DD293437A5 - Anordnung zur photothermischen mikroskopie - Google Patents

Abstract

Anordnung zur photothermischen Mikroskopie. Ziel der Erfindung ist eine kompakte Meszeinheit, die einfach zu verwenden und leicht zu justieren ist. Die Loesung besteht darin, einen dicht an einer Probenoberflaeche und parallel zu dieser gefuehrten Meszstrahl beidseitig der thermischen Linse unter einem angenaehert rechten Winkel abzulenken und in eine von der Probenoberflaeche entfernte Ebene zu fuehren, in der sich sowohl Mittel zur Meszstrahleinkopplung als auch zur Messung des photothermischen Effektes befinden. Diese Mittel sind vorteilhafterweise Spiegel, die Teil eines ringfoermigen Elementes sind, das den unteren Abschlusz eines auf das Mikroskopobjektiv aufsteckbaren Rohres bildet.{Mikroskopie, photothermisch; Linse, thermisch; Meszstrahl, abgelenkt; Meszebene von Probenoberflaeche entfernt; Spiegel; Rohr, auf Mikroskopobjektiv aufsteckbar}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der zerstörungsfreien mikroskopischen Untersuchung von Festkörpern, wobei Informationen über optische, thermische sowie geometrische Eigenschaften der Probe erhalten werden. Folgende physikalische Größen sind mit dieser Anordnung u. a. meßbar: die thermische Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärme, die Dichte, die elektrische Leitfähigkeit, die Dotierungsdichte, Schichtdicken tiefenstrukturierter Proben sowie die Absorptionskonstante. Mit der Erfindung wird es ermöglicht, gleichzeitig zur ortsaufgelösten optischen Untersuchung der Probe ortsaufgelöste photothermische Messungen am gleichen Ort der Probe durchzuführen. Der Einsatz der erfir>dungsgemäßen Anordnung an einem Laser-Raster-Mikroskop ist möglich. Objekte für photothermische Untersuchungen sind z. B. dotierte Halbleiter und optische Schichten.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Das physikalische Meßprinzip, das der zu beschreibenden Anordnung zugrunde liegt, ist der sogenannte Mirage-Effekt [1 ], der in folgendem besteht. Ein fokussierter intensitätsmodulierter Heizstrahl wird durch die Probe absorbiert. Die absorbierte Energie bewirkt entsprechend den Wärmeleitungseigenschaften der Probe eine Temperaturerhöhung in dem betreffenden Probenbereich sowie im angrenzenden Gasraum. Die absolute Temperaturänderung ist verknüpft mit physikalischen Probenparametern, wie Wärmeleitfähigkeit, Dichte, spezifische Wärme und Absorptionskoeffizient. Eine Temperaturänderung im angrenzenden Gasraum bewirkt entsprechend dem temperaturabhängigen Brechungsindex des Gases (z. B. Luft) eine Änderung der Brechzahl im Gas. Ein durch dieses Brechzahlprofil geführter Meßstrahl wird entsprechend abgelenkt. Bisherige photothermische Mikroskopieranordnungen unte· Ausnutzung dieses Effektes benötigten in der Ebene der Probenhalterung viel Platz für Elemente der Meßstrahlführung [2], 13). Dieser Platz ging dem Handlungsfreiraum des Experimentierenden verloren. Gleichzeitig erhöhte sich die Wahrscheinlichkeit des Berührens und damit Dejustierens von Justierelementen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine leistungsfähige photothermische Mikroskopiereinheit, die eine starr mit dem Objektiv verbundene, wenig des vorhandenen Experimentierraumes beanspruchende, von der gesamten Größe des Objektes unabhängige, leicht justierbare sowie technisch einfache Lösung darstellt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine starr mit dem Objektiv verbundene, wenig des vorhandenen Experimentierraumes beanspruchende, von der gesamten Größe des Objektes unabhängige, leicht justierbare Anordnung zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Anordnung zur photothermischen Mikroskopie erfindungsgemäß dadurch, daß Mittel vorgesehen sind, einen dicht an einer Probenoberfläche und parallel zu dieser geführten Meßstrahl beidseitig der thermischen Linse unter einem angenähert rechten Winkel abzulenken und in eine von der Probenoberfläche entfernte Ebene zu führen, in der sich sowohl Mittel zur Meßstrahleinkopplung als auch zur Messung des photothermischen Effektes befinden. Die optischen Mittel zur Ablenkung des Meßstrahles bestehen aus zWei beidseitig der thermischen Linse unter angenähert 45° zur Probenoberfläche geneigten ebenen oder gekrümmten Spiegeln ' ^>ce Spiegel können Teil eines ringförmigen Elementes sein, in das die entsprechenden ebenen oder gekrümmten Spiegel eir? beitet sind. Erfindungsgemäß kann das ringförmige Element den unteren Abschluß eines auf das Mikroskopobjektiv aufsteckoaren, in Richtung der optischen Achse verschiebbaren, sowie quer zu dieser justierbaren Rohres bilden. Über den Umfang des ringförmigen Elementes können mehrere Meßstrahlengänge verteilt sein. Zum interferometrischen Nachweis kann einer dieser Meßstrahlengänge entlang einer Sehne des ringförmigen Elementes oder in einer Entfernung von mehreren thermischen Diffusionslängen über der Probenoberfläche entlang des Durchmessers des ringförmigen Elementes geführt werden. Weiterhin können fokussierende optische Elemente im Meßstrahlengang vorgesehen werden.

Das Meßsignal ist bei Ausnutzung des Mirage-Effektes umgekehrt proportional zum Exponenten des Verhältnisses zwischen der Entfernung vom Meßstrahl zur Probenoberfläche und der thermischen Diffusionslänge. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den Meßstrahl so nahe wie möglich über der Probenoberfläche entlang zu führen. Für eine' .quenz von z. B. 100 Hz beträgt die thermische Diffusionslänge 250μηη. Ein konvergenter Meßstrahl (ζ. B. Divergenz durch Fokussierung auf die Objektivachse) wird bei langer probennaher Strahlführung durch die Probe teilweise ausgeblendet. Dies erfordert, den Strahlengang über der Probe so kurz wie möglich zu halten. Dieser Strahlengang ist im wesentlichen durch Durchmesser und Brennweite des Objektives begrenzt.

Wesentliche Elemente der neuen Lösung sind zwei symmetrisch zur Objektivachse angeordnete ebene oder gekrümmte Spiegel, die sehr gute optische Qualität - insbesondere in der Nähe der Kante zur Probenoberfläche - besitzen müssen. Der Meßstrahlengang läßt sich dann wie folgt beschreiben.

Mittels optischer Justierelemente wird der Meßstrahl so auf den auf einer Seite der thermischen Linse befindlichen Spiegel gelenkt, daß er parallel zur Probenoberfläche, sehr nahe über der Probenoberfläche, die thermische Linse durchsetzend, auf den gegenüberliegenden Spiegel geführt wird. Gegebenenfalls sind fokussierende Elemente im Strahlengang angeordnet, die den Meßstrahl auf die Objektivachse, d. h. auf die thermische Linse fokussieren. Im weiteren Meßstrahlengang wird die Richtungsänderung oder der Gangunterschied in bekannter Weise nachgewiesen [1 ], [4].

Ausführungsbeispiel

In der Figur ist eine photothermische Mikroskopiereinheit skizziert. Mittels eines Objektivs 1 wird ein intensitätsmodulierter Heizstrahl 2 auf eine Probe 3 fokussiert und durch diese absorbiert. Die absorbierte Energie bewirkt eine Temperaturänderung im Gasraum, die zur Ausbildung einer thermischen Linse 4 führt. Ein Meßstrahl 5 wird über einen ebenen Spiegel 6 auf einen verspiegelten Metallring 7 geführt. Derartige Metallringe werden z. B. in Dunkelfeldobjektiven eingesetzt. Zur Erleichterung der Justierung sind die Neigung der Spiegelfläche des Metalki.iges 7 und die Neigung des Spiegels 6 so kombiniert, daß die Strahlengänge vor dem Spiegel 6 und nach dem Spiegel 7 annähernd parallel verlaufen. Im weiteren Strahlengang wird der Meßstrahl durch die thermische Linse 4 geführt und νο,ι dieser beeinflußt. Mittels der gegenüberliegenden Spiegelfläche des Metallringes 7 und eines ebenen Spiegels 8 trifft der Meßstrahl auf eine Einheit zum Nachweis der photothermisch induzierten Richtungsänderung oder des photothermisch induzierten Gangunterschiedes 11. Ein Körper 9 dient als Spiegelhalterung. Ein Körper 10 dient zur Halterung des Metallringes 7. Eine andere Variante zur Einkopplung eines Meßstrahls ist der Anschluß einer Laserdiode mit entsprechender Optik.

Literatur:

11] Murphy, J.C. and L.C.Aamodt,J.Appl. Phys. 51 (9),4580 (1980)

[21 US-PS 4,790,664

[3| US-PS 4,589,783

[4] Chen, L. and S.Y.Zhang, Appl. Phys. Lett. 50 (19), 1340 (1987)

Claims (7)

1. Anordnung zur photothermischen Mikroskopie, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, einen dicht an einer Probenoberfläche und parallel zu dieser geführten Meßstrahl beidseitig der thermischen Linse unter einem angenähert rechten Winkel abzulenken und in eine von der Probenoberfläche entfernte Ebene zu führen, in der sich sowohl Mittel zur Meßstrahleinkopplung als auch zur Messung des photothermischen Effektes befinden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel zur Ablenkung des Meßstrahles aus zwei an jeweils einer Seite der thermischen Linse unter angenähert 45° zur Probenoberfläche geneigten ebenen oder gekrümmten Spiegeln bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel Teil eines ringförmigen Elementes'sind, in dem die entsprechenden ebenen odergekrümmten Spiegel eingearbeitetsind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Element den unteren Abschluß eines auf das Mikroskopobjektiv aufsteckbaren, in Richtung der optischen Achse verschiebbaren und quer zu dieser justierbaren Rohres bildet.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, über den Umfang des ringförmigen Elementes verteilte Meßstrahlengänge vorgesehen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum interferometrischen Nachweis des thermisch induzierten optischen Gangunterschiedes einer der Strahlengänge entlang einer Sehne des ringförmigen Elementes oder in einer Entfernung von mehreren thermischen Diffusionslängen über der Probenoberfläche entlang des Durchmessers des ringförmigen Elementes geführt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßstrahlengang fokussierende optische Elemente vorgesehen sind.