DD292082B5 - Anordnung zum Nachweis der lokalen Erwaermung von Festkoerperoberflaechen nach dem Prinzip der photothermischen Strahlablenkung - Google Patents
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Description
Hierzu 1 Seite Zeichnungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gewinnung phototherrnischer Meßsignale, die von einer durch einen fokusierten Licht- oder Teilchenstrahl erwärmten Probenoberfläche hergeleitet werden können. Solche Meßsignale sind bei der photothermischen Mikroskopie, der photothermischefi 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 e'en lokalisierten Energieeintrag erzeugten Oberflächenerwärmung dient ein Meßlichtstrahl, der dicht über die Probenoberfläche vorbeigeführt wird und im Gebiet des temperaturinduzierten Brechzahlgradienten 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 Deflexionsmessung untei. ^uiDar.
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 dor Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf der Meßobjektoberfläche photothermisch erzeugte lokale Temperaturänderung unter Benutzung eines an eier Oberfläche vorbeigeführten Meßstrahls zu detektieren. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Anordnung zum Nachweis dar 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 Streifenwellenleiter vorgesehen ist, dessen wellenleitende Schicht der Festkörperoberfläche zugewandt ist. Dabei kann der Streifenwellenleiter entweder parallel zur Festkörperoberfläche oder aber unter einem zur Meßstrahlausbreitungsrichtung 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. Photothormisch induzierte Temperaturschwankungen im Gebiet der thermischen Linsen verändern das Reflexionsvermögen an der Stirnfläche des Streifenwellenleiters. 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 Enden derart positioniert sind, daß sie im Bereich der erzeugten thermischen Linse einen schmalen Spalt bilden. Dabei moduliert die zeitveränderliche thermische 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 dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1: die Anordnung mit 2 Streifenwellenleitern nach dem Mach-Zehncler-Prinzip, dargestellt von unten Fig. 2: die Seitenansicht der Streifenwellenleiter nach Fig. 1.
Zur Messung der thermischen Linse (8), die über dem vom fokussierten 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 ΊΟΌμιη angeordneten Y-verzweigten optischen Streifenweüenleitem (5 bzw. 8, Fig. 1) auf der Basis von Lithiumniobat als Substratmaterial (1, Fig. 1). Die beiden Y-Verzweiger müssen dabei so justiert werden, daß die aus den-. Eingangsverzweiger (5) austretenden Teilwellen nach Durchlaufen der Stieckavonca. 100 pm (Abstand der beiden Verzweiger) wieder in die Wellenleiter des Ausgangsverzweigers (6)einkoppeln. Die Justage der Anordnung über der zu untersuchenden Festkorperoberfläche 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 Wr!i« 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 Wolle. Damit kann der Kontrast der zu messenden Intensitätsänderung am Interferometerausgang maximiert werden. Zur Erreichung eines hohen Meßsignals sind die beiden Wellenleiter möglichst dicht an die Probenoberfläche heranzuführen.
Claims (6)
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 der thermischen Linse (8) mindestens ein geeignet zur Festkörperoberfläche positionierter Streifenwellenleiter vorgesehen ist, dessen wellenleitende Schicht der Festkörperoberfläche einer Probe (7) zugewandt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Streifenwellenleiter mit einer Wellenleiterbahn (2) vorgesehen ist, dessen Ende im Bereich der erzeugten thermischen Linse (8) liegt.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Streifenwellenleiter mit Wellenleiterbahnen (2) vorgesehen sind, deren Enden derart zueinander positioniert sind, daß sie einander gegenüberliegend im Bereich dor erzeugten thermischen Linse (8) einen schmalen Spa.t bilden.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl durch einen ersten Y-Verzw aiger (Eingangsverzweiger 5) in einen Meßzweig und einen Referenzzweig aufteilbar ist, die sich bildenden Tuilstrahlen nach dem Durchlauf durch den Spalt in einen zweiten Y-Verzweiger (Ausgangsverzweiger 6) wieder zusammenführbar sind und die thermische Linse (8) nur im Spalt im Bereich des Meßzweiges ist.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eino Wellenleiterbahn (2) des Streifenwellenleiters parallel zur Festkörperoberfläche der Probe (7) positioniert ist.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Wellenleiterbahn (2) des Streifenwellenleiters in Meßstrahl-Ausbreitungsrichtung unter einem kleinen Winkel zur Festkörperoberfläche der Probe (7), quer zur Ausbreitungsrichtung jedoch parallel zur Festkörperoberfläche positioniert ist, wobei die Stirnfläche der Wellenleiterbahn (2) des Streifenwellenleiters im Bereich der thermischen Linse (8) so abgeschrägt ist, daß der geführte Meßstrahl parallel zur Festkörperoberfläche austritt.
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