-
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.