DD275117A1

DD275117A1 - METHOD FOR THE MICROSCOPIC IMAGING OF ELASTIC, THERMAL AND THERMOELASTIC OBJECTS STRUCTURES

Info

Publication number: DD275117A1
Application number: DD31922288A
Authority: DD
Inventors: Jochen Barthel; Juergen Landgraf; Gerd Matalla
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1988-08-26
Publication date: 1990-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft die akustischen, photoakustischen, elektronenakustischen, ionenakustischen und verwandten Rasterverfahren zur mikroskopischen Abbildung thermischer, elastischer und thermoelastischer Objektstrukturen, bei denen elastische Wellen als Informationstraeger dienen. Erfindungsgemaess wird der bei konstanter Vorspannung fliessende Tunnelstrom oder der elektrische Widerstand eines Tunnelkontaktes zwischen einer als Tunnelspitze bezeichneten ersten Elektrode und einer akustisch an das Untersuchungsobjekt angekoppelten Gegenelektrode gemessen und in einem elektronischen Differenzverstaerker mit einem fest eingestellten Sollwert verglichen, die erhaltene Abweichung vom Sollwert nach Tiefpassfilterung so zur Nachstellung des Abstandes zwischen Tunnelspitze und Gegenelektrode benutzt, dass der zeitliche Mittelwert des Tunnelstromes bzw. des Tunnelwiderstandes konstant bleibt, waehrend der zur Strahlmodulationsfrequenz bzw. zur Ultraschallfrequenz zeitlich korrelierte Wechselanteil des Tunnelstromes bzw. des Tunnelwiderstandes als Mass fuer die Schwingungsamplitude zwischen Tunnelspitze und Gegenelektrode und damit die Objektdeformationsamplitude registriert wird.The invention relates to the acoustic, photoacoustic, electron-acoustic, ion-acoustic and related scanning methods for the microscopic imaging of thermal, elastic and thermoelastic object structures in which elastic waves serve as information carriers. According to the invention, the tunnel current flowing at a constant bias voltage or the electrical resistance of a tunnel contact between a first electrode called a tunneling tip and a counterelectrode acoustically coupled to the object to be examined is compared with a fixed setpoint value in an electronic difference amplifier, the deviation from the desired value after low-pass filtering used to adjust the distance between the tunnel tip and counter electrode, that the time average of the tunnel current or the tunnel resistance remains constant, during the time correlated to the beam modulation frequency or ultrasonic frequency alternating component of the tunnel current or the tunnel resistance as a measure of the oscillation amplitude between the tunnel tip and counter electrode and so that the object deformation amplitude is registered.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft dio akur tischen, photoakustischen, elektronenakustischen, ionenakustischen und vorwandten Rasterverfanren zur mikroskopischen Abbildung thermischer, elastischer und thermoelastischer Objektstrukturen, bei denen elastische Wellen als Informationsträger dienen. Diese zerstörungsfreien Materialprüfverfahren sprechen auf lokale Unterschiede solcher Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte, thermische Ausdehnung und elastische Steifigkeit an und eignen sich zur Werkstoffdiagnostik in verschiedenen Gebieten der Technik. Sie werden zur Untersuchung der Integrität und lateralen Homogenität von Schichtsystemen der Mikro- und Optoelektronik, von Schutz·. Hartstoff-, Kontakt- und anderen Beschichtungen sowie zur Abbildung verdeckter Strukturen angewendet.The invention relates to dio akur tables, photoacoustic, electron-acoustic, ion-acoustic and vorwandten Rasterverfanren for microscopic imaging of thermal, elastic and thermoelastic object structures in which elastic waves serve as an information carrier. These non-destructive material testing methods respond to local differences in such properties as thermal conductivity, heat capacity, density, thermal expansion and elastic stiffness and are suitable for material diagnostics in various fields of technology. They are used to study the integrity and lateral homogeneity of micro- and optoelectronic layer systems, protection. Hard coatings, contact and other coatings as well as for the image of hidden structures applied.

Characteristic of the known state of the art

Bei den bekannten Verfahren der photo-, elektronen· und ionenakustischen Mikroskopie tastet ein foku isierter, periodisch intensitätsmodulierter oder gepulster energioreicher elektromagnetischer oder Teilchenstrahl das Unt jrsunhungsobjekt systematisch ab und führt durch die zeitlich veränderliche Energieübertragung zu thermoelastischen Deformationen und Spannungen bzw. zur Anregung elastischer Volumen- und Oberflächenwellen mit der Modulationsfrequenz der erregenden Strahlung; die synchron zur Abrasterung detektiert, registriert und zur BilddarMellung benutzt werden. In der rein akustischen Rastermikroskopio tastet ein fokussierter Ultraschall-Strahl das Unter&uchungsobjokt ab, wird dort partiell reflektiert und dringt teilweise in das Material ein bzw. durchdringt es sogar. Durch Modenkonversion erhält man auch hler sowohl Volumen- als auch Oborflachenwellen, die als Informationsträger fungieren.In the known methods of photo-, electron- and ion-acoustic microscopy, a focused, periodically intensity-modulated or pulsed energy-rich electromagnetic or particle beam systematically scans the obscuration object and, through the time-variable energy transfer, leads to thermoelastic deformations and stresses or to excitation of elastic volume. and surface waves having the modulation frequency of the exciting radiation; which are detected synchronously to the scanning, registered and used for BilddarMellung. In the purely acoustic scanning microscopy, a focused ultrasound beam scans the subjacent object, where it is partially reflected and partially penetrates into the material or even penetrates it. By mode conversion, you also get both volume and obor flat waves, which act as information carriers.

Zur Signalgewinnung werden nun entweder die mit den elastischen Wellen verbundenen Spannungen und Deformationen auf Probenvorder· und -rückseite oder die sich im umgebenden Medium ausbreitenden reflektierten, trensmittlerton sowie durch Modenkonversk... und Sekundärprozesso genorierten Schallwellen detektiert. Zum Nachweis von Schallwollen im umgebenden Medium dienen zumeist fokussierende piezoelektrische Schallwendler (US-PS 4028933, DE-OS 3131796, GB-PS 8227166, US-PS 4566333) sowie Gasmlkrophonzellon (US-PS 4028932); der Nachwelk akustischer Volumen- bzw. Obarflächenwellen am Objekt erfolgt ebenfalls mit Piezowandlern (US-PS 4255971, DE-OS 3224637), mit berührungslosen laserliiterforometrischen Verfahren (Martin, Y.; Ash, E. Α.: PhII. Trans. R. Soc. Lond. A320,1986,257-269) oder durch kapazitive Abtastung (Arnold, W.; Betz, B.; Hoffmann, B.: PHI. Trans. R. Soc. Lond. A320,1986,315-318).For signal extraction, either the voltages and deformations associated with the elastic waves on the front and back of the sample or the reflected, trensmittlerton propagated in the surrounding medium as well as the sound waves modulated by mode conc ... and secondary processors are detected. For the detection of sound in the surrounding medium are usually focusing piezoelectric sound transducer (US-PS 4028933, DE-OS 3131796, GB-PS 8227166, US-PS 4566333) and Gasmlkrophonzellon (US-PS 4028932); the Nachwelk acoustic volume or Obarflächenwellen on the object is also carried out with piezoelectric transducers (US Patent 4255971, DE-OS 3224637), with non-contact laserliiterforometric method (Martin, Y., Ash, E. Α .: Phll. Trans. R. Soc A320, 1986,257-269) or by capacitive sensing (Arnold, W .; Betz, B. Hoffmann, B .: PHI Trans. R. Soc., Lond., A320, 1986, 315-318).

Focusing transducers require a confocal positioning to the focal point of the beam probe, are therefore only at Objastening used, which limits the possible Abrasteningsgeschwindigkeit, and work only in a narrow Frequency band efficient. In addition, they are like gas microphones to a coupling medium for sound transmission

gebunden und somit nicht im Zusammenhang mit Teilchnnstrahlen im Vakuum verwendbar.bound and thus not usable in connection with Teilchnnstrahlen in vacuum.

The detection of volume or surface waves in the object with piezo transducers is also only narrow Frequency bands possible unri also requires a direct physical contact by liquid immersion, gluing

oder festes Anpressen, so daß mechanische Rückwirkungen auf das Objekt stattfinden und diese Detektionsvariante nicht bei kleinen und empfindlichen Objekten anwendbar ist.or firm pressing, so that mechanical repercussions on the object take place and this detection variant is not applicable to small and sensitive objects.

Non-contact optical techniques require a relatively complicated, space consuming, and erosion-sensitive Laser optics, which excludes the construction of small devices and a coupling necessary for investigations with particle radiation

mit einer Vakuumanlage erschwert.complicated with a vacuum system.

Capacitive position sensors are small, robust and simple. Since their Meßempfindüchkeit the electrode gap

umgekehrt proportional ist und das Konstanthalten von Elektrodenabständen unter ΙΟμητι über den Meßzeitraum infolge der durch die Bestrahlung verursachten langsamen Temperaturdrift der gesamten Anordnung Probleme bereitet, ist die erreichbareis inversely proportional and the keeping constant of electrode distances under ΙΟμητι over the measurement period due to the caused by the irradiation slow temperature drift of the entire arrangement problems, the achievable

Detection sensitivity comparatively low. Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in einer Erhöhung der Meßempfindlichkeit und in einer Verringerung des gerätetechnischen Aufwandes beim Nachweis der informationstregenden elastischen Wellen In der ukustischen, photo-, elektronen- und ionenakustischen Rastermikroskopie.The object of the invention is to increase the measuring sensitivity and to reduce the equipment complexity in the detection of the information-carrying elastic waves in acoustic, photon, electron and ion-acoustic scanning microscopy.

Explanation of the essence of invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein objektschonendes, berührungslose» Verfahren j:ur Messung akustisch, photo-, elektronen- oder ionenakustisch angeregter Objektdeformationen zu entwickeln, dits sich durch hohe Nachweisempfindlichkeit, geringe Temperaturdrift und vergleichsweise geringen gerätetechnischon Aufwand auszeichnet und sowohl an Luft oder im Vakuum als auch in anderen elektrisch isolierenden, flüssigen oder gasförmigen Medien in einem breiten Frequenzbereich einsotzbar ist.The object of the invention is to develop an object-sparing, non-contact method of measuring acoustically, photoelectronically, electronically or ionically acoustically excited object deformations, which are characterized by high detection sensitivity, low temperature drift and comparatively little equipment-related outlay and both in the air or in the air in vacuum as well as in other electrically insulating, liquid or gaseous media in a wide frequency range is einotzbar.

Ciese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur mikroskopischen Abbildung elastischer, thermischer und thermoelastischer Objektstrukturen gelöst, bei dem das Untersuchungsobjekt von einem fokussieren, periodisch intensitätsmodulierten oder gepulsten elektromagnetischen oder Teilchenstrahl oder einem fokussieren Ultriischallstrahl systematisch abgorastert wird, während synchron dazu die durch die Bestrahlung hervorgerufenen periodischen Objektdeformationen bzw. -schwingungen detektiert und die erhaltenen Meßsignale gespeichert, verarbeitet und/oder bildlich dargestellt werden, wobei erfindungsgemäß dsr bei konstanter Vorspannung fließende Tunnelstrom oder der elektrische Widorstand eines Tunnelkontaktes zwischen einer als Tunnolspitze bezeichneten ersten Elektrode und einer akustisch an das Untersuchungsobjokt angekoppelten Gegenelektrode gemes ten und in einem elektronischen Differenzverstärker mit einem fest eingestellten Sollwert verglichen wird, die erhaltene Abweichung vom Sollwert nach Tiefpaßfilterung so zur Nachstellung des Abstandes zwischen Tunnelspitzo und Gegenelektrode benutzt wird, daß der zeitliche Mittelwert des Tunnelstromes bzw. des Tunnelwiderstandes konstant bleibt, während der zur Strahlmodulationsfrequenz bzw. zur Ultrcschallfrequenz zeitlich korrelierte Wecl· selanteil dos Tunnelstromes bzw. des Tunnelwiderstandes als Maß für die Schwingungsamplitude zwischen Tunnelspitze und Gegenelektrode und damit die Objektdsformationsamplitude registriert wird.This object is achieved by a method for the microscopic imaging of elastic, thermal and thermoelastic object structures, in which the examination object is systematically scanned by a focused, periodically intensity-modulated or pulsed electromagnetic or particle beam or a focused ultrasound beam, while in synchronism the periodic object deformations caused by the irradiation or vibrations detected and the measurement signals obtained stored, processed and / or visualized, according to the invention dsr flowing at constant bias tunnel current or the electrical Widorstand a tunnel contact between a designated as Tunnolspitze first electrode and an acoustically coupled to the Untersuchungsobjokt counter electrode gemes th and is compared in an electronic differential amplifier with a fixed setpoint, the deviation obtained from Sollw After the low pass filter has been used to readjust the distance between the tunnel tip and the counterelectrode, the time average of the tunneling current or the tunneling resistance remains constant, while the cyclic frequency of the tunneling current or of the tunneling resistance correlated in time to the beam modulation frequency or ultrasound frequency is used as a measure of the oscillation amplitude between the tunnel tip and the counter electrode and thus the object deformation amplitude is registered.

Dabei können erfindungsgemaß die Modulations- bzw. Ultraschallfrequenz der anregenden Strahlung vorändert, aus der Frequenzabhängigkeit der gemessenen Schwingungsamplitude sowie aus der Phasenverschiebung zwischen anregender Strahlung und Meßsignal eine Dispersionsrelation für die Schallausbreitungsgoschwindigkoit und -dämpfung im Objekt bzw. für Effizienz und Phasenverschiebung des anregenden Wechselwirkungsprozesses bestimmt und die ermittelten Dispersionsparameter zur Bilddarstellung benutzt werden. Es ist erfindungsgemäß ebenso vorgesehen, das Objekt mit einer Strahlung anzuregen, die aus im Vergleich zur Periodendauer ihrer Wiederholfrequenz kun:en Pulsen besteht, aus den Kurvenformen von Anregungsimpulsen und gemessenen Signalen mit Hilfe von Fouriertrdnsformationun den komplexen Frequenzgang des zwischen Schallanregung und -nachweis durchlaufenen Signalübertragungsprozesses zu ermitteln und dessen die Frequenzdispersion charakterisierende Parameter zur Bilddarstelluni) zu benutzen.According to the invention, the modulation or ultrasound frequency of the exciting radiation can be modulated, the dispersion of the frequency dependence of the measured vibration amplitude as well as the phase shift between exciting radiation and the measurement signal a dispersion relation for the sound propagation and in the object or for efficiency and phase shift of the exciting interaction process and the determined dispersion parameters are used for image representation. It is also provided according to the invention to excite the object with radiation consisting of pulses in comparison with the period of their repetition frequency, from the waveforms of excitation pulses and measured signals with the aid of Fourier-transforming the complex frequency response of the signal transmission process passed between the sound excitation and the detection to determine and use the frequency dispersion characterizing parameters Bilddarstelluni).

Bei Verwendung elektrisch leitfähiger Objokte dient zweckmäßigerweise das Objekt selbst als Gegenelektrode und wird über seine Haltorung bzw. Auflagefläche kontaktiert. Bei Untersuchung nichtleitende r Objekte können kleine und leichte cbjektspezlfisch geformte, elektrisch leit/ähige Folien oder Plättchen als Gegenelektrode fungieren, die zur akustischen Kopplung auf das Objekt gekiobt, loitfähig immergiert oder aufgodrückt werden, es kann eine loitfähige Beschichtung aufgebracht werden (z. B. Bedampfung), odor die akustische Kopplung kann über atomare Wechselwirkungsknifte auf aine extrem miniaturisierte, olastlsch mit dor Tunnelspitzo verbundene Gegenelektrode erfolgen.When using electrically conductive Objokte expediently the object itself serves as a counter electrode and is contacted via its Haltorung or support surface. When investigating nonconducting objects, small and light electrically shaped films or platelets shaped as counterelectrodes can be used as counterelectrodes, which are brushed on the object for acoustic coupling, rendered permissive or gushed, a loiterable coating can be applied (eg. Vapor deposition), or the acoustic coupling can take place via atomic interaction pins on an extremely miniaturized counterelectrode, which is usually connected with the tunnel spitzo.

Nach Binnlg, G.; Rohrer, H.; Gert er, Ch.; Weibel, E.: Phys. Rev. Lett. 49,1982,5ϊ'-θ1 ist der bei konstanter Tunnelspannung U_T fließendo Tunnelstrom I_T dem Faktor exp (-Αψ^1/2β) mit der Höhe der Poten'.ialbarriore ψ, Α «· 1 A"¹ eV~"² und dem Abstand s zwischen Tunnolspitze und Gegenelektrode proportional. Mit ψ im Bereich weniger eV ergibt sich bei einer Abstandsänderung von 1A eine Tunnelstromänderung um etwa eine Größenordnung. Dabei wird nach Feoniitra, R. M.; Fein, A. P.: IBM J. Res. Develop. 30,1986,533-543 zur Erzielung ein'as Tunnelstromes von 1 ηA je nach Materialkombination von Tunnelspitze und Gegenelektrode eine Spannung zwischon einigen 10OmV und einigen V benötiut, was Tunnelwiiierständen R_T um 1G Ohm entspricht. Aus It - Rt οχρ(-Αψ"²8) folgt für kleine Diutanzänderunqen As elm» Nachweisempfindlichkeit dl_T/ds = -Αψ"²Ι_τ bzw. dR_T/ds ¹⁷¹ After Binnlg, G .; Rohrer, H .; Gert er, Ch .; Weibel, E .: Phys. Rev. Lett. 49,1982,5ϊ'-θ1 is the tunnel voltage U _T at a constant tunneling current I _T fließendo the factor exp (-Αψ ^1/2 β) with the amount of Poten'.ialbarriore ψ, Α "· 1 A ^'1 eV ~" ² and the distance s between Tunnolspitze and counter electrode proportional. With ψ in the range of less eV results in a change in the distance of 1A tunnel current change by about one order of magnitude. It is according to Feoniitra, RM; Fein, AP: IBM J. Res. Develop. 30,1986,533-543 to achieve ein'as tunneling current of 1 ηA depending on the combination of material of the tunnel tip and counter electrode a voltage zwischon some 10OmV and some V erforderiut what Tunnelwiiierständen R _T corresponds to 1G ohms. From It - Rt οχρ (-Αψ ^"2 8) follows for small Diutanzänderunqen As elm" sensitivity dl _T / ds = -Αψ _"τ ² Ι or dR _T / ds ¹⁷¹

Demnach ist der Tunnelstrom bei konstanter Spannung bzw. der Tunneiwiderstand ein sehr empfindlicher Indikator für kleine Abstandsänderungen bzw. mechanische Schwingungen. Da das Meßsignal nach Büttiker, M.; Landauer, R.: IBM J. Res. Develop. 30,1986,451-455 mit Zeitkonstanten um 10~¹⁴e auf eine Distanzänderung reagiert, kann der Schwingungsnachweis mittels eines Tunnelkontaktes bei den in der akustischen sowie photo·, elektronen- und ionenakustischen Rastermikroskopie üblichen Modulations· und Ultraschallfrequenzen als trägheittlos und frequenzunabhängig betrachtet werden. Diese Breitbandigkeit ermöglicht die Untersuchung der Frequonzabhängigkeit bzw. der auf Impulsanregung folgenden Transienten bei den verschiedenen, je nach Anregungsart auftretenden Wechselwirkungs- und Ausbreitungsprozessen.Accordingly, the tunnel current at constant voltage or the tunneling resistance is a very sensitive indicator for small changes in distance or mechanical vibrations. Since the measurement signal according to Büttiker, M .; Landauer, R .: IBM J. Res. Develop. 30,1986,451-455 with a time constant of 10 ~ ¹⁴ e responds to a change in distance, the vibration detection by means of a tunnel contact at the customary in acoustic and photo, electron and ion acoustic scanning microscopy modulation and ultrasound frequencies can be considered as non-inert and frequency independent , This broadband allows the investigation of the frequency dependence or the impulses following impulse transients in the various, depending on the type of excitation interaction and propagation processes.

Da din MachweisempfindlichkeU des Verfahrens vom Absfand zwischen Tunnelspitze und Gegenelektrode bzw. vom Mittolwert des Tunnelstromes bzw. -Widerstandes abhängt, muß dieser während der Messung konstant gehalten werden. Hierzu dient wie in der Rastertunnelmikroskopie der Gleichanteii des Tunnelstro.nes bzw. -Widerstandes in Verbindung mit einem Regelverstärker und einem piezoelektrischen Stellglied (z.B. Binnig, G.; Rohrer, M.; Gerber, Ch.; Weibel, E.: Phys. Rev. Lett. 49, 1982,57-61). Im Gegensatz zur Rastertunnelmikroskopie wird beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht die Änderung der Regelspannung ausgewertet, sondern der Wectuelanteil von Tunnelstrom bzw. -widerstand. Hierzu muß die Grenzfrequenz des Regelkreises deutlich unterhalb der verwendeten Modulations- bzw. Ultraschallfrequenz liegen, so daß nur der zeitliche Mittelwert des Tunnelstromes bzw. -Widerstandes konstant gehalten wird, während die Objektschwingungen bzw. · deformationen zu periodischen Schwankungen des Tunnelstromes bzw. -Widerstandes führen. Nach Ausfilterung der zur verwendeten Modulations- bzw. Ultraschallfrequenz korrelierten Wechselsignals steht ein der mechanischen Deformationsamplitude proportionales Meßsignal zur Verfügung.Since the mode sensitivity of the method depends on the section between the tunnel tip and the counterelectrode or on the mean value of the tunnel current or resistance, it must be kept constant during the measurement. For this purpose, as in scanning tunneling microscopy, the equality of the tunnel current or resistance is used in conjunction with a variable gain amplifier and a piezoelectric actuator (eg Binnig, G., Rohrer, M., Gerber, Ch .: Weibel, E .: Phys Lett. 49, 1982, 57-61). In contrast to scanning tunneling microscopy, the change in the control voltage is not evaluated in the method according to the invention but the Wectuel portion of tunnel current or resistance. For this purpose, the limit frequency of the control loop must be well below the modulation or ultrasonic frequency used, so that only the time average of the tunnel current or resistance is kept constant, while the object oscillations or deformations lead to periodic fluctuations of the tunnel current or resistance , After filtering out the alternating signal correlated to the modulation or ultrasonic frequency used, a measurement signal proportional to the mechanical deformation amplitude is available.

Das erfindungsgemäße Verfahren erweitert durch die berührungslose Registrierung der induzierten Objektschwingungen mit hoher Empfindlichkeit bei geringem gerätetechnischen Aufwand den Anwendungsbereich der akustischen, photo-, elektronen- und ionenakusiischen Mikroskopie. Von besonderem Vorteil sind dabei seine durch die Nachregelung des mittleren Tunnelabstandes erreichte Unempfindlichkeit gegenüber Tempereturveränderungen und langsamen mechanischen Driften und seine Ersetzbarkeit in beliebigen elektrisch isolierenden Medien sowie im Vakuum. Die geringe zeitliche Trägheit prädestiniert es besonders für lokale zeitaufgelöste Untersuchungen des Signalverlaufs bei Impulsanregung iiowie für lokale Messungen des Amplituden- und Phasenganges in einem breiten Frequenzbereich.The method according to the invention expands the field of application of acoustic, photo, electron and ion-acoustic microscopy by the non-contact registration of the induced object oscillations with high sensitivity with low equipment outlay. Of particular advantage are its achieved by the readjustment of the average tunnel distance insensitivity to Tempereturveränderungen and slow mechanical drifts and its replaceability in any electrically insulating media and in a vacuum. The low temporal inertness predestines it especially for local time-resolved investigations of the signal course in the case of pulse excitation as well as for local measurements of the amplitude and phase response in a broad frequency range.

Ausfuhrungsbelsplele example 1

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Rasterelektronenmikroskop verwendet, dessen Elektronenstrahl iiuf der Objektoberfläche fokussiert und mit einer Modulationsfrequenz f getastet wird. Hierdurch werden in einem elektrisch leitfähig bedampften Objekt, das über seine Halterung kontaktiert wird, periodische Schwingungen mit der Frequenz fangeregt. Eine in geringem Abstand zum Objekt befindliche, auf der strahlabgewandten Seite angeordnete und elektrisch gegenüber dem Objekt konstant vorgespannte Tunnelspitze wird mit Hilfe eines Piezostellgliedes auf etwa 1 nm an des Objekt angenähert, so daß ein Tunnelstrom zu fließen beginnt, der mit einem zwischen Tunnelspitze und Vorspannungsquelle eingefügten Stromve, stärker gemessen wird. Dessen Ausgangssignal wird in einem Differenzverstärker mit einer Sollspannung verglichen, die den Sollwert für den mittleren Tunnelstrom repräsentiert, und das Differenzsignal einem Tiefpaßfilter zugeführt, dessen Zeitkonstante mindestens um den Faktor 10 höher als die Periodendauer der Strahlmodulationnfrequgnz eingestellt wird. Das tiefpaßgefilterte Differenzsignal wird nun dem Piezosteller mit einer solchen Polarität zugeleitet, daß es einer Tunnelstromänderung entgegenwirkt und damit der mittlere Tunnelstrom bzw. der mittlere Abstand zwischen Tunnelspitze und Objekt konstantgehalten wird. Der Wechselanteil des Differenzverstärkerausgangssignals ist dann der Schwingungsamplitude zwischen Objekt und Tunnelspitze und damit dem elektronenakustisch angeregten Signal proportional und wird einem Lock-in-Voltmeter zur Detektion zugeführt. Somit werden wie üblich Signalamplitude und -phase ermittelt und wahlweise oder kombiniert zum Aufbau eines olektronenakustischen Rasterbildes benutzt. Das Verfahren erreicht mit A » 1A"' eV""² und ψ = 4 eV eine Stromempfindlichkeit von dl_T/ds = -Αψ"² It = -20 l_T/nm bzw. bei einem mittleren Strom von 5 nA eine Empfindlichkeit von 100 nA/nm. Diere hohe Empfindlichkeit bleibt über einen weiten Frequenzbereich bis mindestens 100MHz konstant. Wird die Strahlmodulationsfrequenz in jedem Objektpunkt periodisch zwischen 2 Werten umgetastet, ändert sich auch die Phasenlage des registrierten Signals in Abhängigkeit von der Dicke des Objekts bzw. vorhandener Oberflächenbeschlchtungen In unterschiedlichem Maße, so daß eine bildhafte Darstellung der bei Frequenzumtastung auftretenden Phasendifferenzen eine von den Oberflächenabsorptionseigenschaften unabhängige Visualisierung von Schichtdickenunterschieden in strukturierten Objekten gestattet.To realize the method according to the invention, a scanning electron microscope is used whose electron beam is focused on the object surface and scanned at a modulation frequency f. As a result, periodic oscillations with the frequency are excited in an electrically conductive vapor-deposited object which is contacted via its holder. A located at a small distance from the object, disposed on the side facing away from the beam and electrically biased constantly with respect to the object tunneling tip is approximated by means of a piezoelectric actuator to about 1 nm at the object, so that a tunneling current begins to flow with a between the tunnel tip and bias source inserted Stromve, is measured more. Its output signal is compared in a differential amplifier with a setpoint voltage representing the setpoint value for the mean tunneling current, and the difference signal fed to a low-pass filter whose time constant is set at least by a factor of 10 higher than the period of the Strahlmodulationnfrequgnz. The low-pass filtered difference signal is now supplied to the piezoelectric actuator with such a polarity that it counteracts a tunnel current change and thus the average tunnel current or the mean distance between the tunnel tip and the object is kept constant. The alternating component of the differential amplifier output signal is then proportional to the oscillation amplitude between the object and the tunneling tip and thus to the signal stimulated by the electronicacoustics and is fed to a lock-in voltmeter for detection. Thus, as usual, signal amplitude and phase are determined and optionally or combined used to construct an electron-acoustic raster image. With A »1A"'eV"" ² and ψ = 4 eV, the method achieves a current sensitivity of dl _T / ds = -Αψ " ² It = -20 l _T / nm or, for a mean current of 5 nA, a sensitivity of 100 nA / nm. The high sensitivity remains constant over a wide frequency range up to at least 100MHz. If the beam modulation frequency in each object point is periodically keyed between 2 values, the phase position of the registered signal also varies depending on the thickness of the object or surface defects to varying degrees, so that a pictorial representation of the phase differences occurring in frequency shift keying is independent of the surface absorption characteristics Visualization of layer thickness differences in structured objects allowed.

Damit eignot sich das Verfahren besonders zur Untersuchung der lateralen Homogenität und der Grenzflächeneigenschaften von Schichtstrukturen, wobei seine besonderen Vorteile in der über einen weiten Frequenzbereich konstanten und hohen Detektionsempfindlichkeit, der durch Nachregolung des mittleren Abstandes erreichten Unempfindlichkeit gegenüber temperaturbedingten mechanischen Driften und dem Wegfall einer mechanischen Kopplung zwischen Detektor und Objekt besteht.Thus, the method is particularly suitable for the investigation of the lateral homogeneity and the interface properties of layer structures, with its particular advantages in the over a wide frequency range constant and high detection sensitivity, achieved by Nachregolung the average distance insensitivity to temperature-induced mechanical drift and the elimination of mechanical coupling between detector and object.

Example 2

Zur Realisierung dos orfindur.gsgomaßon Verfahrens wird ein Laser-Rastermikroskop mit periodisch intensitätsmodulierter Bestrahlungsleistung verwendot, dessen Strahlsondo auf die Oberfläche eines über seine Auflagefläche elektrisch kontaktierten Metallobjoktos fokussiert wird und dort Oborf!ächenwoll6n anregt, die sich vom Strahlfokus radial ausbreiten. Diese Oberflächenwellen werden entsprechend Beispiel 1 mit Hilfe oiner gegenüber dem Untersuchungsobjekt elektrisch vorgespannten Tunnelspitzo nachgewiesen, die sich auf der bestrahlten Objefciseite in einem Abstand zum Bestrahlungszentrum befindet, der die lineare Ausdehnung dos abgerasterten Bildfeldes deutlich übersteigt. Der bsi Nachregelung des mittleren Abstondos zwlschon Tunnelspitze und Objekt entsprechen'* Beispiel 1 entstehende Wechselanteil dos Tunnelstromsignals wird dann einsm auf die Strahlmodiilatinnsfrequonz abgostimi ton frequenzselektiven Empfänger zugeführt und dessenTo implement the orfindur.gsgomaßon method, a laser scanning microscope with periodic intensity-modulated irradiation power is used, the beam dome is focused on the surface of an electrically contacted via its contact surface Metallobjoktos and there Oborf! Achenwoll6n excited, which spread radially from the beam focus. These surface waves are detected according to Example 1 with the aid oiner compared to the object under test electrically biased Tunnelspitzo, which is located on the irradiated objefciseite at a distance from the irradiation center, which exceeds the linear extent dos scanned field of view. The bsi readjustment of the mean Abstondos zwlschon tunnel tip and object correspond to '* Example 1 resulting Wechselanteil dos tunnel current signal is then fed einsm on the Strahlmodiilatinnsfrequonz abgostimi ton frequency-selective receiver and its

Ausgangssignal zur Bilddarstellung benutzt. Das so gewonnene Videosignal ist dann der Oberflächendeformationsamplitude im Bereich der Tunnelspitze proportional und hängt damit sowohl von der lokalen Anregungseffizienz für Oberflächenwellen als auch von ihrer Auebreitungsdämpfung auf dem Weg vom Anregungsgebiet zum Tunnelkontekt ab. Demnach ist das Verfahren einerseits aufgrund einer lokal unterschiedlichen Anregungseffizienz für Oberflächenwellen mm Nachweis thermischer und thermoelastischer Materialinhomogenitäten wie Grenzflächen oder Schichtablösungen im Bereich der thermischen Driftlänge geeignet und gestattet andererseits eine Visualisierung von Eigenschaften, die die Ausbreitungsdämpfung von Oberflächenwellen bestimmen, wie Oberflächenrauhigkeit, Materialgefüge und -zusammensetzung, Korngrößen, Rißdichten und Schichtaufbau im Bereich der Eindringtiefe dor Oberflächenwellen. Das Verfahren besitzt eine hohe und über einen weiten Frequenzbereich konstante Empfindlichkeit, benötigt keine direkte mechanische Kopplung zwischen Detektor und Objekt, gestattet aufgrund der Kontaktierung durch Auflegen einen problemlosen Probenwechsel und ist infolge der Nachregelung des mittleren Abstandes unempfindlich gegenüber temperaturbedingten mechanischen Driften.Output signal used for image display. The video signal obtained in this way is then proportional to the surface deformation amplitude in the area of the tunneling tip and thus depends on both the local excitation efficiency for surface waves and on its propagation loss on the way from the excitation area to the tunnel cone. Thus, on the one hand, because of a locally different surface wave excitation efficiency, the method is capable of detecting thermal and thermoelastic material inhomogeneities, such as thermal drift length interfaces or delamination, and on the other hand, visualizing properties that determine the surface wave propagation loss, such as surface roughness, material texture, and composition , Grain sizes, crack densities and layer structure in the area of the penetration depth of the surface waves. The method has a high sensitivity which is constant over a wide frequency range, requires no direct mechanical coupling between the detector and the object, permits a problem-free sample change due to the contact placement and is insensitive to temperature-induced mechanical drift due to the readjustment of the average distance.

Claims

1. A method for microscopically imaging elastic, thermal and thermoelastic object structures, in which the examination subject is systematically scanned by a focused, periodically intensity-modulated or pulsed electromagnetic or particle beam or a focused ultrasound beam, while synchronously causing the periodic object deformations or vibrations caused by the irradiation detected and the measurement signals obtained stored, processed and / or visualized, characterized in that the constant current flowing at a constant tunnel current or the electrical resistance of a tunnel junction between a tunnel tip designated as the first electrode and an acoustically coupled to the examination object counter electrode and measured in a electronic differential amplifier is compared with a fixed setpoint, the deviation obtained from the setpoint after low-pass filtering such ur adjustment of the distance between the tunnel tip and the counter electrode is used, that the time average of the tunnel current or the tunnel resistor remains constant, while the time correlated to the beam modulation frequency or the ultrasonic frequency alternating component of the tunnel current or the tunnel resistance as a measure of the oscillation amplitude between the tunnel tip and counter electrode and registering the object deformation amplitude.

2. The method according to claim 1, characterized in that the modulation or ultrasound frequency of the exciting radiation changes and from the frequency dependence of the measured vibration amplitude and from the phase shift between exciting radiation and measurement signal a dispersion relation for the sound propagation velocity and attenuation in the object or for Efficiency and phase shift of the exciting interaction process is determined and the determined dispersion parameters are used for image display.

3. The method according to claim 1, characterized in that the exciting radiation consists of short pulses compared to the period of their repetition frequency, determined from the waveforms of excitation pulses and measured signals using Fourier transforms the complex frequency response of the signal propagation process between sound excitation and detection and whose frequency dispersion characterizing parameters are used for image presentation.