the basis of such double Punktstreuzentren the optical resolution z. B. validate according to the Rayleigh criterion.
Die Punktstreuzentren können verwendet werden, um das Profil der Anregungsstrahlung zu bestimmen. Der Laserstrahl eines Raman-Mikroskops hat üblicherweise ein Profil, das im Wesentlichen einer Gauß-Kurve entspricht, die Strahlungsintensität in Abhängigkeit vom Abstand zum Zentrum des im Optimalfall kreisförmigen Laserstrahls folgt also einer Gauß-Funktion, deren Maximum im Zentrum des Laserstrahls liegt. Dieses theoretische Gauß-Profil wird aber durch die weiteren optischen Komponenten des Aufbaus beeinflusst, so dass das Gauß-Profil für einen realen Aufbau nur eine Näherung darstellen kann. Mit Hilfe auf dem Prüfkörper vorhandener Punktstreuzentren kann das reale Strahlprofil ermittelt und für die Entfaltung der gewonnenen Bilddaten verwendet werden. Dies führt zu einer deutlichen Steigerung der Genauigkeit des Verfahrens.The point scattering centers can be used to determine the profile of the excitation radiation. The laser beam of a Raman microscope usually has a profile which substantially corresponds to a Gaussian curve, the radiation intensity as a function of the distance to the center of the optimally circular laser beam thus follows a Gaussian function whose maximum lies in the center of the laser beam. However, this theoretical Gaussian profile is influenced by the further optical components of the structure, so that the Gaussian profile can only represent an approximation for a real construction. With the help of existing on the test specimen scattering centers, the real beam profile can be determined and used for the development of the acquired image data. This leads to a significant increase in the accuracy of the process.
Große Flächen mit geraden, scharfen Kanten erlauben die Bestimmung der Halbwertsbreite der detektierten Punktspreizfunktion. Zu diesem Zweck kann die Kante mit linemapping Verfahren abgerastert und die erhaltene Intensitätsfunktion als Gaußsche Fehlerfunktion (erf) angefittet werden. Unter einer „großen Fläche” wird dabei eine homogene, ununterbrochene Fläche verstanden, die eine Kantenlänge aufweist, die zumindest dem fünffachen einer Periode der verwendeten regelmäßigen Strukturen entspricht, die z. B. eine Kantenlänge von 5 μm × 5 μm aufweist. Unter einer „scharfen Kante” wird verstanden, dass der Übergangsbereich zwischen Strukturmaterial und unbeschichtetem Substrat möglichst klein, im Idealfall gleich Null, ist. Dementsprechend weisen alle verwendeten Kalibrierstrukturen scharfe Kanten auf. Bevorzugt steigt die Schichtdicke der Kalibrierstruktur auf einer Strecke von unter 50 nm von unter 5% auf zumindest 95% der nominellen Schichtdicke an. Unter einer geraden Kante wird eine maximale Abweichung von einer geometrischen Geraden von 50 nm auf 1 μm verstanden.Large areas with straight, sharp edges allow the determination of the half-width of the detected point spread function. For this purpose, the edge can be scanned with linemapping method and the obtained intensity function as Gaussian error function (erf) be fitted. A "large area" is understood to mean a homogeneous, uninterrupted area which has an edge length which corresponds at least to five times one period of the regular structures used, which are eg. B. has an edge length of 5 microns × 5 microns. A "sharp edge" is understood to mean that the transition region between the structural material and the uncoated substrate is as small as possible, ideally equal to zero. Accordingly, all calibration structures used have sharp edges. Preferably, the layer thickness of the calibration structure increases over a distance of less than 50 nm from less than 5% to at least 95% of the nominal layer thickness. A straight edge is understood to mean a maximum deviation from a geometric straight line of 50 nm to 1 μm.
Es ist zweckmäßig, die Kalibrierstruktur auf dem Substrat redundant auszubilden, so dass vorzugsweise die Struktur eine Mehrzahl von verschiedenen Mustern umfasst und jedes Muster zumindest 10-fach identisch vorhanden ist. Es ist weniger aufwendig, auf einem einzelnen Prüfkörper eine Vielzahl von ggf. identischen Strukturen aufzubringen, als eine Mehrzahl von Prüfkörpern herzustellen, auf denen jeweils nur eine einzige Struktur aufgebracht ist. Durch die angesprochene Redundanz lässt sich so mit geringem Aufwand vermeiden, dass bei einer fehlerhaften Produktion einer einzigen Struktur der gesamte Prüfkörper unbrauchbar wird. Stattdessen kann ermittelt werden, welche Strukturen fehlerfrei produziert wurden, so dass dann ausschließlich diese zur Kalibrierung verwendet werden. Es ist dann nicht notwendig, einen anderen Prüfkörper zu benutzen, stattdessen wird einfach eine in einem anderen Bereich des Prüfkörpers aufgebrachte identische Struktur zur Kalibrierung verwendet.It is expedient to design the calibration structure redundantly on the substrate, so that preferably the structure comprises a plurality of different patterns and each pattern is present at least 10 times identically. It is less expensive to apply to a single test specimen a plurality of possibly identical structures, as to produce a plurality of test specimens, on each of which only a single structure is applied. As a result of the mentioned redundancy, it is thus possible with little effort to avoid the faulty production of a single structure rendering the entire test body unusable. Instead, it can be determined which structures were produced without errors, so that only these are used for calibration. It is then not necessary to use another specimen, but instead an identical structure applied in another area of the specimen is simply used for calibration.
Ein erfindungsgemäßer Prüfkörper lässt sich mit folgendem Verfahren herstellen: Ein Siliziumwafer als Substrat wird z. B. mit einem elektronenstrahlsensitivem Lack oder PMMA (Polymethylmethacrylat) beschichtet und anschließend mittels proximity korrigierter Elektronenstrahllithographie belichtet. Unter einem photosensitiven oder elektronenstrahlsensitivem Lack wird dabei jeder Stoff verstanden, der zur Herstellung einer Maske geeignet ist, neben PMMA also z. B. auch andere elektronenstrahlsensitive Lacke wie ZEP-520 der Fa. Zeonrex Electronic Chemicals. Dabei werden die gewünschten Strukturen auf das Substrat übertragen. Anschließend wird die belichtete Struktur entwickelt. Man erhält eine Lackmaske, in die die belichtete Struktur übertragen worden ist. Auf diese Lackmaske wird in einem thermischen Verdampfer eine dünne Schicht Titan und anschließend eine Gold-Palladium-Legierung abgeschieden, wobei die Legierung z. B. 60% Gold und 40% Palladium beinhaltet. Alternativ zu einem thermischen Widerstandsverdampfer kann auch ein Elektronenstrahlverdampfer verwendet werden. Wichtig ist, dass das Material aus einer möglichst punktförmigen Quelle abgeschieden wird.An inventive test specimen can be produced by the following method: A silicon wafer as a substrate is z. B. coated with an electron beam sensitive paint or PMMA (polymethyl methacrylate) and then exposed by proximity corrected electron beam lithography. Under a photosensitive or electron beam sensitive paint is understood to mean any substance that is suitable for producing a mask, in addition to PMMA so z. As well as other electron-sensitive paints such as ZEP-520 Fa. Zeonrex Electronic Chemicals. The desired structures are transferred to the substrate. Subsequently, the exposed structure is developed. This gives a resist mask, in which the exposed structure has been transferred. On this resist mask, a thin layer of titanium and then a gold-palladium alloy is deposited in a thermal evaporator, wherein the alloy z. B. 60% gold and 40% palladium. As an alternative to a thermal resistance evaporator, an electron beam evaporator can also be used. It is important that the material is separated from a point source as possible.
Sowohl die Titanschicht als auch die Arbeitsschicht, also die Schicht, die später die Kalibrierstruktur bildet, sind dünn. Zweckmäßiger Weise ist natürlich die Titanschicht dünner als die Arbeitsschicht, da ab einer bestimmten Dicke keine bessere Haftung mehr erreicht wird.Both the titanium layer and the working layer, ie the layer which later forms the calibration structure, are thin. Appropriately, of course, the titanium layer is thinner than the working layer, since from a certain thickness better adhesion is no longer achieved.
Mögliche Materialien für die Kalibrierstruktur unterscheiden sich hauptsächlich in ihrer Feinkörnigkeit sowie in ihrem Verhalten beim sog. Lift-off, also dem Entfernen der Lackmaske. Die Feinkörnigkeit ist wichtig, um hochgenaue, kleinste Strukturen herzustellen und bestimmt somit die kleinste mögliche Strukturgröße und daher mittelbar auch die Genauigkeit der Kalibrierung. Ebenfalls wichtig ist, dass das Material auf dem Substrat beim Lift-off gut haften bleibt, so dass keine fehlerhaften Strukturen hergestellt werden. Eine Legierung, die 60 Gew.-% Gold und 40 Gew.-% Palladium enthält, hat sich als vorteilhaft erwiesen. Mit einer solchen Legierung lassen sich Strukturen mit Größen bis hinunter zu 100 nm bei Abständen zwischen den Strukturen im Bereich bis hinunter zu 10 nm herstellen.Possible materials for the calibration structure differ mainly in their fine granularity and in their behavior during the so-called lift-off, ie the removal of the resist mask. The Fine grain is important for producing high-precision, smallest structures and thus determines the smallest possible structure size and therefore indirectly also the accuracy of the calibration. It is also important that the material sticks well to the substrate during the lift-off, so that no faulty structures are produced. An alloy containing 60% by weight of gold and 40% by weight of palladium has been found to be advantageous. With such an alloy, structures can be made with sizes down to 100 nm at distances between the structures in the range down to 10 nm.
Anschließend wird die Lackmaske durch ein Lösungsmittel entfernt. Das belichtete Pattern ist nun als metallische Struktur auf die Oberfläche des Wafers übertragen. Die auf diesem Wege hergestellten Strukturen, also das gesamte auf den Wafer aufgebrachte Material, hat dann eine Dicke von z. B. ca. 23 nm. Diese setzt sich zusammen aus einer dünnen Haftvermittlerschicht, die aus einer ca. 3 nm dicken Titanschicht besteht, und aus einer Arbeitsschicht, die aus Gold und Palladium besteht und ca. 20 nm dick ist.Subsequently, the resist mask is removed by a solvent. The exposed pattern is now transferred to the surface of the wafer as a metallic structure. The structures produced in this way, ie the entire material applied to the wafer material, then has a thickness of z. This is composed of a thin adhesion promoter layer, which consists of an approximately 3 nm thick titanium layer, and a working layer, which consists of gold and palladium and is about 20 nm thick.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying figures. Show it
Die Muster sind jeweils in verschiedenen Größen vorhanden. Es variieren also die Durchmesser der Punktstreuzentren
Die Deckschicht bzw. Arbeitsschicht
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Prüfkörperspecimen
- 1212
- Substratsubstratum
- 1414
- Kalibrierstrukturcalibration structure
- 1616
- Haftvermittlerbonding agent
- 1818
- Mustertemplate
- 2020
- Kalibrierfeldcalibration field
- 2222
- Arbeitsschichtwork shift
- 2424
- Kanteedge
- 2626
- Kanteedge
- 2828
- einfallende Strahlungincident radiation
- 3030
- Raman-StreuungRaman scattering
- 3232
- abgeschwächte Raman-Streuungweakened Raman scattering
- aa
- Durchmesser, PeriodeDiameter, period
- d1 d 1
- Dicke der ArbeitsschichtThickness of the working layer
- d2 d 2
- Dicke der HaftvermittlerschichtThickness of the adhesion promoter layer
- ll
- Kantenlängeedge length
Claims (10)
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