DE3224637C2 - Opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop - Google Patents

Opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop

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DE3224637C2 DE19823224637 DE3224637A DE3224637C2 DE 3224637 C2 DE3224637 C2 DE 3224637C2 DE 19823224637 DE19823224637 DE 19823224637 DE 3224637 A DE3224637 A DE 3224637A DE 3224637 C2 DE3224637 C2 DE 3224637C2
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Abstract

Ein opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop mit einem modulierten Lichtstrahl (ML) und einem piezoelektrischen Kristall (PE), auf dessen Oberfläche eine Probe (PR) angeordnet ist, soll die Detektion opto-akustischer Eigenschaften einer Probe (PR) mit hoher Empfindlichkeit ermöglichen, wobei die erforderlichen Lichtleistungen eine zerstörungsfreie Untersuchung der Probe (PR) erlauben. Ein opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop weist mindestens einen akusto-elektrischen Wandler (IT) zur Detektion von Oberflächenwellen auf, deren Ursprungsbereich etwa in dem Bereich, in dem die Probe (PR) angeordnet ist, liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein opto-akustisches Licht-Ra- rer Laser nötig, dessen Frequenz über einen großen
ster-Mikroskop zur Abbildung opto-akustischer Eigen- Frequenzbereich hinweg verändert werden könnte. Ein
schäften einer Probe mit einem modulierten, kontinuier- abstimmbarer Laser mit einem so großen Frequenzbe-
lich und auf eine Oberfläche eines piezoelektrischen reich erfordert wiederum eine aufwendige externe Mo-
Kristalles und/oder auf eine Oberfläche der Probe ein- 40 dulaticn. Da Volumen-Wellen-Detektoren, die zum
j§ gestrahlten Lichtstrahl, wobei die Probe auf der Ober- Nachweis höherer Frequenzen geeignet sind, sehr
; fläche des piezoelektrischen Kristalles angeordnet ist. schmalbandig sind, ist bei einer geringen Veränderung
f Mit einem opto-akustischen Licht-Raster-Mikroskop der Resonanzfrequenz des Nachweissystems infolge ei-
ίί; läßt sich eine Probe mittels des Lichtstrahles abtasten. ncs Probenwechsels sehr rasch ein nicht-resonanter Vo-
\ί. Bei der Absorption von moduliertem Licht werden in 45 lumen-Wellen-Nachweis gegeben mit allen daraus sich
Ά der Probe periodische thermische Schwingungen er- ergebenden Nachteilen für das Meßergebnis. Obwohl
!■ zeugt, welche zur Ausbildung von akustischen Oberflä- sich der Autor dieser US-Patentschrift die Aufgabe ge-
' chenwellen und Volumenwellen führen. stellt hat, auch bei sehr hohen Modulationsfrequenzen
• Akustische Bilder enthalten vielfach Merkmale, wel- des auf die Probe eingestrahlten Lichtstrahles eine hohe
ehe in optischen Bildern nicht dargestellt werden kön- 50 Nachweisempfindiichkeit zu erzielen, ist in dieser US-
nen. Eine Übersicht über akustische Mikroskope und Patentschrift ein Mikroskop angegeben, das immer
ihre Anwendungen ist in der Veröffentlichung »Acou- noch die erwähnten Nachteile aufweist
stic Microscopy — 1979W1PrOCOfIhClEEE1VoLeZ1No. Aus »Applied Physics Letters«, Vol. 12, No. 1,1. Jan.
■; 4, Apr. 1979, S. 521 -536, von L W. Kessler et al enthal- 1968, S. 12-14, ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von
ten. Akustische Mikroskope bilden Bereiche einer Pro- 55 Oberflächenwellen in einem piezoelektrischen Kristall
; be mit Hilfe von elastischen Wellen ab. Ein wesentlicher durch punktförmige Erhitzung der Kristalloberfläche
; Nachteil akustischer Mikroskope ist der Umstand, daß mittels eines modulierbaren Laserstrahles bekannt, bei
!".':, die Fokussierung der Sonde auf die Probe schwierig ist. der diese auf opto-akustischem Wege erzeugten Ober-
'Vi; Ein opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop, bei flächenwellen durch einen akustoelektrischen Wandler
! dem ein opto-akustisches Bild der abgetasteten Probe 60 detektiert werden. Die Autoren dieser Veröffentlichung
: erzeugt wird, ist in der Veröffentlichung »Photoacou- erzeugen jedoch thermische Wellen und nicht elastische
stics on a microscopic scale« von H. K. Wickramasinghe Wellen; sie verwenden einen Riesenimpulslaser. Dieser
et al in »Applied Physics Letters« 33 (11), 923—925 Riesenimpulslaser strahlt mit hoher Leistung auf eine
(1978) beschrieben. Auf die Probe einfallendes Licht er- Probe ein und erzeugt dabei ein breites Schwingungs-
zeugt dabei in der Probe akustische Wellen, welche zu- 65 spektrum. Bei einer Anordnung nach dieser Veröffentli-
erst in einer Flüssigkeit und sodann in Aluminiumoxid chung erfolgt eine Detektion in nicht-resonanter Weise
akustische Volumen-Wellen erzeugen, die schließlich bei 5 MHz. Außerdem ist ein Riesenimpulslaser nach
detektiert werden. Ein solches opto-akustisches Licht- dieser Anordnung nicht durchstimmbar. Eine Mikrosko-
pie ist mit einer Anordnung nach dieser Veröffentlichung nicht möglich.
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 opioakustisches Licht-Raster-Mikroskop nach dem Anspruch 1 gelöst Bei einem Mikroskop nach der Erfindung ist das Lichterzeugungssystem und das Detektionssystem per se in Resonanz. Damit ist auch die Empfindlichkeit größer als beim Stand der Technik. Eine Resonanzstelle mit einer Breite von 1 kHz ist dabei möglich. Bei einer Volumen-Wellen-Detektion kann eine Resonanzstelle mit einer Breite von 1 kHz auch bei Verwendung von Modulatoren zur Abstimmung eines Lasers Ober längere Zeit hinweg nicht aufrechterhalten werden.
Höherfrequente Oberflächenwellen-Detektoren können breitbandig zur Detektion von akustischen Oberflächenwellen und schmalbandig zur Detektion von Festfrequenzen ausgebildet werden. Die Empfindlichkeit von Oberflächenwellen-Detektoren ist größer als die Empfindlichkeit von Volumen-Welien-Detektoren.
Oberflächenwellen-Detektoren können technisch einfach und zuverlässig hergestellt werden.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprachen, der Beschreibung und dir Zeichnung enthalten.
Ein opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop gemäß der Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird im folgenden näher 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 Kristalloberfläche 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 .Y-Z-Ebene liegend eingezeichnet Das Ausgangssignal des Finger-Wandlers IT wird in einem schmalbandigen RF-Verstärker AM verstärkt und
s sodann als Signa! Y in Abhängigkeit von dem Raster-Koordinaten X, Z. nämlich als Signal Y (X, Z), in einem Bildaufzeichnungsgerät OS aufgezeichnet Das Abtasten der Probe in Abhängigkeit von den Koordinaten X, 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 OSaIs auch an eine Verschiebeeinrichtung des piezoelektrischen Kristalls PE, auf dem die Probe PR befestigt ist weitergegeben. Ausführungen einer solchen X-Z-Verschiebesteuerung DR sind beispielsweise der zitierten Veröffentlichung von L W. Kessler 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 A M 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 Ddes fokussierten Lichtstrahls A/Lauf der Probenoberfläche kleiner oder gleich der halben Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle Aofw ist:
D < Aofw/2.
Die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle in einer kristallografischen Richtung Z des betreffenden Kristalls ist gegeben durch
wobei ν/. - Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwellen in Z-Richtung des betreffenden Kristalls, foFw Frequenz der Oberflächenwelle in dem betreffenden Kristall.
Bei einer optischen Erregung von Oberflächenwellen ist die Frequenz der akustischen Oberflächenwelle foFw identisch mit der Modulationsfrequenz des Lichtes tu.
Zur Vermeidung von akustischen Reflexionen an den Substratkanten ist es empfehlenswert, das Substrat mit akustischen Absorbern AA (»akustischer Sumpf«) abzuschließen.
Die Höhe des detektierten elektrischen Signals Y 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 Kristalloberfläche des piezoelektrischen Kristalls PE.
c) Effektiver opto-akustischer Wirkungsgrad, d.h. Prozentsatz der optischen Leistung, welcher in akustische Leistung der Oberflächenwelle umgesetzt wird.
d) Dämpfungs- und Beugungsverluste der Oberflächenwelle in der betrachteten kristallografischen Richtung.
e) effektiver piezoelektrischer Wirkungsgrad, d. h. b5 Prozentsatz der akustischen Leistung, welcher in elektrische Leistung umgesetzt wird (piezoelektrische Materialkonstanten; Güte des Finger-Wandlers ITX
Unter der Annahme, daß die unter b), d), e) genannten Parameter für alle Objektpunkte auf der Probe PR näherungsweise identisch sind, liefert die durch zeilenweises optisches Abtasten der Probe PR erhaltene Signalreihe Y(X, Z) und unter anderem folgende Kontrastinformationen:
a) Lokale Änderungen des optischen Absorptionsverhaltens der Probe,
b) lokale Änderungen des akustischen Übertragungsverhaltens der Probe PR.
c) lokale Änderungen der Oberflächenstruktur und von unter der Oberfläche liegenden Strukturen (z. B. Mikrorisse).
Die oben beschriebene Apparatur eignet sich unter entsprechenden Voraussetzungen zum opto-akustischen Abtasten mikroskopischer Strukturen.
Die räumliche Auflösung des beschriebenen optoakustischen 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 ^AoFw/2.
Eine untere Grenze für den Durchmesser D ist größenordnungsmäßig gegeben durch die Wellenlänge des verwendeten Lichtes und beträgt etwa 0,5 μπι.
b) Wellenlänge Aofw der akustischen Oberflächenwelle:
a) Änderung der optischen Wellenlänge des anregenden Lichtes unter Konstanthalten der Modulationsfrequenz (fu - foFw - konstant) liefert eine Spektroskopie der optischen Einflußgrößen.
b) Änderung der Modulationsfrequenz [AfM - dfOFW) unter Konstanthalten der optischen Wellenlänge liefert eine Spektroskopie der akustischen Einflußgrößen. Voraussetzung hierzu ist allerdings eine breitbandig modulierbare Lichtquelle und eine
to breitbandige elektrische Detektion.
c) Soll nur das akustische Verhalten der Probe PR bei konstanter Modulationsfrequenz (Sm - konstant) studiert werden, so kann die Probe PR mit einem einheitlich absorbierenden Film bedampft bzw.
is überzogen werden, so daß die Lichtabsorption in allen Rasterpunkten auf der Probe PR näherungsweise gleich groß ist.
- V2IfM,
wobei z. B.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist 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. Quarzoszillatoren wird bei den verwendeten hohen Frequenzen durch die Kontaktierung der Probe PR das Resonanzverhalten des Nachweissystems in schwer kontrollierbarer Weise verändert.
35
(YZ - LiNbO3; Z-Richtung) - 3488 m/sec
- Modulationsfrequenz des Erreger-Licht-Strahls ML Maximale Modulationsfrequenz von 3 GHz sind heute praktisch möglich, woraus sich für die kürzeste erreichbare Wellenlänge
45
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
ergibt
Wie Versuche gezeigt haben, sind die für die kontinuierliche optische Erzeugung akustischer Oberflächenweiien erforderlichen Beleuchtungsstärken in einem Bereich, der eine zerstörungsfreie Untersuchung vieler Materialien zuläßt(»l kW/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 Fertigungskontrolle von Mikroschaltkreisen, Untersuchung undurchsichtiger biologischer Probenschnitte usw.).
Die zeilenweise erhaltenen Bildkontraste 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:

Claims (4)

1 2 Raster-Mikroskop ist schwierig zu handhaben, weist Patentansprüche: wegen der Flüssigkeit große Verluste der akustischen Energie auf und besitzt daher eine relativ geringe Emp-
1. Opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop zur findlichkeit für die Detektion der opto-akustischen Ei-Abbildung opto-akustischer Eigenschaften einer s genschaften der abgetasteten Probe.
Probe (PR) mit einem modulierten, kontinuierlich Ein weiteres opto-akustisches Licht-Raster-Mikro-
und auf eine Oberfläche eines piezoelektrischen Kxi- skop ist in der Veröffentlichung »Subsurface imaging
Stalles (PE) und/oder auf eine Oberfläche der Probe with photo-acoustics« von G. Busse et al in »Applied
(Pä; eingestrahlten Lichtstrahl (ML), wobei die Pro- Physics Letters« 36 (10), 815-816, 1980 beschrieben.
be (PR) auf der Oberfläche des piezoelektrischen io Dabei tastet ein Laserstrahl eine Probe ab, welche auf
Kristall« (PE) angeordnet ist, gekennzeichnet eine Piezokeramik aufgeklebt ist Die in der Probe von
durch mindestens einen akusto-elektrischen dem Laserstrahl hervorgerufenen elastischen Wellen
Wandler {77? zur Detektion der von dem Lichtstrahl pflanzen sich als akustische Volumen-Wellen in die
erzeugten Oberflächenwellen. Piezokeramik fort und werden schließlich detektiert
2. Opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop nach 15 Dieses opto-akustische Licht-Raster-Mikroskop weist Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe den Nachteil einer geringen Empfindlichkeit infolge ei- (PR) einen optisch einheitlich absorbierenden Film ner nicht-resonanten Volumen-Wellen-Detektion auf. auf seiner Oberfläche aufweist Deshalb müssen hohe Lichtleistungen (4W-CO2-Laser)
3. Opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop nach und aufwendige Nachweissysteme (»lock-in«-Verstär-Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Ein- 20 ker) verwendet werden.
richtung zur Abtastung der Probe (PR) mit dem Aus der US-Patentschrift 42 55 971 ist ein opto-aku-
LichtstrahL stisches Licht-Raster-Mikroskop der eingangs genann-
4. Opto-akustisches Licht-Raster-Mikroskop nach ten Art bekannt Auch bei diesem opto-akustischen einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Licht-Raster-Mikroskop pflanzen sich die in der Probe eine Einrichtung (FL) zur Fokussierung des Licht- 25 von dem Laserstrahl hervorgerufenen elastischen WeI-strahles (ML) auf der Oberfläche der Probe (PR). len als akustische Volumen-Wellen in die Piezokeramik wobei die räumliche Ausdehnung des fokussierten fort und werden schließlich als Volumen-Wellen detek-LichtstrahlesfAf/Jauf der dem Lichtstrahl (ML)zu- tiert. Dieses opto-akustische Licht-Raster-Mikroskop gewandten Oberfläche der Probe (PR) kleiner oder weist ebenfalls den Nachteil einer geringen Empfindgleich der halben Wellenlänge der akustischen 30 lichkeit infolge einer nicht-resonanten Volumen-Wel-Oberflächenwelle ist len-Detektion auf. Da bei einem Mikroskop nach dieser
US- Patentschrift die Resonanzfrequenz des Detektions-
systems auch von der Probe abhängt, wäre bei einem
solchen Mikroskop für einen jeweils resonanten Nach-
35 weis der akustischen Volumen-Wellen ein abstimmba-
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