DE19829086C2

Optical measuring method for ultra-thin layers e.g. polymer films

Abstract

The invention relates to a method for the optical determination of chemical and physical properties of ultra-thin layers, such as the chemical structure of molecules, the arrangement of the molecules to each other and to a surface and for determining the thickness of the molecular layer and its refractive index, said DOLLAR A a) the layer is on an optically transparent substrate with a thin layer of precious metal for the excitation of surface plasmons and the same time on the layer, the optical molecular spectroscopy and surface plasmon resonance is performed DOLLAR a b) molecular spectroscopy and surface plasmon resonance surface dissolved by sampling or by means of image capture of layer is performed DOLLAR A c) filtering the obtained spectra from the optical molecule spectroscopy and from the binding of the molecules on the surface of the noble metal layer, the orientation on the noble metal layer and the connection of the functional chemical groups is determined DOLLAR A d) by means of the surface plasmons resonance, the thickness of the layer and / or the dielectric function is determined DOLLAR a e) the values ​​obtained from the spectra of the optical molecular spectroscopy and surface plasmon resonance are superimposed, and DOLLAR a f) thereof, the chemical and physical properties determined in a region of the layer surface dissolved are displayed. DOLLAR A discloses a device for performing the method is described.

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Expired 30 June 2018, 8.2 years ago.

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20 claims: 1 independent, 19 dependent

  1. 1
    Verfahren zur optischen Bestimmung von chemischen und physikalischen Eigenschaften von ultradünnen Schichten, wie der chemischen Struktur von Molekülen, der Anordnung der Moleküle zueinander und zu einer Oberfläche sowie zur Bestimmung der Dicke der Molekülschicht und deren Brechungsindex, wobei a) sich die Schicht auf einer optisch transparenten Unterlage mit einer dünnen Edelmetallschicht für die Anregung der Oberflächenplasmonen befindet und an der Schicht gleichzeitig die optische Molekülspektroskopie und die Oberflächenplasmonen-Resonanz durchgeführt wird, b) die Molekülspektroskopie und Oberflächenplasmonen-Resonanz flächenaufgelöst durch Abtasten oder mittels Bilderfassung der Schicht durchgeführt wird, c) die gewonnenen Spektren aus der optischen Molekülspektroskopie gefiltert und daraus die Bindung der Moleküle auf der Oberfläche der Edelmetallschicht, deren Orientierung auf der Edelmetallschicht und die Anbindung von funktionellen chemischen Gruppen bestimmt wird, d) mittels der Oberflächenplasmonen-Resonanz die Dicke der Schicht und/oder die dielektrische Funktion bestimmt wird, e) die aus den Spektren der optischen Molekülspektroskopie und der Oberflächenplasmonen- Resonanz gewonnenen Werte überlagert werden, und f) hieraus die chemischen und physikalischen Eigenschaften in einem bestimmten Bereich der Schicht flächenaufgelöst dargestellt werden.
  2. 2
    Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Eigenschaften der zu untersuchenden Schicht mit hoher örtlicher Auflösung und gleichzeitig durch die Molekülspektroskopie mit hoher chemischer Auflösung erfaßt und dargestellt werden.
  3. 3
    Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die hohe örtliche Auflösung der Oberflächenplasmonen- Resonanz und der optischen Molekülspektroskopie durch Einsatz eines Array-Detektors erreicht wird.
  4. 4
    Verfahren nach Anspruch 3, bei dem auf die Schicht ein paralleles Strahlenbündel fällt und das reflektierte Strahlenbündel dem Array-Detektor zugeführt wird.
  5. 5
    Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die hohe örtliche Auflösung durch Abrastern der Schicht mittels einer XY-Verstelleinheit erreicht wird.
  6. 6
    Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Strahlung als sehr fein fokusierte Strahlung die Schicht trifft und die reflektierte Strahlung dem Detektor zugeführt wird.
  7. 7
    Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als ein empfindliches Verfahren der optischen Molekülspektroskopie die fouriertransformierte Polarisations-Modulations-Spektroskopie mit Infrarotlicht angewendet wird.
  8. 8
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem für die Anregung der Oberflächenplasmonen als Edelmetallschicht sehr kleine und feine Metallcluster verwendet werden, die sich auf der Oberfläche der optisch transparenten Unterlage befinden und von der anderen Seite Kontakt mit der Schicht aufweisen.
  9. 9
    Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Metallcluster durch thermisches Bedampfen, Sputtern, reaktives Abscheiden oder durch Ionenimplantation hergestellt werden.
  10. 10
    Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Metallcluster gleichzeitig zur optischen Resonanzverstärkung der optischen Spektroskopie genutzt werden.
  11. 11
    Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Schicht homogen oder gezielt strukturiert ist.
  12. 12
    Verfahren nach Anspruch 11, bei dem Strukturierung der Schicht wenige Mikrometer beträgt.
  13. 13
    Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der a) als optisch transparente Unterlage ein Prisma ( 8 ) zur Ablage einer dünnen Edelmetallschicht ( 7 ) mit einer Schicht ( 1 ) vorgesehen ist, b) eine Anordnung zur Messung der Oberflächenplasmonen-Resonanz vorgesehen ist, deren Strahlenbündel ( 9 ) auf die schichtfreie Seite der Edelmetallschicht ( 7 ) gerichtet ist, c) eine Anordnung zur optischen Spektroskopie vorgesehen ist, deren Meßlicht (IR-Strahlung 2 ) auf die Schicht ( 1 ) oder auf die schichtfreie Seite der Edelmetallschicht ( 7 ) gerichtet ist, d) der Anordnung Detektoren ( 6 , 10 ) zugeordnet sind, und e) die Detektoren ( 6 , 10 ) einer Auswerteeinrichtung zur Berechnung der chemischen und physikalischen Eigenschaften zugeordnet sind, so daß ein bestimmter Bereich der Schicht ( 1 ) flächenaufgelöst darstellt wird.
  14. 14
    Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Anordnung zur Messung der Oberflächenplasmonen-Resonanz in Strahlengangrichtung aus Lichtquelle, die ein paralleles Strahlenbündel ( 9 ) erzeugt, Prisma ( 8 ), dünner Edelmetallschicht ( 7 ) und dem Detektor ( 10 ) besteht, wobei das Strahlenbündel ( 9 ) an der Grenze von Prisma ( 8 ) und Edelmetallschicht ( 7 ) totalreflektiert wird.
  15. 15
    Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, bei der zur Anregung der Oberflächenplasmonen als Edelmetallschicht ( 7 ) Metallcluster ( 7 ') mit Abmessungen im Nanometerbereich vorgesehen sind, und die Metallcluster ( 7 ') gleichzeitig zur optischen Resonanzverstärkung der Infrarotspektren dienen.
  16. 16
    Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Anordnung zur optischen Spektroskopie in Strahlengangrichtung aus Polarisator ( 3 ), Polarisationsmodulator ( 4 ), einem ersten und einem zweiten Umlenkspiegel ( 5 ) und dem Detektor ( 6 ) besteht.
  17. 17
    Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Anordnung zur optischen Spektroskopie zwischen den beiden Umlenkspiegeln (S) ein erstes und ein zweites Objektiv ( 11 ) zur Fokusierung des Lichtes auf die Schicht ( 1 ) und zur Aufnahme des von der Schicht ( 1 ) reflektierten Lichtes enthält und als Detektor ( 6 ) ein Array-Detektor ( 6 ') vorgesehen ist.
  18. 18
    Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die optisch transparente Unterlage (Prisma 8 ) für sichtbares und infrarotes Licht durchlässig ist.
  19. 19
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der die Anordnung zur Messung der Oberflächenplasmonen-Resonanz und die Anordnung zur optischen Spektroskopie in einem FTIR-Spektrometer vorgesehen sind.
  20. 20
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei der die Einfallswinkel der optischen Strahlung auf die Schicht ( 1 ) in einem weiten Bereich veränderbar sind.
Independent claims20