DE3526241A1

DE3526241A1 - Anordnung zur hochaufloesenden abbildung von strukturen in festkoerpern

Info

Publication number: DE3526241A1
Application number: DE19853526241
Authority: DE
Inventors: Rudolf Peter Prof. Dr. 7400 Tübingen Hübener
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-08-14
Filing date: 1985-07-23
Publication date: 1986-02-27

Description

Neuanmeldung mit Priorität
"Anordnung zur hochauflösenden Abbildung von Strukturen in Festkörpern" Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1). Eine derartige Anordnung ist aus dem Buch von E.A. Ash "Scanned Image Microscopy", Academic-Press, 1980, Seite 291 - 317, bereits bekannt. Diese hat jedoch den Nachteil, daß zur Detektion nur ein Wärmedetektor verwendet wird. Dadurch ist die Auflösung sehr gering, d.h. die Größe der nachweisbaren Objekte (4) ist im Bereich von mindestens mm. Ein weiterer Nachteil ist es, daß keine genaue Information über räumliche Lage und Ausdehnung des Objekts (4) erhalten wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1) derart weiter zu entwickeln, daß die nachweisbaren Objekte wesentlich kleiner als mm sein können, daß die Objekte (4) auch in einer Festkörpertiefe von mehreren mm bis cm nachgewiesen werden können, und daß zusätzlich die räumliche Lage und Anordnung der Objekte (4) bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1) und den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen gelöst.
Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 4 näher beispielhaft erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch einen Festkörper, Fig. 2 eine Ansicht der Festkörperoberfläche auf der Seite der Detektoren, Fig. 3 ein Beispiel der Form eines supraleitenden Bolometers, Fig. 4 ein zweidimensionales Beispiel zur Bestimmung der Objektposition.
Das in Fig. 1 dargestellte Schnittbild zeigt den Festkörper (3), dessen Oberfläche (3') mit dem Strahl (2) abgerastert wird.
An der Festkörperunterseite (3") sind zwei oder mehr Detektoren (1), (1'), angebracht.
Durch den Strahl wird der Festkörper an seiner Oberfläche (3') lokal erhitzt. Von der heissen Stelle werden akustische Schallquanten (ballistische Phononen) in das Festkörperinnere ausgesandt. An der entgegengesetzten Festkörperoberfläche (3") werden die Schallwellen ortsaufgelöst mit den Detektoren (1), (1') registriert. Durch eine strukturelle Inhomogenität (4) im Festkörper auf der geraden Verbindungslinie zwischen der Schallquelle und dem Detektor findet Streuung oder Absorption der Schallwelle statt. Hierdurch wird das Detektorsignal beeinflußt.
Zur ortsaufgelösten Schalldetektion eignen sich piezoelektrische Wandler und Bolometer. Das Verfahren wird besonders empfindlich, wenn es bei tiefer Temperatur, d.h. bei der Temperatur des flüssigen Heliums (etwa 4 K) durchgeführt wird. Bei tiefen Temperaturen ergeben sich große Ausbreitungsstrecken für die erzeugten Schallquanten von mm bis cm. Ferner lassen sich hier hochempfindliche Detektoren, wie supraleitende Bolometer und supraleitende Tunnelkontakte, verwenden. Für die Betriebsweise bei tiefen Temperaturen ist eine Kryoeinrichtung zu verwenden.
Das Beispiel einer experimentellen Tieftemperatureinrichtung, die in ein Elektronen-Rastermikroskop eingebaut ist, einschließlich der Probenmontage in der Tieftemperaturstufe, ist in der Arbeit von R. Eichele, R. P. Huebener und H. Seifert "Phonon Focusing in Quartz and Sapphire Imaged by Electron Beam Scanning", Z. Physik B48, 89 (1982) beschrieben.
Um eine hohe räumliche Auflösung zu erzielen, sind möglichst kleine Schalldetektoren zu verwenden. Diese Detektoren können mit lithographischen Verfahren auf der Festkörperrückseite (3") angebracht werden. Ein Ausführungsbeispiel eines supraleitenden Bolometers ist in Fig. 3 gezeigt. Die Lateralabmessungen (a) und (b) der supraleitenden Bolometer betragen vorzugsweise 1 - 10 Vm, die Dicke der supraleitenden Bolometer 10 - 1000 nm.
Als Bolometermaterial sind vorzugsweise supraleitende Schichten zu verwenden, die im Normalzustand, d.h. unmittelbar oberhalb ihrer kritischen Temperatur, einen möglichst hohen elektrischen Widerstand aufweisen. Hierzu eignen sich besonders beispielsweise supraleitende Schichten aus Pb, Al, Sn, oder In mit hoher Sauerstoffdotierung oder supraleitende Legierungen wie z.B. PbIn ' oder PbBi. Auf beiden Seiten der Bolometerfläche mit den Lateralabmessungen (a) und (b) befinden sich große Kontaktflächen, an die elektrische Leitungen zur Stromführung und zur Spannungsmessung angeschlossen werden können.
Die als Detektor verwendeten supraleitenden Tunneldioden haben vorzugsweise ebenfalls Lateralabmessungen des empfindlichen Bereichs von 1 - 10 pm und eine gesamte Dicke von 10 - 1000 nm.
Derartige Tunneldioden sindaus dem Buch von L. Solymar "Superconductive Tunnelling and Applications", Chapman and Hall, London, 1972, bekannt.
Handelt es sich bei dem Festkörper (3) um elektrisch leitendes Materials, so sind die als Detektor verwendeten supraleitenden Bolometer bzw. Tunneldioden durch eine dünne elektrische Isolierschicht von dem Festkörper (3) getrennt. Diese elektrische Isolierschicht hat vorzugsweise eine Dicke von 1 - 100 nm.
Als Material kann hierzu Al203 oder SiO2 verwendet werden, das im Hochvakuum aufgedampft wird.
Zur Erzielung einer hohen räumlichen Auflösung ist eine möglichst kleine Abmessung des als Schallquelle wirkenden heissen Bereichs auf der Festkörperoberfläche (3') anzustreben. Durch hochfrequente Modulation der Strahlintensität kann die räumliche Ausdehnung des temperaturmodulierten Bereichs stark reduziert werden. Zur Ausnutzung dieses Effekts ist von dem Detektor ebenfalls das modulierte Signal zu verarbeiten. Die zu verwendenden Modulationsfrequenzen liegen vorzugsweise im Bereich von 100 kHz bis 10 GHz.
Wie sich der Ort der strukturellen Inhomogenität aus den Sionalen der verschiedenen Detektoren ergibt, soll an dem in Fig. 4 dargestellten zweidimensionalen Beispiel erläutert werden.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den Festkörper (3). Auf der Festkörperoberseite (3') sind zwei Strahlfokussierungspunkte (2) und (2') angegeben. Auf der Festkörperunterseite (3") befinden sich zwei Detektoren (1) und (1'). Die strukturelle Inhomogenität (4) befindet sich am Ort des Schnittpunkts der geraden Verbindungslinie zwischen dem Fokussierungspunkt (2) und dem Detektor (1) bzw. dem Fokussierungspunkt (2') und dem Detektor (1'). In diesem Fall verursacht das Objekt (4) somit eine Signaländerung am Detektor (1) bzw. am Detektor (1'), wenn sich der Strahlfokussierungspunkt beim Rasterprozess an den Orten (2) bzw. (2') befindet. Durch entsprechende Zuordnung der Signale beider Detektoren mit den Koordinaten der Strahlfokussierungspunkte während des Rasterprozesses lassen sich in der betrachteten Schnittebene beide Ortskoordinaten der strukturellen Inhomogenität (4) ermitteln.
Aus dem in Fig. 4 dargestellten zweidimensionalen Schnitt ist zu erkennen, wie sich die in der Schnittebene liegenden beiden Ortskoordinaten der strukturellen Inhomogenität (4) bereits gewinnen lassen, indem der Strahl nur entlang einer einzigen (in der Schnittebene liegenden) geraden Linie- gerastert wird. Erweitert man diesen Rasterprozess, indem die Festkörpern oberseite (3') zweidimensional abgerastert wird, so lassen sich alle drei Ortskoordinaten des Objekts (4) aus den Signalen der beiden Detektoren (1), (1') gewinnen. Hierbei wird in Verbindung mit dem zweidimensionalen Rasterprozess von jedem Detektor ein zweidimensionales Bild der strukturellen Inhomogenitäten im Festkörper erzeugt. Aufgrund der verschiedenen Positionen der Detektoren (1), (1') an der Festkörperunterseite (3") sind diese beiden Bilder verschieden. Aus den beiden Bildern kann die dreidimensionale Anordnung der Inhomogenitäten im Festkörper gewonnen werden. Für die Gewinnung der dreidimensionalen Aksildung aus den einzelnen Detektorsignalen ist es zweckmäßig, eine elektronische Signalverarbeitung heranzuziehen.
Zusätzlich zur Höhe der Detektorsignale enthält auch das zeitliche Verhalten der Detektorsignale wichtige Informationen.
Informationen zum zeitlichen Verhalten können aus der Phasenlage des Detektorsignals relativ zu der Intensitatsmodulat on des Strahles gewonnen werden. Ferner kann es zweckmäßig sein, den zum Abrastern verwendeten Strahl zeitlich zu pulsen. Bei diesem Pulsbetrieb kann der Strahl, wie oben ausgeführt, zustzlic noch bei hohen Frequenzen in seiner Intensität moduliert sein.
Die Zeitinformation kann in diesem Fall durch zewtaufgelöste Aufnahme des Detektorsignals gewonnen werden.
F

Claims

Patentansprüche 1) Anordnung zur hochauflösenden Abbildung von Strukturen in Festkörpern, bei der die Oberfläche eines Festkörpers mit Strahlen abgerastert wird und die an der gegenüberliegenden Seite des Festkörpers entstehenden Wirkungen mit einem Detektor detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß a) der Festkörper (3) mit den Schalldetektoren (1), (1') auf tiefe Temperaturen, vorzugsweise auf die Temperatur des flüssigen Heliums (etwa 4 K) gekühlt ist, b) die vom abrasternden, unmodulierten Strahl erzeugten akustischen Schallquanten (ballistische Phononen) zur Abbildung der Strukturen verwendet werden, c) zwei oder mehr Schalldetektoren (1), (1') vorgesehen sind.
2) Anordnung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Schalldetektoren (1), (1') in möglichst geringem Abstand nebeneinander angeordnet sind.
3) Anordnung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Schalldetektoren (1), (1') im Vergleich zur abgerasterten Fläche und zur Probendicke sehr kleine Abmessungen aufweisen.
4) Anordnung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß der t einzelne Schalldetektor ein supraleitendes Bolometer ist.
5) Anordnung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß der einzelne Schalldetektor eine supraleitende Tunneldlode ist.
6) Anordnung nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß der einzelne Schalldetektor ein piezoelektrischer Wandler ist.
7) Anordnung nach Anspruch 1) - 6), dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schalldetektoren (1), (1?) auf die Festkörperoberfläche (3") mittels lithographischer Verfahren aufgebracht sind.
8) Anordnung nach Anspruch 1) - 7), dadurch gekennzeichnet, daß die Schalldetektoren durch eine dünne Isolierschicht von dem Festkörper elektrisch getrennt sind.
9) Anordnung nach Anspruch 1) - 8), dadurch gekennzeichnet, daß der zum Abrastern verwendete Strahl (2) aus einem Lichtstrahl, einem Elektronenstrahl, oder einem anderen Teilchenstrahl besteht.
10) Anordnung nach Anspruch 1) - 9), dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen (2) in ihrer Intensität mit einer hohen Frequenz vorzugsweise im Bereich von 100 kHz bis 10 GHz moduliert sind.
11) Anordnung nach Anspruch 1) - 10), dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen (2) zeitlich gepulst sind, wobei die Pulsbreite vorzugsweise im Bereich 1 - 100 ns liegt.
12) Anordnung nach Anspruch 1) - 11), dadurch gekennzeichnet, daß neben der Höhe des Detektorsignals auch seine zeitliche Phasenlage aufgenommen wird.
13) Anordnung nach Anspruch 1) - 12), dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsignal zeitaufgelöst aufgenommen wird.