DE3224637A1 - Opto-akustisches licht-raster-mikroskop und verfahren zu seinem betrieb - Google Patents
Opto-akustisches licht-raster-mikroskop und verfahren zu seinem betriebInfo
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Description
- Opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop und Verfahren
- zu seinem Betrieb.
- Die Erfindung betrifft ein opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop mit einem modulierten Lichtstrahl und einem piezoelektrischen Kristall, auf dessen Oberfläche eine Probe angeordnet ist, und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen opto-akustischen Licht-Raster-MSkroskops.
- Mit einem opto-akustischen Licht-Raster-Mikroskop läßt sich eine Probe mittels des Lichtstrahls abtasten. Bei der Absorption von moduliertem Licht werden in der Probe periodische thermische Schwingungen erzeugt, welche zur AusbIldung von akustischen Oberflächenwellen und Volumenwellen führen.
- Akustische Bilder enthalten vielfach Merkmale, welche in optischen Bildern nicht dargestellt werden können. Eine Ubersicht über akustische Mikroskope und ihre Anwendungen ist in der Veröffentlichung "Acoustic Microscopy - 1979", Proceedings of the IEEE, Vol.67, No.4, April 1979, Seiten 521-536, von L.W. Kessler et al enthalten. Akustische Mikroskope bilden Bereiche einer Probe mit Hilfe von elastischen Wellen ab. Ein wesentlicher Nachteil akustischer Mikroskope ist der Umstand, daß die Fokussierung der Sonde auf die Probe schwierig ist.
- Ein opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop, bei dem ein opto-akustisches Bild der abgetasteten Probe erzeugt wird, ist in der Veröffentlichung "Photoacoustics on a microscopic scale" von H.K. Wickramasinghe et al in "Applied Physics Letters" 33 (11), 923-925 (1978) beschrieben.
- Auf die Probe einfallendes Licht erzeugt dabei in der Probe akustische Wellen, welche zuerst in einer Flüssigkeit und sodann in Aluminiumoxid akustische Volumen-Wellen erzeugen, die schließlich detektiert werden, Ein solches opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop ist schwierig zu handhaben, weist wegen der Flüssigkeit große Verluste der akustischen Energie auf und besitzt daher eine relativ geringe Empfindlichkeit für die Detektion der opto-akustischen Eigenschaften der abgetasteten Probe.
- Ein weiteres opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop ist in der Veröffentlichung "Subsurface imaging with photoacoustics" von G. Busse et al in "Applied Physics Letters" 36 (10), 815-816, 1980 beschrieben. Dabei tastet ein Laserstrahl eine Probe ab, welche auf eine Piezokeramik aufgeklebt ist. Die in der Probe von dem Laserstrahl hervorgerufenen elastischen Wellen pflanzen sich als akustische Volumen-Wellen in die Piezokeramik fort und werden schließlich detektiert. Dieses opto-akustische Licht-Raster-Mikroskop weist den Nachteil einer geringen Empfindlichkeit infolge einer nichtresonanten Volumen-Wellen-Detektion auf. Deshalb müssen hohe Lichtleistungen (4w-co2-Laser) und aufwendige Nachweis systeme (lock-in-Verstärker) verwendet werden.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop der eingangs genannten Art anzugeben, das es erlaubt, opto-akustische Eigenschaften einer Probe mit hoher Empfindlichkeit zu detektieren, wobei die erforderlichen Lichtleistungen eine zerstörungsfreie Untersuchung der Probe ermöglichen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop der eingangs genannten Art gelöst, welches die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung enthalten.
- Ein opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop gemäß der Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird im folgenden naher beschrieben.
- G. Veith et al haben in Applied Physics Letters 40 (1), 30-32, 1982, nachgewiesen, daß akustische Oberflächenwellen durch punktförmige optische Anregung mittels einer modulierten Lichtquelle (Laser) auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Kristalls PE (z.B. LiNbO3) erzeugt und mit hoher Empfindlichkeit mittels eines angepaßten Fingerwandlers IT elektrisch detektiert werden können.
- Der periodisch einfallende Lichtstrahl ML wird mittels einer fokussierenden Linse FL fokussiert und wird sodann in einer Probe PR, die auf der Eristalloberfläche angeordnet ist, absorbiert und dort in periodische thermische Schwingungen umgesetzt, welche wiederum als Quelle von Oberflächenwellen im piezoelektrischen Kristall PE wirken. Die lokal erzeugten Oberflächenwellen wandern, wie Wasserwellen, auf der Kristalloberfläche vom Punkt der Erregung nach allen Seiten fort. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwellen ist im allgemeinen abhängig von der kristallografischen Richtung des piezoelektrischen Kristall PE. Die Oberflächenwelle, welche auf einem piezoelektrischen Kristall PE wandert, kann durch einen periodischen Finger-Wandler IT, dessen Fingerabstand einer halben Wellenlänge der Oberflächenwellen auf dem betreffenden Kristall PE (bezogen auf eine bestimmte kristallografische Richtung des piezoelektrischen Kristall PE) entspricht, elektrisch nachgewiesen werden.
- Wenn ein dünner Probenschnitt PR mit gutem akustischen Kontakt auf die Oberfläche des piezoelektrischen Kristalls PE aufgebracht ist, dann läßt sich die Probe PR mittels des punktförmigen BrennpunktS des modulierten Lichtstrahls ML zeilenweise abtasten und synchron dazu das dabei erzeugte elektrische Signal aufzeichnen. In der Figur ist die Oberfläche des piezoelektrischen Kristall PE als in der X-Z-Ebene liegend eingezeichnet. Das Ausgangssignal des Finger-Wandlers IT wird in. einem schmalbandigen RF-Verstärker AM verstärkt und sodann als Signal I in Abhängigkeit von dem Raster-Koordinaten I, Z, nämlich als Signal Y(X, Z), in einem Bildaufzeichnungsgerät OS aufgezeichnet.
- Das Abtasten der Probe in Abhängigkeit von den Koordinaten I, Z kann beispielsweise über eine X-Z-Verschiebesteuerung DR gesteuert werden. Dabei werden die jeweils aktuellen Werte der Koordinaten X, Z sowohl an das Bildaufzeichnungsgerät OS als auch an eine Verschiebeeinrichtung des piezoelektrischen Kristalls PE, auf dem die Probe PR befestigt ist, weitergegeben. Ausführungen einer solchen X-Z-Vrschiebesteuerung DR sind beispielsweise der zitierten Veröffentlichung von L.W. Eessler et al oder in der zitierten Veröffentlichung von G. Busse et al dargestellt. Parameterwerte für den modulierten Lichtstrahl ML, für den piezoelektrischen Kristall PE, für den Finger-Wandler IT, für den RF-Verstärker AM und für die akustischen Absorber AA sind in der zitierten Veröffentlichung von G. Veith et al angegeben.
- Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung ist für die effiziente Erzeugung einer Oberflächenwelle (OFW) im Brennpunkt einer Linse FL wesentlich, daß die räumliche Ausdehnung D des fokussierten Lichtstrahls ML auf der Probenoberfläche kleiner oder gleich der halben Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle zu FW ist: D ~ AOFW/2 e Die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle in einer kristallografischen Richtung Z des betreffenden Kristalls ist gegeben durch JtOFW = wobei vz = Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwellen in Z-Richtung des betreffenden Kristalls, fc..FW = Frequenz der Oberflächenwelle in dem betreffenden Kristall.
- Bei einer optischen Erregung von Oberflächenwellen ist die Freauenz der akustischen Oberflächenwelle fOFW identisch mit der Modulationsfrequenz des Lichtes Zur vermeidung von akustischen Reflexionen an den Substratkanten ist es empfehlenswert, das Substrat mit akustischen Absorbern AA (11akustischer Sumpf") abzuschließen.
- Die Höhe des detektierten elektrIschen Signals Hängt im wesentlichen von folgenden Parametern ab: a) Lokale optische Absorption der Probe PR bei der verwendeten Lichtwellenlänge.
- b) Akustischer Kontakt zwischen Probe PR und Eristalloberfläche des piezoelektrischen Kristalls PE.
- c) Effektiver opto-akustischer Wirkungsgrad, d.h. Prozentsatz der optischen Leistung, welcher in akustische Leistung der Oberflächenwelle umgesetzt wird.
- d) Dampfungs- und Beugungsverluste der Oberflächenwelle in der betrachteten kristallografischen Richtung.
- e) Effektiver piezoelektrischer Wirkungsgrad, d.h. Prozentsatz der akustischen Leistung, welcher in elektrische Leistung umgesetzt wird (piezoelektrische Materialkonstanten; Güte des Finger-Wandlers IT).
- Unter der Annahme, daß die unter b), d), e) genannten Parameter für alle Obåektpunkte auf der Probe PR näherungsweise identisch sind, liefert die durch zeilenweises optisches Abtasten der Probe PR erhaltene Signalreihe P(X, Z ) unter anderem folgende Eontrastinformationen: a) Lokale änderungen des optischen Absorptionsverhaltens der Probe, b) lokale Änderungen des akustischen Ubertragungsverhaltens der Probe PR, c) lokale Änderungen der Oberflächenstruktur und von unter der Oberfläche liegenden Strukturen (z.B. Mikrorisse).
- Die oben beschrebene Apparatur eignet sich unter entsprechenden Voraussetzungen zum opto-akustischen Abtasten mikroskopischer Strukturen.
- Die räumliche Auflösung des beschriebenen opto-akustischen Licht-Raster-Mikroskops hängt im wesentlichen von folgenden Parametern ab: a) Durchmesser D des fokussierten Lichtstrahls ML im Brennpunkt auf der Probenoberfläche. Wie bereits erwähnt, muß gelten D < #OFW/².
- Eine untere Grenze für den Durchmesser D ist gröBenordnungsmäßig gegeben durch die Wellenlänge des verwendeten Lichtes und beträgt etwa 0.5/um.
- b) Wellenlänge #OFW der akustischen Oberflächenwelle: #OFW vz/ wobei z.B.
- VZ (YZ - LiNbO3; Z-Richtung) = 3488 m/sec fM = Modulationsfrequenz des Erreger-Lichtstrahls ML. Maximale Modulationsfrequenz von 3 GHz sind heute praktisch möglich, woraus sich für die kürzeste erreichbare Wellenlänge 1 ergIbt.
- Wie Versuche gezeigt haben, sind die für die konbinuierliche optische Erzeugung akustischer Oberflächenwellen erforderlichen Beleuchtungsstärken in einem Bereich, der eine zerstörungsfreie Untersuchung vieler .«Iaterialien zuläßt ( s1kW/cm2).
- Das akusto-optische Licht-Raster-Mikroskop eignet sich besonders für die Untersuchung optisch undurchsichtiger Proben, sowie für die Untersuchung unter der Oberfläche liegender Strukturen und Defekte (z.B. für die Fertigwngskontrolle von Mikroschaltkreisen, Untersuchung undurchsichtiger biologischer Probenschnitte u.s.w.).
- Die zeilenweise erhaltenen Blldkontraste liefern im allgemeinen gekoppelte Informationen über akustische und optische Größen in den betrachteten Objektpunkten der Probe PR. Durch modifizierte Beobachtungstechniken lassen sich akustische und optische Einflußgrößen trennen: a) Änderung der optischen Wellenlänge des anregenden Lichtes unter gonstanthalten der Modulationsfrequenz = = fOFW = konstant) liefert eine Spektroskopie der optischen Einflußgrößen.
- b) Änderung der Modulationsfrequenz (tfM lh= #fOFW) unter Konstanthalten der optischen Wellenlänge liefert eine Spektroskopie der akustischen Einflußgrößen. Voraussetzung hierzu ist allerdings eine breibandig modulierbare Lichtquelle und eine breitbandige elektrische Detektion.
- c) Soll nur das akustische Verhalten der Probe PR bei konstanter Modulationsfrequenz tfM = konstant) studiert werden, so kann die Probe PR mit einem einheitlich absorbierenden Film bedampft bzw. überzogen werden, so daß die Lichtabsorption in allen Rasterpunkten auf der Probe PR näherungsweise gleich groß ist.
- Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren weisen gegenüber einer Volumen-Wellen-Detektion nach dem Stand der Technik den Vorteil auf, daß die Kontaktierung der Probe PR auf der Oberfläche des piezoelektrischen Kristalls PE das Resonanzverhalten des Nachweissystems der akusto-elektrischen Wandler IT praktisch nicht beeinflußt. Bei einer Volumen-Wellen-Detektion mit Hilfe von piezoelektrischen Wandlern bzw. euarzoszillatoren wird bei den verwendeten hohen Frequenzen durch die Kontaktierung der Probe PR das Resonanzverhalten des Nachweissystems in schwer kontrollierbarer Weise verändert.
Claims (6)
- Patentansprüche= 1 .-,- Opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop mit einem modulierten Lichtstrahl (ML) und einem piezoelektrischen Kristall (PE), auf dessen Oberfläche eine Probe (PR) angeordnet ist, g e k e n n z e i c h n e t durch mindestens einen akusto-elektrischen Wandler (IT) zur Detektion von Oberflächenwellen, deren Ursprungsbereich etwa in dem Bereickindem die Probe (PR) angeordnet ist, liegt.
- 2. Opto-akustisches Licht-Raster-Miskroskop nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Probe (PR) einen optisch einheitlich absorbierenden Film auf seiner Oberfläche aufweist.
- 3. Verfahren zum Betrieb eines opto-akustischen Licht-Raster-Mikroskops, bei dem ein modulierter Lichtstrahl (ML) eine Probe (PR) abtastet und dabei Oberflächenwellen auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Kristalls (PE) erzeugt, dadurch gek e n n z e ich ne t , daß diese Oberflächenwellen durch mindestens einen akustoelektrischen Wandler (IT) detektiert werden und daß das elektrische Ausgangssignal des mindestens einen akustoelektrischen Wandlers (IT) ein opto-akustisches Bild der abgetasteten Probe (PR) liefert.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die optische Wellenlänge des modulierten Lichtstrahls (ML) variiert wird.
- 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Modulationsfrequenz (fM) des modulierten Lichtstrahls (ML) variiert wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Modulationsfrequenz des modulierten Lichtstrahls (ML> so hoch gewählt wird, daß innerhalb einer Modulationsperiode die thermische halbe Diffusionslänge kleiner ist als die wellenlänge von akustischen Oberflächenwellen.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE3525859A1 (de) * | 1985-07-19 | 1987-01-29 | Battelle Institut E V | Verfahren und vorrichtung zur ortung von fehlerhaften verbindungen zwischen gleichen oder unterschiedlichen materialien |
| WO2021256991A1 (en) * | 2020-06-18 | 2021-12-23 | Agency For Science, Technology And Research | A light-acoustic system and a method for detecting an anomaly in a structure |
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| US4255971A (en) * | 1978-11-01 | 1981-03-17 | Allan Rosencwaig | Thermoacoustic microscopy |
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- 1982-07-01 DE DE19823224637 patent/DE3224637C2/de not_active Expired
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| US-Z.: Applied Physics Letters, Vol.12, No.1, 1. Jan. 1968, S. 12 bis 14 * |
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| DE3224637C2 (de) | 1984-12-06 |
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