Moderne Verfahren der Auflichtmikroskopie

M e tallo graphi sch e U n t ers u c h u n g s m e t h o d e n : M o d e r n e Ve rfahren der Lichtmikroskopie
M o d e rne Verfahren
d er
Au f l i c htm ikroskopie
Ein Übersichtsvortrag
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Inhalt:
1. Zirkular polarisiertes Licht
2. C-DIC
3. TIC
4. Weißlicht-Interferometrie
5. Konfokal-Mikroskopie
6. (D)UV-Mikroskopie
7. IR-Mikroskopie
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Zirkular polarisiertes Licht - Allgemeines
• Erweiterung der Linear-Polarisation (zusätzliche λ/4-Platten)
• Eliminierung des Azimut-Effektes (→ Drehbarer Tisch obsolet)
• Erweiterter Kontrast gegenüber linear polarisiertem Licht
• Ermöglicht weitere Verfahren (C-DIC, TIC)
• Hersteller: Zeiss
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Zirkular polarisiertes Licht - Allgemeines
Lineare Polarisation: Eine einzige
Schwingungsrichtung der Welle. Dieser
Zustand durch durch ein einzelnes
Polarisationsfilter eingestellt.
Zirkulare Polarisation: Der Amplitudenvektor rotiert bei Voranschreiten der
We l l e m i t ko n s t a n t e r W i n ke l geschwindigkeit, ohne seinen Betrag zu
ändern.
Bildquelle: Wikipedia
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Zirkular polarisiertes Licht - Beispiele
Zirkon-Dünnschliff im Vergleich linear/zirkular polarisiertes Licht. Während bei linear polarisiertem
Licht je nach azimutaler Stellung auch Auslöschung auftritt, steht bei zirkular polarisiertem Licht in
allen Azimuten voller Kontrast zur Verfügung.
Bildquelle: Zeiss
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Zirkular polarisiertes Licht - Beispiele
Lineare Polarisation an Kugelgraphit: Schwarz/
Weiss-Kontrast der Spharolyte, Rest der
Probenfläche erscheint dunkel.
Zirkulare Polarisation: Erhöhter Kontrast in
den Sphärolyten, Bild erscheint insgesamt
heller (→ erleichterte fotographische
Dokumentation).
Bildquelle: Zeiss
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C-DIC - Allgemeines
• Circular Polarized Light Differential Interference Contrast
• Weiterentwicklung des konventionellen DIC
• Einführung von Fa. Zeiss 2002
• Beseitigung von Azimut-Effekten durch drehbares Prisma
• Besonders vorteilhaft bei künstlich erzeugten, anisotropen Strukturen
•Auch für viele ältere Mikroskope erhältlich, äußerer mechanischer
Aufbau quasi identisch zu konventionellen DIC-Modulen
• Hersteller: Zeiss
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C-DIC - Allgemeines
Optikschema des differentiellen Interferenz-kontrastes (DIC)
nach Nomarski:
1 Lichtquelle
2 Kollektor
IE Eingangsintensität
3 Polarisator
4 Planglas
5 DIC-Prisma (modifiziertes Wollaston-Prisma)
6 Objektiv-Austritts-Pupille
7 Objektiv
"blau" & "grün": Bild und Zwillingsbild der reflektierten und
vom Objekt deformierten Wellenfront
8 Präparat
9 Analysator
IA Ausgangsintensität
10 Tubuslinse
11 Zwischenbildebene
Bildquelle: Zeiss
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C-DIC - Allgemeines
Erweiterung des C-DIC durch Zirkularpolarisation:
IE Eingangsintensität
Pol
VWP1
VWP2
An
I´A Polarisator
λ/4-Platte #1
λ/4-Platte #2
Analysator
Ausgangsintensität
Das ankommende Licht IE wird vom Polarisator linear und direkt im Anschluss von der λ/4-Platte
VWP1 zirkular polarisiert. Nach dem ersten Durchgang durch das C-DIC-Prisma, der Reflexion am
Phasenobjekt, sowie dem zweiten Durchgang durch das DIC-Prisma wird beim Durchgang durch
die zweite λ/4-Platte VWP2 das Licht wieder linear polarisiert. Die Ausgangsintensität I´A ist
aufgrund der zirkularen Polarisation unabhängig vom Schwingungsazimut des DIC-Prismas.
Bildquelle: Zeiss
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C-DIC - Beispiele
Azimut-Effekt nur wenig störend bei
der Abbildung von runden
Phasenobjekten. Gerichtete
Strukturen hingegen zeigen diesen
Effekt dagegen sehr ausgeprägt und
können ohne die Option, das Präparat
a z i m u t a l z u d re h e n , z u Fe h l interpretation führen.
Orientierung des C-DIC-Prismas hier durch rote Pfeile angezeigt. Bei konventionellem DIC wäre
ein drehbarer Tisch notwendig, um das Phasenobjekt bestmöglich (wie in der mittleren Spalte)
abzubilden.
Bildquelle: Zeiss
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C-DIC - Beispiele
Synthetisch hergestelltes Phasenobjekt, abgebildet in zueinander senkrechter Aufspaltungsrichtung
des C-DIC-Prismas. Durch die hohe Anisotropie des Objektes entsteht der Eindruck gänzlich
unterschiedlicher Strukturen. Die Pfeile geben die Aufspaltungsrichtung des Prismas an.
Bildquelle: Zeiss
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TIC - Allgemeines
• Total Interference Contrast
• Weiterentwicklung des Interferenzkontrastes
• Arbeitet ebenfalls im zirkular polarisierten Licht
• Dadurch ebenfalls keine azimutale Einschränkung bei der Messung
• Ermöglicht Messungen seiner feiner regelmäßiger Oberflächenstrukturen
• Auflösungsgrenze einige 10 Nanometer bis wenige Mikrometer
• Nachrüst-Lösung für bestehende Mikroskope
• Hersteller: Zeiss
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TIC - Allgemeines
Optikschema des Total Interference Contrast:
AE
TL
ZA
L
HSP
ZP
TIC
K
Obj
OE
S
1
L
K
ZP
HSP
TIC
Obj
OE
S
ZA
TL
AE
Lichtquelle
Kollektor
Zirkular-Polarisator
Halbdurchlässiger Spiegel
TIC-Prisma
Objektiv
Objektebene
Strahlaufspaltung an der Objektebene
Zirkular-Analysator
Tubuslinse
Auffangebene (Okular oder Kamera)
Das TIC-Prisma ist so dimensioniert, dass die
Interferenzebene nicht mit der Austrittspupille des Objektivs
zusammenfällt. Auf diese Weise entsteht ein doppeltes
Pupillenbild, das den Strahl zur Interferenz bringt.
Bildquelle: Zeiss
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TIC - Beispiele
Linkes Teilbild Hellfeld-Aufnahme einer
Ir-Deckschicht auf einer IridiumLegierung.
Im rechten Teilbild ist die überlagerte
TIC-Darstellung mit typischem
Doppelbild sichtbar. Die Schichtdicke
beträgt 186 nm.
Bildquelle: Zeiss
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Weißlicht-Interferometrie (WLI) - Allgemeines
• Berührungsfreie und hochgenaue Topographie- und Ebenheitsmessung
• Unter Verwendung spektral breitbandigen Lichts
• Bildstapel des ROI werden ein sehr feinen Z-Schritten aufgenommen
• Die Abfolge dieser Bilder ergibt für jeden Objektpunkt ein
Interferogramm
• Vertikale Auflösung bis zu <1 nm (bei kooperativen Proben)
• Hersteller: z.B. Zygo, 3D-Shape, Zeiss, Leica Microsystems, ...
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Weißlicht-Interferometrie - Allgemeines
Optikschema eines WLI:
Interferogramm eines Objektpunktes:
Licht der Lichtquelle wird im Strahlteiler in zwei
Teilstrahlen dividiert. Ein Teilstrahl trifft auf die
Probe, einer auf einen Referenzspiegel. Nach
Reflexion an beiden Oberflächen werden die
Strahlen wieder zusammen- und damit zur
Interferenz geführt. Durch einen Piezo-Aktuator
wird die relative Position zwischen Probe und
Referenzspiegel eingestellt, mittels FrequenzDomänen-Analyse das Interferenzbild analysiert.
Bildquelle: Universität Stuttgart
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Weißlicht-Interferometrie - Beispiele
Screenshot der AuswertungsSoftware eines WeißlichtInterferometers der Fa. Zygo.
Bestimmung der Oberflächengüte einer Kugellagerkugel.
Links oben höhenkodierte
To p o g r a p h i e - K a r t e d e r
Oberfläche, darunter Plot
entlang einer Messlinie. Rechts
oben Pseudo-3D-Darstellung.
Bildquelle: Zygolot, Kärcher GmbH
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Weißlicht-Interferometrie - Beispiele
Detail-Ansicht der Auswertung: Plot der Messlinie,
Ausgabe von Ra und Rz, sowie
graphische Darstellung der
Topologie.
Bildquelle: Zygolot, Kärcher GmbH
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0
-10
Weißlicht-Interferometrie - Beispiele
WERKZEUGBAU
mm
4,2
2,2
mm
8,5
4,5
0
0
WERKZEUGBAU
62,3°
mm
4,2
Screenshots der AuswertungsSoftware eines WLI Korad3D der
Fa. 3D-Shape.
Bild links: Scharfe Schneidkante
u n d O b e r fl ä c h e e i n e s
Schneidwerkzeuges, Bild rechts:
Bohrung einer Einspritzdüse.
In beiden Fällen auswertbare
Messung sehr steiler Kanten
ohne Verlust der Phasenbeziehung.
62,3°
2,2
Bildquelle: Korad3D, 3D-Shape GmbH
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Konfokalmikroskopie - Allgemeines
• Berührungsfreie und sehr genau Topographie- und Ebenheitsmessung
• Bildstapel des ROI werden ein sehr feinen Z-Schritten aufgenommen
• Rekonstruktion der 3D-Oberfläche aus z-Daten und Texture-Map
• Farbeindruck der Oberfläche bleibt erhalten
• Vertikale Auflösung bis zu <10 nm (bei kooperativen Proben)
• Hersteller: z.B. NanoFocus, Zeiss, Leica, ...
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Konfokalmikroskopie - Allgemeines
Optikschema eines Konfokalmikroskops (Beispiel: Laser Scanning Microscope, LSM)
Detektor
Emissionsfilter
konfokales
Pinhole
Eine zur Fokusebene konjugiert angeordnete
Lochblende („Pinhole“) gewährleistet, dass nur Licht
aus der Fokusebene am Detektor ankommt.
Bei einem Durchfahren des Fokusbereichs wird für
jeden Bildpunkt eine annähernd gaußkurvenförmige
Intensitätsverteilung aufgezeichnet, durch elektronische
Laserlichtquelle
Hauptfarbteiler
Kollimator
Scanspiegel
Objektiv
Peak-Detektion wird die höchste Intensität einem zWert zugeordnet. Ein Abrastern der Oberfläche in xund y-Richtung stellt laterale Information bereit. Diese
Informationen aus drei Dimensionen lassen sich digital
zu einer 3D-Karte umrechnen.
Präparat
Fokusebene
z-Motor
Bildquelle: Zeiss AG
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Konfokalmikroskopie - Allgemeines
Optikschema eines Konfokalmikroskops (Beispiel: µSurf, Fa. NanoFocus)
Im Gegensatz zum LSM finden sich bei modernen KonfokalMikroskopen keine einzelnen Pin-Holes, sondern „Multi-PinholeFilter“, die als rotierende Nipkow-Scheibe realisiert sind.
Diese Scheibe ist zwischen Strahlteiler und Probe angeordnet
(→ doppelter Durchlauf des Lichtes) Die Umdrehungsgeschwindigkeit korreliert mit der der Integrationszeit der
Kamera, so dass die gesamte Fläche in Video-Echtzeit abgebildet
wird. Ein Piezo-Aktuator bewegt die Optik zur Erfassung des zWertes. Mit diesem Aufbau ist eine sehr schnelle Erfassung von
Oberflächenstrukturen möglich.
Bildquelle: NanoFocus GmbH
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Konfokalmikroskopie - Allgemeines
Tabellarische Darstellung der praktischen Auflösungsgrenzen eines Konfokalmikrokopes am
Beispiel µSurf, Fa. NanoFocus)
Objektiv
10x
20x
50x
100x
Messfeld [µm x µm]
1600x1600
800x800
320x320
160x160
Arbeitsabstand [mm]
10,1
3,1 / 12,0*
0,66 / 10,6*
0,31 / 3,4*
Numerische Apertur
0,30
0,46 / 0,40*
0,80 / 0,50*
0,95 / 0,80*
Vertikale Auflösung [µm]
0,050
0,020
0,010
0,005
*Long Distance-Objektiv mit vergrößertem Arbeitsabstand
Die vertikale Auflösung wird maßgeblich von der Positionierungsgenauigkeit des Piezo-Aktuators
bestimmt. Einfachere Varianten dieser Geräte mit Schrittmotor anstelle eines Piezo-Aktuators
weisen eine deutlich schlechtere vertikale Auflösung auf.
Quelle: NanoFocus GmbH
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Konfokalmikroskopie - Beispiele
Ausschnitt der Lauffläche eines Außenringes (links) und einer Kugel (rechts) eines
Radialkugellagers. Abbildung der Oberflächen im Artifcial-Shading-Modus (→ errechnete
Schrägbeleuchtung). Diese Darstellung erlaubt eine sehr gute subjektive Bewertung der Rauheit.
Bildquelle: NanoFocus GmbH
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Konfokalmikroskopie - Beispiele
Auswertung der Topographie des Außenringes mit höhenkodierter Darstellung, Plot eines LineScans (zur korrekten Auswertung eingeebnet) und rechnerischer Auswertung für Ra, Rz, Rmax und
anderen nach den einschlägigen Normen.
Bildquelle: NanoFocus GmbH
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(D)UV-Mikroskopie - Allgemeines
• (Deep) Ultra Violet Microscopy
• Hohe Auflösung durch Verwendung monochromatischen UV-Lichts
(λ 240-266 nm)
• Häufigste Verwendung der Hg-Linie bei 248 nm
• Auflösungsvermögen bei Hg = 0,08 µm
• Häufig Kombination aus DUV-Mikroskop mit konventionellem
Lichtmikroskop
• Ausnutzung von UV-Transparenz einiger Stoffe, z.B. Silizium zur Chip Inspektion
• Hersteller: Leica, TNP Instruments, ...
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(D)UV-Mikroskopie - Allgemeines
Der grundsätzliche Aufbau von DUVMikroskopen (hier INM 300 DUV
d e r F a . L e i c a M i c ro s y s t e m s )
entspricht grob dem konventioneller
Lichtmikroskope. Dem entsprechend
fi n d e n a u c h d i e k l a s s i s c h e n
Beleuchtungsarten Verwendung bei
dieser Geräteklasse.
Die auffälligsten Unterschiede sind
im prominenten Lichthaus und dem
Sichtschutz zu finden.
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(D)UV-Mikroskopie - Beispiele
Abbildung der Struktur eines 4 MB D-RAM Speicherbausteins. Links konventionelles
Lichtmikroskop, rechts Abbildung unter Verwendung von Deep UV-Licht mit einer Wellenlänge von
248 nm (→Hg-Linie). Originalvergrößerung 1500:1, Strukturbreite 0,25 µm. Mikroskop INM 300
DUV.
Bildquelle: Leica Microsystems.
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(D)UV-Mikroskopie - Beispiele
Abbildung des Gefüges von Aluminiumoxid, thermisch geätzt. Links Abbildung in sichtbarem Licht,
rechts DUV. Originalvergrößerung 1500:1. Störende Innenreflexe und geringe Auflösung bei der
Darstellung im sichtbaren Licht.
Bildquelle: Opielka / MPI-MF;Vollrath / Leica Microsystems.
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(D)UV-Mikroskopie - Beispiele
Abbildung des Gefüges von Strontiumtitanat, chemisch geätzt. Links Abbildung in sichtbarem Licht,
rechts DUV. Originalvergrößerung 1500:1. Die aufgeraute Kornstruktur infolge der Ätzung wird
erst im DUV-Mode adäquat aufgelöst.
Bildquelle: Opielka / MPI-MF;Vollrath / Leica Microsystems.
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IR-Mikroskopie - Allgemeines
• Kombiniertes IR-Spektrometer und Mikroskop
• Lokale IR-Analytik an einzelnen Spots möglich, aber auch IR-Mappings
ähnlich EDX-Mappings mit Spot-, Line-, und Flächenauswertung
• Auflösungsvermögen zwischen 4 und 30 µm für mittleres IR
(λ ≈ 2,5-50 µm)
• Häufigste Anwendung in Mineralogie und Oberflächenanalytik (Wafer Fertigung, Oberflächenveredelung, etc.)
• Hersteller: Bruker, Hyperion, ...
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IR-Mikroskopie - Allgemeines
• Häufig anzutreffendes Verfahren zur qualitativen und quantitativen
Analytik insbesondere organischer Substanzen
• Spektren geben Hinweis auf Struktur und Zusammensetzung des zu
analysierenden Stoffes
• Durch IR-Strahlung Anregung von Molekülen zur Schwingung, dadurch
Absorption in einem diskreten Wellenlängenbereich (→ Bande)
• Konventionelle IR-Spektrometer weisen großen Messbereich auf
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IR-Mikroskopie - Allgemeines
Aufgrund der Undurchlässigkeit
von Glas und Quarz für
i n f r a ro t e s L i c h t mu s s a u f
reflektierende Optiken wie
Cassegrain-Spiegel ausgewichen
werden. Das Licht durchläuft
nach der Emission aus der
Strahlungsquelle einen
Strahlteiler und wird zur Probe
gelenkt. Von der Probe wird das
IR-Licht (abzüglich der Banden, in denen Absorption auftritt) reflektiert und zum Detektor
umgeleitet. Eine Software mit angegliederter Banden-Datenbank nimmt nun die Auswertung der
Rohdaten vor.
Bildquelle: Chemgapedia.de
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IR-Mikroskopie - Beispiele
FT-IR-Aufnahme eines Quarzkorns aus
der Jura-Zeit. A und B zeigen das Korn
im linear polarisierten Durchlicht. Die
übrigen Bilder zeigen FalschfarbDarstellungen der Intensitäten der
3700-3600 cm-1 Bande (Bild C), 37003100 cm-1 Bande (Bild D), der 3100-2740
cm-1 Bande (Bild E) und der 2360-2320
cm-1 Bande (Bild F).
Bildquelle: Leica Microsystems.
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IR-Mikroskopie - Beispiele
Aus dem vorhergehenden Bild extrahiertes
F T- I R - S p e k t r u m . A b s o r p t i o n s - B a n d e
unterhalb 2000 cm -1 sind den Si-OSchwingungen von Quarzen und Tonen
assoziiert.
Bildquelle: Leica Microsystems.
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Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
&
angeregte
Diskussionen beim
Gesellschaftsabend!
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