DD292082A5 - Anordnung zum Nachweis der lokalen Erwärmung von Festkörperoberflächen nachdem Prinzip der photothermischen Strahlablenkung - Google Patents

Abstract

Anordnung zum Nachweis der lokalen Erwaermung von Festkoerperoberflaechen nach dem Prinzip der photothermischen Strahlablenkung. Die Erfindung ist u. a. geeignet fuer die beruehrungslose und zerstoerungsfreie Pruefung von strukturierten Halbleiterbauelementen. Die Erfindung besteht darin, dasz fuer die Fuehrung eines Meszstrahles durch den Brechungsindexgradienten (thermische Linse) im Medium vor der Festkoerperoberflaeche mindestens ein geeignet zur Festkoerperoberflaeche positionierter Streifenwellenleiter vorgesehen ist, dessen wellenleitende Schicht der Festkoerperoberflaeche zugewandt ist. Die Anordnung kann aus einem Wellenleiter bestehen, dessen Ende im Bereich der thermischen Linse liegt oder es koennen zwei Wellenleiter vorgesehen sein, deren Enden im Bereich der thermischen Linse einen schmalen Spalt bilden.{Strahlablenkung, photothermisch; Linse, thermisch; Streifenwellenleiter, parallel zur Festkoerperoberflaeche; Meszstrahl im Wellenleiter verlaufend}

Description

zugewandt ist. Dabei kann der Streifenwellenleiter entweder parallel zur Festkörperoberfläche oder aber unter einem zur W jßstrahlausbreitungsrichtung kleinen Winkel positioniert sein, wobei aber in jedem Fall die Stirnflächen des Wellenleiters so abgeschrägt sind, daß der Meßstrahl parallel zur Oberfläche des Meßobjekts austritt. Dabei kann ein Streifenwellenleiter vorgesehen sein, dessen Ende im Bereich der erzeugten thermischen Linse liegt. Photothermisch induzierte Temperaturschwankungen im Gebiet der thermischen Linsen verändern das Reflexionsvermögen an der Stirnfläche des Streifenwollenleiters. Daraus läßt sich in bekannter Weise ein Meßsignal für die Temperaturschwankungen ableiten.

Es besteht aber auch die vorteilhafte Möglichkeit, daß zwei Streifenwellenleiter vorgesehen sind, deren End an derart positioniert sind, daß sie im Bereich der erzeugten thermischen Linse einen schmalen Spalt bilden. Dabei moduliert die zeitveränderliche thormische Linse im Luftspalt zwischen den beiden Streifenwellenleitern die Überkoppeleffektivität, woraus in bekannter Weise ein Meßsignal für die Temperaturschwankungen abgeleitet werden kann. Die Einspeisung des Meßlichtes in den Streifenwellenleiter kann über Lichtfasern erfolgen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Führung des Meßstrahls im Streifenwellenleiter besteht darin, daß der Testlichtstrahl beliebig dicht an die Probenoberfläche herangeführt werden kann, so daß die Empfindlichkeit der photothermischen Deflexionsmessung sehr ansteigt. Die Anordnung erlaubt dabei die Vermessung beliebig großer Festkörperoberflächen. Vorteilhaft ist weiterhin, daß die wellenleitende Anordnung kompakt ist und in einfacher Weise erschütterungs- und nachjustierfrei zum Mikroskopobjektiv angebracht werden kann.

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll an einem in der Zeichnung schematisch dargestellton Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: die Anordnung mit 2 Stroifenwellenleitern nach dom Mach-Zehnder-Prinzip, dargestellt von unten Fig. 2: die Seitenansicht der Streifenwellenleiter nach Fig.1.

Zur Messung der thermischen Linse (8), die über dem vom fokussieren Heizlaserstrahl (10) am Ort (9) der zu untersuchenden Probenoberfläche (7) erzeugt wurde, soll ein integriert-optisches Mach-Zehnder-Interferrometer genutzt werden. Dessen Aufbau besteht aus zwei identisch hergestellten und in einem Abstand von 100pm angeordneten Y-verzweigten optischen Streifenwellenleitern (5 bzw. 6, Fig. 1) auf der Basis von Lithiumniobat als Substratmaterial (1, Fig. 1). Die beiden Y-Verzweiger müssen dabei so justiert werden, daß die aus dem Eingangsverzweiger (5) austretenden Teilwellen nach Durchlaufen der Strecke von ca. 100 μηι (Abstand der beiden Verzweiger) wieder in die Wellenleiter des Ausgangsverzweigers (6) einkoppeln. Die Justage der Anordnung über der zu untersuchenden Festkörperoberfläche erfolgt in der Weise, daß in einem Arm des Interferometers das modulierte Temperaturfeld über eine Änderung des Brechungsindex des Mediums zwischen den Wellenleitern (sogenannte thermische Linse) eine Phasenänderung der optischen Welle verursacht. Die Wellenleiterbahnen (2) werden durch Protonenaustausch und sich anschließender Temperung in Lithiumniobat hergestellt und zur Lichteinkopplung bzw. -auskopplung mit Monomodelichtleitfasern (3) versehen. Ein in den Vergleichsarm des Interferometers eingesetztes Elektrodenpaar (4) dient zur Beeinflussung der Phase der dort geführten optischen Welle. Damit kann der Kontrast der zu messenden Intensitätsänderung am Interferometeraiisgang maximiert werden. Zur Erreichung eines hohen Meßsignals sind die beiden Wellenleiter möglichst dicht an die Probenoberfläche heranzuführen.

Claims (5)

1. Anordnung zum Nachweis der lokalen Erwärmung von Festkörperoberflächen nach dem Prinzip der photothermischen Strahlablenkung, dadurch gekennzeichnet, daß für die Führung eines Meßstrahls durch den Brechungsindexgradienten (thermische Linse) im Medium vor der Festkörperoberfläche mindestens ein geeignet zur Festkörperoberfläche positionierter Streifenwellenleiter vorgesehen ist, dessen wellenleitende Schicht der Festkörperoberfläche zugewandt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Streifenwellenleiter vorgesehen ist, dessen Ende im Bereich der erzeugten thermischen Linse liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifenwellenleiter parallel zur Festkörperoberfläche positioniert ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifenwellenleiter in Meßstrahl-Ausbreitungsrichtung unter einem kleinen Winkel zur Festkörperoberfläche, quer zur Ausbreitungsrichtung jedoch parallel zur Festkörperoberfläche positioniert ist, wobei eine Stirnfläche des Wellenleiters so abgeschrägt ist, daß der geführte Meßstrahl parallel zur Festkörperoberfläche austreten kann.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Streifenwellenleiter vorgesehen sind, deren Enden derart positioniert sind, daß sie im Bereich der erzeugten thermischen Linse einen schmalen Spalt bilden.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gewinnung photothermischer Meßsignale, die von einer durch einen fokusierten Licht- oder Teilchenstrahl erwärmten Probenoberfläche hergeleitet werden kennen. Solche Meßsignale sind bei der photothermischen Mikroskopie, der photothermischen Spektroskopie und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung aufzunehmen. Ihre Kenntnis und Auswertung vermittelt Informationen über die laterale und vertikale Verteilung der Meßobjektseigenschaften. Damit wird unter anderem auch eine berührungsfreie und zerstörungsfreie Prüfung und Bewertung von strukturierten Halbleiterbauelementen möglich.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei der photothermischen Untersuchung von Festkörperoberflächen werden diese mit einem fokussierten, in seiner Intensität zeitveränderlichen Licht- oder Teilchenstrahl bestrahlt. Zum Nachweis der durch den lokalisierten Energieeintrag erzeugten Oberflächenerwärmung dient ein Meßlichtstrahl, der dicht über die Probenoberfläche vorbeigeführt wird und im Gebiet des temperaturinduzierten Brechzaiilgradienten in der Luft eine Ablenkung oder Phasenstörung erfährt (Photothermische Deflexionstechnik: Canad. J. Phys. 64 [1986], S. 1023-1029). Die Größe des Meßsignals hängt empfindlich vom möglichst kleinen Verhältnis des Abstands von Meßstrahlmitte bis Festkörperoberfläche zur thermischen Diffusionslänge in Luft ab. Da bei ortsauflösenden Messungen die thermische Diffusionslänge im Bereich einiger pm liegen sollte, muß der Meßstrahl ebenfalls sehr dicht an die Meßobjektoberfläche herangeführt werden. Die bekannten Methoden der photothermischen Deflexionstechnik haben den prinzipiellen Nachteil, daß der Meßstrahlabstand infolge des endlichen Meßstrahldurchmessers bzw. des Aperturwinkels bei fokussiertem Meßstrahl einen minimalen Wert nicht unterschreiten kann. Dieser Wert wird für großflächigere Meßobjekte größer. Damit sind vor allem ausgedehnte Festkörper nicht mehr räumlich hochauflösend mit der Methode der photothermischen Defloxionsmessung untersuchbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen Sensor für die photothermische Deflexionsmessung mit hoher Empfindlichkeit zu schaffen, der auch für beliebig ausgedehnte Meßobjekte benutzt werden kann.

Darlegen des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf der Meßobjektoberfläche photothermisch erzeugte lokale Temperaturänderung unter Benutzung eines an der Oberfläche vorbeigeführten Meßstrahls zu detektieren. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Anordnung zum Nachweis der lokalen Erwärmung von Festkörperoberflächen nach dem Prinzip der photothermischen Strahlablenkung erfindungsgemäß dadurch, daß für die Führung eines Meßstrahls durch den Brechungsindexgradienten (thermische Linse) im Medium vor der Festkörperoberfläche mindestens ein geeignet zur Festkörperoberfläche positionierter Streifenweilenleiter vorgesehen ist, dessen wellonleitende Schicht der Festkörperoberfläche